汽车域控制器系列（基础篇）

昌隆

1 智能化升级需要依托于全新的电子电气架构

1.1 EE 架构升级的背景

       在传统的分布式汽车电子电气架构中，对于车辆中的传感器与各种电子电气系统的信息传输与控制都由分布式汽车电子控制器(ECU)完成，随着汽车电子化程度的提高和功能的多样化，分布式架构与ECU 的局限性对于车辆的生产成本、功能实现、未来发展都提出了挑战，更加集成化、智能化的解决方案——域控制器与域内中心化架构则应运而生。以下几点为域控制器逐渐取代ECU 的主要动因：
（1）随汽车电子化与智能化的发展，ECU 数量与线束数量成为成本与车重负担
       在分布式架构中，ECU 被运用在制动系统、变速系统、悬架系统、安全系统、驱动系统等方方面面，几乎车辆的每一个独立功能和传感器都需要配备一个ECU。随着目前汽车的电子化程度的提高与智能化的提高，单车中的ECU 数量不断提升。2019年，中国汽车单车ECU 数量为25 个，目前在高端车型与智能化程度高的车型中主要ECU 的数量达到100 多个，加上一些简单功能的ECU 总数可以超过200 个。自动驾驶与其他智能化模块的应用使车辆需要更多的传感器（如摄像头、雷达）与处理器，如果仍然采用分布式架构来实现，将使汽车ECU 数量大幅提升，推动成本上升。



不同等级的自动驾驶需要的传感器分布草图

       除此之外，同一车辆上的不同ECU 之间也需要通过CAN 和LIN 总线连接在一起，因此ECU 数量的增多也导致了总线线束的数量和复杂程度的大幅提升。总线线束的增加首先会增加车重，同时由于线束的主要材料为铜，线束的增多会较显著地提高单车成本。域控架构将模块内多个ECU 的功能集成到了一个域控制器中，可以很大程度地控制ECU 数量，简化线束。



传统分布式ECU 架构（左）与域控制器中心化架构（右）的线束对比

（2）分布式架构信息传输能力有限，无法满足自动驾驶等复杂智能功能
       传统的分布式架构中ECU 之间的通讯能力有限，大多通过CAN 通讯、LIN 通讯、Flex Ray 等，数据的传输速度非常有限，最高只能达到约20 兆Bps 每秒。在自动驾驶中，信息需要被实时传输和处理，一个摄像头产生的数据量就会达到200 兆Bps每秒，L3 以上级别的自动驾驶中运用到的Lidar 激光雷达则会产生大于1G Bps 每秒的数据量，无法通过分布式架构实现信息的实时传输。



汽车总线对比

       域控制器的应用使数据信息可以在功能模块内通过中央网关以以太网协议进行传输，达到千兆甚至万兆的信息传输速度，对于自动驾驶等复杂智能功能的实现至关重要。因此，车内通信架构的升级也须基于域控架构实现，未来车载以太网将成为汽车骨干网。



车载以太网（图中红线）将成为骨干网络

（3）分布式架构无法满足自动驾驶的高算力需求
       汽车智能化需要车辆中的控制器具备足够的算力来实现大量的信息处理与运算，以自动驾驶功能为例，L2+级别以上的自动驾驶需要至少50 TOPS 的算力，L3 级别以上的自动驾驶需要300 TOPS 以上的算力，L4 级别则需要700~1000 TOPS 的算力，这样的高算力要求是分布式ECU 完全无法达到的，而自动驾驶域控制器在配备了高算力的芯片之后就可以满足各种汽车智能化的信息处理与运算要求。同时，供应商在对全车的各个ECU 的设计中都会对算力留有冗余，并且各个ECU之间存在功能的重叠，从整车的视角来看就浪费了大量的算力。而域控制器的冗余留存是针对于整个域的，将冗余的重叠与算力的闲置最小化。



各级别自动驾驶需要的域控制器算力需求(Tops)

（4）域控制器实现了软硬件的解耦，实现了软件的OTA
       在传统的分布式ECU架构中，各个ECU之间通过CAN、LIN 总线进行点对点数据传输，通信方式在汽车出厂时已经确定。在智能网联汽车中，大量的功能需要ECU间的协调工作来实现，当前ECU间基于信号的点对点通讯将会变得异常复杂，且不具备灵活性和扩展性，微小的功能改动都会引起整车通讯矩阵的改动。因此，联合电子将SOA引入到当前汽车软件设计中，车辆功能被以面向服务的设计理念架构为不同的服务组件，有别于面向信号的传统架构，SOA中的每个服务都具有唯一且独立的身份标识，并通过服务中间件完成自身的发布，对其他服务的订阅以及与其他服务的通讯工作。此外由于其“接口标准可访问”的特性，服务组件的部署不再依赖于特定的操作系统和编程语言，实现了组件的“软硬分离”，软硬件的升级调整不会影响到整个网络，从而提升汽车功能延展性。



