实施Zonal区域架构的挑战

 

汽车世界即将掀起一场影响十分深远的革命，不仅是利用电力推进技术来置换不同的动力装置，汽车和其他车辆的生产将从此发生根本性改变；这场变革的重要性，不亚于福特于1913年导入移动式装配线。

 

创新为汽车产业带来了巨幅的进步。汽车制造商正持续不断地为车辆研发新技术，无论是要提高安全性、提供更优异的性能还是提升乘客的舒适度。其中一些创新来自汽车业界专门开发的研究成果，而另外一些创新则是借用赛车运动甚至是航空业的技术。展望未来，从其他专业领域带来的进展也将发挥重要作用。在最近由Molex莫仕和Mouser贸泽电子共同赞助的调查研究中，Dimensional Research公司对500多名汽车业内的专业人士进行了调查研究。约有43%的受访者表示，来自其他领域的技术跃进是汽车设计发生改变的关键推动力。因此，未来的汽车将拥有一系列丰富的功能，相比以往变得更加复杂。

尽管汽车采用了众多新技术，但这几十年来，汽车的制造方式几乎没有显著的改变。现代汽车内的电子系统通常占了车辆价值的一半以上，并且新功能还在不断增加；但用于连接电子组件的技术却落后于软件和硬件的发展。事实上，在Molex莫仕和贸泽电子共同赞助的调查研究中显示，超过57%的受访专业人士认为制造方面的技术问题是实现下一代汽车架构的最大障碍之一，必须克服。

 

汽车制造的演变

汽车制造方式的演变，使得生产技术出现了阻碍。举例来说，目前开发出来的新功能和系统会加入现有的汽车布线系统中，每项功能都是作为一个新模块加入，称为电子控制单元（ECU），各自有自己的专用接线以连接到车辆其他部分。最新的车辆每辆需要100到150个ECU，以及与其搭配的线束。然而，现在的车辆内部已经没有足够空间来容纳所有这些系统，而且制造商在布线方面也面临饱和问题。

经过多年发展，汽车内需要安装的复杂零件逐渐增多，导致电缆线束也越来越复杂，问题如同雪球般越滚越大，而汽车的电缆线束也已经成为制造过程中的最复杂零件之一。

现代的汽车电缆线束负责在全车内传输电源、数据和控制信号，但其复杂的布线推高了制造成本。尽管汽车是以高度自动化生产方式制造，但不管在何种车辆中，电缆线束都属于为数不多的手工装配系统之一，这对制造商产生了几个重要的影响。

任何需要经由手工装配零件的生产成本都很昂贵，汽车线束的尺寸和复杂度导致其成本比大多数零件都高，在质量上也造成了很大的影响。采用机器人负责生产汽车的主要好处之一，就是质量控制，因为机器人能以近乎完美的精确度重复执行操作。然而，由于汽车线束本身的复杂性和柔韧性，使得目前的机器人无法用于电缆线束的制造。例如线束缺乏刚性，可以弯曲、扭曲或以其他方式自由扭动，因此难以使用机器人进行装配。

由于每辆车内都有数公里长的电线连接数百个连接器，汽车线束系统的手工装配作业便成为整个汽车产业中发生故障和保修索赔的常见原因。这类索赔无论在材料成本还是声誉方面都造成很大损害，汽车制造商不应该轻视。

 

铜缆布线

现在，业界鼓励采用更小及更高效的传输方式，但铜缆在车辆性能方面仍然发挥了关键作用。但如此大量的铜缆十分笨重，会消耗汽车的续航里程及性能。

随着汽车产业不断导入新技术，在下一代的汽车中将可看到对电气连接的更大需求。由于制造商热衷利用最新的5G无线通信技术来改进安全性和用户体验，汽车将首次成为动态网络的一环，与其他的道路用户甚至交通控制基础设施共享信息，有望提高道路交通的安全性及效率。这项技术称为车联网（V2X）通信技术，我们将看到汽车配备比以往更多的传感器、控制器和运算能力。

