浅析E/E架构的两个发展阶段:域集中/融合和车电脑+分区ECU

admin 2022年7月28日19:27:44IoT评论53 views4198字阅读13分59秒阅读模式

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面对分布式架构对汽车智能化升级的桎梏,特斯拉引领了汽车 E/E 架构由分布式向域控制器/中央计算升级的历史性变革。


2017 年,特斯拉在量产的 Model3 车型中首次落地了区域集中式的 E/E 架构(由一个中央计算模块、三个区域控制器构成)。由此不仅实现了不同 ECU 之间的协同控制、统一升级,同时还可以节省算力、降低布线成本。同时,E/E 架构的集中化亦将有效降低智能化功能升级的边际成本,从而推 动智能化升级的加速。特斯拉的颠覆性创新和成功亦为海内外传统整车厂及造车新势力带来了极大的示范效应,加速汽车智能化时代的到来。


2018 年丰田提出将在未 来 L3 级量产车型中采用的“Central & Zone 架构”(按物理空间将整车对称分为多个区域)。2019 年华为提出“CC 架构”(智能座舱+整车控制+智能驾驶)。2020 年,安波福发布智能汽车“SVA 架构”(中央计算群+四个分区)。此外,还有大众、宝马等均提出了全新的 E/E 架构(分别为 E3 架构和 EEA 分层架构)。


可以看到,无论是 Tier1、整车厂等传统玩家还是造车新势力、科技公司等产业链新生力量,在对 E/E 架构设计都开始由分布式向集中方向升级。E/E 架构集中化的本质是对汽车中孤立 ECU 的集成和融合,域控制器也由此应运而生。同时,在以域控制器为功能中心的集中化E/E 架构下,芯片算力和软件算法的提升将成为汽车智能化升级的核心。


根据博世等Tier1 所提出的六个 E/E 架构发展阶段来看,目前新兴的集中化 E/E 架构大致集中于以汽车功能划分“域集中/融合”阶段和以汽车物理空间划分的“车电脑和分区 ECU”阶 段。车电脑和分区 ECU 的 E/E 架构在集中化程度要高于功能域集中/融合,而长期看未来都会向车云计算的阶段发展。


目前 E/E 架构处于“域集 中/融合”和“车电脑+分区 ECU”两个阶段
浅析E/E架构的两个发展阶段:域集中/融合和车电脑+分区ECU

1. 基于功能划分 E/E 架构下的域控制器(以博世、大陆等 Tier1 为代表)

博世、大陆等传统 Tier1 将汽车 E/E 架构按功能划分为动力域(安全)、底盘域(车辆运动)、信息娱乐域(座舱域)、自动驾驶域(辅助驾驶)和车身域(车身电子)五大区域,每个区域对应推出相应的域控制器,最后再通过 CAN/LIN 等通讯方式连接至主干线甚至托管至云端,从而实现整车信息数据的交互。

博世、大陆等 Tier1 根据功能划分整车 E/E 架构
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动力域控制器:主要负责动力总成的优化与控制,在新能源车中主要是指电驱和电控系统的集成化。其中,电驱系统的集成以三合一技术路线为主流,也即将电机、电控(逆变器)与减速器集成为电驱桥。电控系统的集成则倾向多合一模块,通常将变压器、车载充电机、加热器等进行集成,甚至会将整车控制器(VCU)等包含在内。2020 年 1 月,合众汽车团队研发的 PDCS 动力域控制器搭载于哪吒汽车并通过了搭载车辆测试,正式进入了量产应用阶段。2020 年 9 月华人运通发布的首款智能汽车高合 HiPhi X,亦搭载有由联合电子合作研制的动力域控制器。

电驱系统组成与集成趋势
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底盘域控制器:主要负责具体的汽车行驶控制,主要包括助力转向系统(EPS)、车身稳定系统(ESC)、电动刹车助力器、安全气囊控制系统以及空气悬架、车速传感器等等。与动力域类似,底盘域内所涉及的控制系统大多都具备较高的安全等级要求,需要符合 ASIL-D 安全等级(ASIL 系列中最高安全等级)。因此底盘域亦具备着较高的行业门槛,目前多数底盘域控制器仍处于实验室阶段。

车身域控制器:主要负责车身功能的整体控制,本身技术门槛较低且单车价值量不高,其本质是在传统车身控制器(BCM)的基础上,集成了无钥匙启动系统(PEPS)、纹波防夹、空调控制系统等功能而成。此外,由于涉及安全等级较低,随着汽车 E/E 架构的进一步集中化,有望率先实现与智能座舱域的融合。

自动驾驶域控制器:承担了自动驾驶所需要的数据处理运算及判断能力,包括对毫米波雷达、摄像头、激光雷达、GPS、惯性导航等设备的数据处理工作。同时,自动驾驶域控制器亦负责车辆在自动驾驶状态下底层核心数据、联网数据的安全保障工作,是推动自动驾驶迈向 L3 及以上更高等级的核心部件。此外,由于自动驾驶域控制器需要更强的 AI 算力以及算法的支持,因而参与研制的厂商众多。