面向信号与面向服务的架构

1.2 EE 架构升级的方式

       博世将汽车电子电气架构的演进分为三大阶段：分布式架构、（跨）域集中式架构、车辆集中电子电气架构，每个大阶段中细分为两个小阶段，从低阶到高阶依次为：模块化（每个功能由一个独立的ECU 实现）、集成化（不同的功能集成到一个ECU来实现）、域内集中（域控制器分别控制不同的域）、跨域融合（跨域控制器同时控制多个域）、车辆融合（一个车载中央计算器控制全车的域控制器）、车辆云计算（更多的车辆附加功能由云计算实现）。



博世对汽车电子电气架构的演进阶段划分

       所谓“域”即控制汽车的某一大功能模块的电子电气架构的集合，每一个域由一个域控制器进行统一的控制，最典型的划分方式是把全车的电子电气架构分为五个域：动力域、车身域、底盘域、座舱域和自动驾驶域，具体分工如下：
动力域控制器
       主要控制车辆的动力总成，优化车辆的动力表现，保证车辆的动力安全。动力域控制器的功能包括但不限于发动机管理、变速箱管理、电池管理、动力分配管理、排放管理、限速管理、节油节电管理等；
车身域控制器
       主要控制各种车身功能，包括但不限于对于车前灯、车后灯、内饰灯、车门锁、车窗、天窗、雨刮器、电动后备箱、智能钥匙、空调、天线、网关通信等的控制。
底盘域控制器
       主要控制车辆的行驶行为和行驶姿态，其功能包括但不限于制动系统管理、车传动系统管理、行驶系统管理、转向系统管理、车速传感器管理、车身姿态传感器管理、空气悬挂系统管理、安全气囊系统管理等；
座舱域控制器
       主要控制车辆的智能座舱中的各种电子信息系统功能，这些功能包括中控系统、车载信息娱乐系统、抬头显示、座椅系统、仪表系统、后视镜系统、驾驶行为监测系统、导航系统等；
自动驾驶域控制器
       负责实现和控制汽车的自动驾驶功能，其需要具备对于图像信息的接收能力、对于图像信息的处理和判断能力、对于数据的处理和计算能力、导航与路线规划能力、对于实时情况的快速判断和决策能力，需要处理感知、决策、控制三个层面的算法，对于域控制器的软硬件要求都最高。
不同的域控制器产品在技术要求上会存在差异性。对于自动驾驶和座舱域控制器而言，芯片性能、操作系统级算法要求比较高；对于动力域、底盘域和自动驾驶域因为涉及安全的部件较多，所以功能安全等级要求高。



五大域控制器技术要求

       目前汽车厂商的电子电气架构升级都仍处于域集中式架构阶段，少数领先的车厂已经发展到了跨域融合阶段：
       大众：MEB 平台采用三大控制器来对全车进行控制与功能实现：
ICAS1 车辆控制域控制器，集成了车身控制管理、驱动系统管理、行驶系统管理、电动系统管理、灯具系统管理、舒适系统管理等诸多功能，将车身域、动力域、底盘域三域融合；
ICAS2 智能驾驶域控制器，对于自动驾驶功能进行实现，拥有强大的信息处理与计算能力，与多个传感器紧密相联；
  ICAS3 智能座舱域控制器，包括了实现中控系统、车载信息娱乐系统、抬头显示、座椅系统、仪表系统、后视镜系统、驾驶行为监测系统、导航系统等各种功能所需的硬件与软件。目前基于MEB 平台的ID.系列车型可以通过OTA 更新最多35 个控制单元。



大众MEB 平台电子电气架构

       特斯拉：是汽车电子电气架构升级的领跑者，最早步入跨域融合阶段，Model3 的电子电气架构中已经基本不按照功能来进行域的划分，全车只有CCM 中央计算模块、BCM RH 右车身控制模块、BCM LH 左车身控制模块三个域控制器。CCM 中央计算模块集成了自动驾驶域、智能座舱域、通信系统域的功能，将三者融合做统一的集中化的运算处理与控制。左右车身模块则将车身的不同功能域以区域划分并融合，两者分别对左车身和右车身区域的动力系统、转向系统、制动系统等进行控制，同时对各种车身功能进行控制和管理，包括但不限于热管理、自动泊车辅助系统、灯光系统、门锁系统、车窗系统等。



特斯拉model3 电子电气架构

长城：2021 年量产的GEEP3.0 电子电气架构为典型的域内集中式的架构，其中包括动力与底盘域控制器、车身域控制器、智能座舱域控制器与智能驾驶域控制器。2022年长城汽车计划推出的GEEP4.0 架构则是跨域融合式的架构，将对全车控制集成在中央计算、智能驾驶与智能座舱三大核心计算平台上，并以多个区域控制器辅佐核心计算平台对于车身各个区域与功能的细化控制。



长城汽车电子电气架构发展路径

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