81%的受访者认为4级自动驾驶将在未来10年内成为新车的标准配备功能——这将对汽车的布线和性能造成更多压力

在大肆宣扬朝向自主性或「自动驾驶」车辆迈进的过程中，这项技术变得越来越重要。在参与Molex莫仕/贸泽电子调查研究的专业人士中，81%的人士相信4级自动驾驶将在未来10年内成为新车的标准配备功能，而先进驾驶辅助系统（ADAS）已开始为使用者提供完善的道路安全解决方案。与其他道路使用者进行互动的关键，将取决于系统能否以尽可能低的延迟时间来收集、分析和处理有关周边环境的信息。

这些创新与转向替代性能源是同时期发生的。混合动力汽车现在相当普及，已有许多制造商承诺最终将停产内燃机引擎汽车。电池甚至氢燃料电池被视为未来的可持续解决方案。下一代汽车的电缆线束系统必须再次升级以应对电力和高速通信需求。汽车制造商正在以此为契机，试图解决汽车设计和制造方面的基本问题。

 

平面架构和域架构

最大型汽车制造商拥有数十年的设计生产经验，随着新系统的加入，多年来汽车架构不断累积变化和发生演进。从组件装置到ECU再到车辆的连接，都是杂乱无章地添加，因此存在着许多重复的布线和复杂的结构，其结果是形成了「平面」的布线架构。这是由大量电缆组成的高度复杂结构，导致汽车装配的效率低下，并且需要密集的劳动力。

这种平面架构无法适应未来汽车产业所需的新系统，许多制造商因此转向更具结构性的架构，通常称为域导向型（domain-oriented）设计。在这种架构中，汽车架构按照功能分组以对整车进行控制。无论是动力传动系统、安全系统还是车载娱乐系统，每个功能域都有自己的控制器，并且各自经由网关与其他功能域进行通信，以创建统一的整车系统。

然而，按照功能进行分组的域架构并不能解决电缆过多所造成的问题。一个功能域仍由部署于全车中的各个装置构成，因此各装置需要自行连接到控制器。域架构虽然比传统平面架构更能进行调适，但仍与未来的理想解决方案相差甚远。尽管如此，域架构确实是以全新方法实现汽车电子化的敲门砖，它不仅改变了汽车的运作方式，而且改变了汽车的制造、更新和维护方式。

汽车架构的演进

 

 

导入Zonal区域架构设计

区域架构 （Zonal architecture）是全新的汽车电子技术名称。与按照功能分组的域架构相比，Zonal区域架构是更高效的解决方案。汽车功能按照位置分为几个区域，每个区域负责安装在区内的装置，而区域的对外连接必须通过本区域的区域控制器或网关进行。由于Zonal区域网关靠近它所控制的装置，因此与各装置连接的电缆相对较短。

每个Zonal区域网关都会连接到车辆核心的中央运算集群。一个关键改变在于Zonal区域网关和中央运算器之间的通信方式类似于计算机网络，而不像以往汽车内的电缆线束。因此，区域间的通信运作可以通过一条小型高速网络电缆进行，从而大大缩减了车辆中安装的电缆数量和尺寸。

这种新方法充分利用了计算能力和高速通信技术的最新发展成果，这两者都是不可或缺的，原因在于下一代汽车必须处理的数据量大增。最新ADAS和自主系统的眼睛和耳朵是由传感器阵列构成，它们将产生前所未有的信息量，必须以高速率进行处理。未来的车载网络速度将达到每秒10 Gbps甚至更高。配置Zonal区域架构的汽车所需要的计算性能，将相当于好几个最高效的桌上型工作站，可以说构成了“车轮上的数据中心”。

设计人员在重新考量车内布线概念时，也注意到了配电设计。无论是电机、传感器或ECU等，每个装置都需要电源。虽然传统汽车电源是以12V供电，但设计人员正在研究最高采用48V电压的可能性。提高电压能够以较低的电流向各装置供给等量电能；由于更高的电流需要规格更粗的电缆线束，因此减小电流可以相应地缩减新架构中的电源线缆。

 

革新汽车设计

Zonal区域架构的优势将彻底改变汽车设计

Zonal区域架构从本质上降低了车内电缆线束的复杂性，包括电缆的数量以及所需的布线距离。各装置与Zonal区域网关的连接在区域内进行，以维持最短的电缆长度。数据和电源电缆也一样，因为Zonal区域网关不仅能够作为数据处理中心，还可以作为配电模块。