除传统汽车产业链内的整车厂及供应商以外,还包括有英伟达、高通、地平线、黑芝麻等海内外 AI 芯片龙头厂商,以及阿里、谷歌、QNX、华为等自动驾驶操作系统供应商。目前来看,除特斯拉 Model3、小鹏 P7 等少数车型以外,绝大多数已量产的自动驾驶域控制器尚未达到 L3 级自动驾驶级别。

根据ICVTank 数据统计,2020 年全球 ADAS 相关控制器市场规模将达到 155.9 亿美元,其中大部分均为 L3 级以下辅助驾驶控制器(ECU),而预计到 2025 年全球自动驾驶域控制器市场规模有望达到 19.8 亿美元。

2020 年全球自动驾驶控制器(ECU/DCU)市场规模预计达到 155.9 亿美元
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座舱域控制器:主要负责汽车座舱电子系统功能,汇集了集成液晶仪表、中控多媒体及副驾驶信息娱乐的一体化系统。其发展过程经历了由传统的“机械物理按键”到“中控液晶显示屏”,再到“中控+仪表盘一体化设计”的进程。同时,由于其涉及安全等级较低、成本相对可控,发展速度将显著快于自动驾驶域控制器。根据 ICVTank 数据统计,2020 年全球智能座舱域控制器有望达到 80 万套,预计2025 年全球智能座舱域控制器出货量将达到 1300 万套。

预计 2025 年全球智能座舱域控制器出货量将达到 1300 万套
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总体来看,以上所分的五大功能域中,目前的竞争焦点主要集中于智能座舱域和自动驾驶域。我们认为主要原因如下:

(1)从供应体系上看,在汽车整体 E/E 架构集中化的进程中,由中控系统升级而来的智能座舱域与新兴的自动驾驶域的供应体系较为完整。相反,其他各个域是对传统功能系统的进一步集成,因而更容易产生供应商之间的利益冲突。以动力域为例,电机、电池模组以及电机控制器等零部件此前均由不同厂商供应、整车厂负责协调各方进行整合装配,因而在集中化的趋势中各个供应商之间会存在利益相互蚕食的冲突。因此,可以看到目前所提出的动力域解决方案都是由极个别龙头供应商牵头或是整车厂自研而成,如特斯拉的集成化三电系统、华为的多合一电驱动系统 Drive ONE(集成电机、MCU、PDU、OBC、DCDC、减速器、BCU 七大部件)等、长城欧拉自研的三合一电驱桥等。

(2)从技术角度来看,动力域不但涉及的安全等级要求会更高,同时还需要考虑各部件配合过程中整体的NVH 水平、是否存在相互间的电磁干扰(EMC)以及如何控制和提升整套系统的冷却和效率等多方面因素,因而整体开发难度较大。与动力域类似,底盘包括支撑动力系统的内部框架,以及除发动机以外的所有驱动部件。在自动驾驶向更高级别的发展进程中,驾驶员将逐步减少对车辆的操控时间,因而对底盘域中传感器和控制器都具有更加精确的时序要求和更为严格的最大延时要求。因此,动力域及底盘域在当下的行业发展初期都具备较高的技术壁垒,并非现阶段多数厂商的竞争焦点。此外,由于车身域技术门槛和安全要求等级较低,未来则有望率先融入智能座舱域共同研制开发。

表1:多数 Tier1 厂商都是以功能划分车身并提供相应的域控制器
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特斯拉电驱系统集成电机、减速器、电控于一体
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华为多合一电驱动系统
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2. 基于区域划分的集中化 E/E 架构(以特斯拉、丰田、安波福为代表)

以区域进行划分的域控制器是以车辆特定物理区域为边界来进行功能划分,相较于纯粹以功能为导向的域控制器,其集中化程度更高。例如车辆前区域控制器、左区域控制器、右区域控制器等。典型的按区域划分 E/E 架构的厂商为特斯拉,Model3的三个区域控制器则分别为前车身控制模块、左车身控制模块和右车身控制模块。其中,左右车身控制模块把部分基础功能按区域进行对称划分,两者分别负责各自区域内的内外部灯光、门锁、车窗、驻车卡钳等。而相对于左车身控制器,右车身控制模块还具有两个独有的功能—热管理和自动泊车辅助系统。前车身控制模块则主要负责为整车中各个控制器进行电源分配,可以在实时监测各个 ECU 用电情况,及时切断部分处于静态但功耗高的ECU 供电。此外,前车身控制模块还包括车前大灯、雨刮器等传统 BCM 的功能。除此之外,丰田的 Central & Zone 架构、安波福的 SVA架构均采用类似的区域划分解决方案。

特斯拉是基于区域划分域控制器的集中化架构

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丰田采用中央+区域的解决方案(Central&Zone)

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安波福 SVA 架构由一个中央计算集群和四个区域控制器构成

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