Zonal区域网关和中央计算集群之间的通信链接可以通过较少量的高速网络连接达成，其中可能由少量的双绞线电缆构成。即便将安全关键系统的备用需求纳入考虑，整个车身内的铜缆用量也将大为减少。

这对于汽车制造的影响极为显著。不仅铜缆的体积将大幅减小，而且缩减的尺寸也将大大简化电缆线束的安装。每个区域都能以模块化方式进行安装，而不是处理延伸到车身长度的线束。全新布线系统的重量减轻，也将提高汽车的效率。在给定的动力下，电动汽车将会具有更长的续航里程以及更优异的性能。

模块化功能也将带领汽车迈入标准化的崭新时代。以目前的技术，每款车型都需要定制自己的独特线束，甚至同一型车款也要提供不同的选项。Zonal区域架构则恰恰相反，该架构的硬件可以是通用的，用于不同的汽车型款。中央计算集群和Zonal区域网关之间的连接，在不同类型的车辆中也可以保持不变，并且可以利用模块化方式将各个装置添加到每个网关中，以实现不同的型款变化。

中央计算集群为Zonal区域架构提供了灵活性，因为该架构的大部分功能是来自软件定义汽车（SDV）成果。经由软件来驱动功能，可以对网关进行调整并更新以适应新功能的需要，这与执行单项功能的传统ECU不同。从另一方面来看，Zonal区域架构能够更有效地整合功能，通过即插即用的方式来调换或增加传感器和电机等零件，这样一来，在经销商网络内就可以轻松对汽车进行维修或升级，而无需在复杂的维修车间进行处理。通过与5G蜂窝网络连接，能够从远程进行车辆的软件更新，一些制造商已经开始运用这项功能。

 

实施Zonal区域架构的挑战

在汽车设计中采用Zonal区域架构的理由十分充分，但在实施层面上确实面临诸多挑战。汽车环境本身对组件而言十分严苛，尤其是Zonal区域系统中部署了复杂的电子装置。即使在正常的情况下，汽车中的各项设备可能会暴露在雨天或刮风等天气状况，另外还会沾染道路上的污垢和灰尘，另一方面，消费者要求车辆具备极高的可靠性；驾驶者则希望无论路程远近，车辆都能完美无缺地执行所有功能。

连接器必须耐受震动，同时具备高速传输能力

汽车在日常使用中所经历的冲击和震动，对性能、可靠性和电子装置的长期性质量带来挑战，尤其是在高速数据连接方面。当数据速率高于1 Gbps时，即使是由震动引起的瞬间连接中断也可能导致大量信息丢失。在安全关键系统中，这种连接丢失情况可能会造成灾祸，因此连接器的设计必须克服震动带来的风险。无论如何，中央计算集群架构都需要一系列能够抵御震动的板对板连接解决方案，甚至相比汽车业界现阶段所采用的连接速率提高数倍。

 

 

采纳新技术

连接器设计将会是实施Zonal区域架构的关键。汽车面临的环境挑战以及对高性能的期待，表明了现阶段的汽车连接器解决方案尚未准备好配合Zonal区域架构系统。各个装置和Zonal区域网关之间的连接，需要新一代混合式或混搭型连接器，即使面临恶劣的道路状况，也能同时传输电力和高速信号。随着每个连接器包含更多功能，需要的连接点更少，电缆线束的安装工作也将大大简化。

与传统的板对板解决方案相比，设计用于中央计算集群的连接器需要具备更大的弹性，同时还要提供高针脚和电力连接数目。设计人员需要可更换模块的标准化设计，以简化制造过程并实现轻松升级。

ADAS和自动驾驶将受到大量严格审查，以确保达到消费者和监管机构要求的安全水平。因此，连接器设计需要符合商业或消费应用中很少见的认证等级。国家政策有可能是采用新技术的最大障碍之一。在Molex莫仕/贸泽电子调查研究中，有将近三分之一受访业界人士表示，在汽车能够作为车轮上的数据中心迎接未来之前，一个必须克服的重大挑战就是掌握政府针对自动驾驶实施的新法规。

哪家全球汽车制造商将会引领Zonal区域架构技术发展？

各家汽车制造商采用这项全新技术的方式也将有所不同。虽然欧洲、美国和日本的老牌汽车制造商能够利用自身庞大的资源开发新的解决方案，但是它们现在已经拥有庞大的产品组合和成熟的制程，因而无法迅速切换到新的技术。许多新创企业则不然，它们虽然缺乏老牌制造商的行业实力，但在应对挑战时，可以不受现有客户或设计理念的束缚。

中国拥有许多这样不受现有理念和实体框架束缚的新创公司，这些企业充分利用蜂窝和网络通信市场的专业技术知识来开发未来的汽车解决方案。区域位置也会对硬件的标准化产生影响。在美国，USCAR汽车测试规范需要适应新的汽车技术，而欧洲的汽车制造商可能会修订LV214标准。中国制造商会将何去何从，目前还不得而知。

有许多大公司选择以小量高端的品牌部署Zonal区域架构技术，其中有些公司甚至创立了新的品牌，以新兴制造商的视角来应对这项技术，但背后仍享有母公司的业界实力支持。在实施Zonal区域架构方面居于领导地位的汽车制造商部分受到政府针对基础设施政策的影响，例如电动汽车充电站和5G技术。根据彭博社（Bloomberg）报导，在2020年底之前，中国已经安装了超过80万个公共充电站以应对电动汽车的高度需求。同一时期，欧洲设立了超过35万个充电站，美国则有将近9万个。在Molex莫仕/贸泽电子调查研究中，超过三分之一受访者认为此类基础设施的投资不足，将会阻碍电动汽车技术的发展。

消费者需求也将在汽车产业采纳新技术方面发挥重要的作用。中国不仅拥有领先世界的EV充电网络规模，对知名汽车品牌的需求也很旺盛，因此，中国和其他相似的新兴市场将是创新汽车技术实现增长的关键。虽然个人消费者不太可能根据汽车使用的Zonal架构来选择车辆，但其支持的功能将会影响购买决定。在Molex莫仕/贸泽电子的调查研究中显示专业人士具有共同的观点，他们认为在未来五年中计算能力将将对消费者行为产生最大的影响，约有43%的受访者表明云端运算技术将是关键，32%的人士则将车外联网视为下一个主要市场推动力，而所有这些技术都是由Zonal区域架构技术促成的。

新一代消费者的用车方式也将影响Zonal区域架构的采用。尽管较年长的客户仍然希望购入自用车，但是年轻人对于「交通即服务」（TaaS）模式更加感兴趣。这种模式已不太重视自己拥有车辆，而是重点推广交通运输的替代方案。Zonal区域架构具有灵活的方式，可以轻易进行车辆优化以迎合任何类型客户，不论是完全拥有自用车，还是随用随付的模式。

43%受访人表示云端计算技术将是关键

32%受访人将车外联网视为下一个主要市场推动力

 

连接各个区域

虽然软件技术引导了向Zonal区域架构的转变，但汽车制造商真正落实这项概念，必须仰赖物理结构的关键作用。更简便的组装作业、更轻的重量和先进的模块化方式，仅仅是Zonal区域架构为未来汽车带来的一部分优势。连接器将在这些设计方面扮演极为重要的角色。Molex莫仕已经跨市场和业务部门进行协作，同时利用其世界级的信号完整性能力，在新兴的汽车环境中提供大功率和高速率连接解决方案。

特别值得注意的是可以采用机器人进行组装之连接器的技术发展。尽管Zonal区域设备不断进步，但除非连接器能够适应自动化作业，否则电缆和连接器的安装仍将是手工作业过程。Molex莫仕利用数十年的汽车连接器开发经验，应对机器人处理问题。获得的结果将是一系列从一开始就为自动装配而设计的连接器产品。

 

总结

Zonal区域架构将从根本上改变汽车制造的面貌，可为汽车制造商、经销商和客户带来多方面好处，并且促使汽车产业针对未来的交通运输做好准备，涵盖从ADAS和电气化到车辆共享和TaaS模式范围。

这些好处同时也为连接器制造商带来了挑战，需要开发出传输电力和高速数据的连接解决方案，同时确保符合严苛汽车环境所要求的可靠性和安全性条件。

Molex莫仕拥有开发Zonal区域架构连接器解决方案的技术专长、汽车产业经验和全球足迹。无论要求如何，Molex莫仕都将做好准备以满足并超越这些要求，协助创建未来的汽车。　　

      审核编辑：彭静