淺析汽車(chē)功能域的關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)具備較高的產(chǎn)品附加值和較強的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同效應，近年來(lái)逐漸成為了繼消費電子之后的又一重大產(chǎn)業(yè)鏈。汽車(chē)電子電氣架構作為汽車(chē)整體架構的核心部分，已經(jīng)從傳統的分布式架構向集中式架構進(jìn)化，而當前的發(fā)展重點(diǎn)是汽車(chē)各個(gè)功能域的集中與融合，同時(shí)域控制器和域間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的性能及安全性直接影響了功能域的整體效能。伴隨自動(dòng)駕駛、車(chē)聯(lián)網(wǎng)和新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)功能域的關(guān)鍵技術(shù)也將更加的智能化、網(wǎng)聯(lián)化和電動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：功能域；電子電氣架構；智能座艙；車(chē)載芯片；人工智能

0 引言

汽車(chē)電子作為當前國內外汽車(chē)市場(chǎng)的核心部分，相關(guān)的設計、制造和運維技術(shù)都在迅速發(fā)展，對應的產(chǎn)業(yè)鏈也相繼落地。本文根據當前汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀態(tài)和市場(chǎng)數據，首先介紹不斷進(jìn)化的汽車(chē)電子電氣架構和各個(gè)功能域，然后具體講述汽車(chē)各個(gè)功能域的關(guān)鍵技術(shù)，最后從智能化、網(wǎng)聯(lián)化和電動(dòng)化三個(gè)方面對汽車(chē)域的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

1 汽車(chē)電子電氣架構

博世 (Bosch) 在 2015 年提出了業(yè)界公認的汽車(chē)電子電氣架構 (electrical and electronical architecture, EEA) 技術(shù)路線(xiàn)，如圖 1^[2]，其中描繪了未來(lái)汽車(chē)電子架構的主要特征及可能的實(shí)現時(shí)間點(diǎn)。

圖1 電子電氣架構技術(shù)路線(xiàn)

EEA 的發(fā)展中有兩個(gè)標志性的重要節點(diǎn)，即域控制器單元 (domain control unit, DCU) 的出現，以及統一的基礎軟件平臺的出現，這兩個(gè)重要節點(diǎn)意味著(zhù) EEA 在本質(zhì)上的進(jìn)化。盡管不同車(chē)企的解決方案各不相同，其對 EEA 進(jìn)化的階段定義也可能有所不同，但 EEA 的整體發(fā)展會(huì )經(jīng)歷三大階段：

第 1 階段：分布式電子電氣架構，目前已經(jīng)實(shí)現。根據汽車(chē)中不同的功能子系統，利用電子控制單元（electronic control unit, ECU）進(jìn)行獨立的運算和控制，具備獨立的總線(xiàn)結構，并且通過(guò)中央網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交互。

第 2 階段：域集中式電氣架構，2021—2025 年。將各個(gè)子系統整合并劃分成多個(gè)功能域，典型的域劃分：

1）動(dòng)力域 (Power Train)：主要控制車(chē)輛的動(dòng)力總成，優(yōu)化車(chē)輛的動(dòng)力表現，保證車(chē)輛的動(dòng)力安全。功能包括發(fā)動(dòng)機管理、變速箱管理、電池管理、動(dòng)力分配管理、節油節電管理等。

2）底盤(pán)域 (Chassis)：主要控制車(chē)輛的行駛行為和行駛姿態(tài)，包括制動(dòng)系統管理、車(chē)傳動(dòng)系統管理、行駛系統管理、轉向系統管理、車(chē)速傳感器管理等。

3）車(chē)身域 (Body/Comfort)：主要控制各種車(chē)身功能，包括車(chē)前燈、車(chē)后燈、內飾燈、車(chē)門(mén)鎖、車(chē)窗、雨刮器、電動(dòng)后備箱、智能鑰匙、空調、天線(xiàn)、網(wǎng)關(guān)通信等。

4）座艙域 (Cockpit/Infotainment)：主要控制車(chē)輛智能座艙中各種電子信息系統功能，包括中控系統、車(chē)載信息娛樂(lè )系統、抬頭顯示、座椅系統、儀表系統、駕駛行為監測系統、導航系統等。

5）自動(dòng)駕駛域 (ADAS)：主要實(shí)現和控制汽車(chē)的自動(dòng)駕駛功能，具備圖像信息的處理和判斷能力、導航與路線(xiàn)規劃能力等，需要處理感知、決策、控制 3 個(gè)層面的算法。

每個(gè)域具備一個(gè)或多個(gè)高算力多核DCU作為主導，多個(gè) ECU 作為輔助，以及獨立 CAN 總線(xiàn)，并通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)主干互聯(lián)。

第 3 階段：車(chē)輛集中式電子電氣架構，未來(lái)發(fā)展階段。多域控制器 (multiply domain controller，MDC) 取代部分 DCU，將來(lái)自不同功能域的數據整合在同一控制器內進(jìn)行融合處理，形成車(chē)載電腦結構，后續發(fā)展將會(huì )把車(chē)輛的功能和計算任務(wù)放置在云端 ^[6]。

目前，EEA 的發(fā)展處于第 1 階段和第 2 階段并存的狀態(tài)，其顯著(zhù)特征是：

1）DCU 的出現使 ECU 數量大幅減少，并直接帶來(lái)成本降低和性能增強。

2）智能傳感器和執行器數量增加。

3）軟件開(kāi)始獨立于硬件，但并未完全分離。

4）中央網(wǎng)關(guān)與各個(gè)域之間可通過(guò)以太網(wǎng)通訊。

2 汽車(chē)功能域的關(guān)鍵技術(shù)

汽車(chē)電子技術(shù)的迅速發(fā)展促使汽車(chē)各個(gè)功能域形成了各自的關(guān)鍵技術(shù)，下面分別從自動(dòng)駕駛域、車(chē)身域、座艙域、動(dòng)力域 4 個(gè)變革較大的功能域講述其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現狀。

2.1 自動(dòng)駕駛域

現階段自動(dòng)駕駛域正在從過(guò)去的分布式系統架構演變到域集中式架構，傳統的 ADAS 系統需要多個(gè)獨立的 ECU 才能實(shí)現，比如車(chē)道偏移和交通識別 ECU、前 向碰撞預警 ECU、泊車(chē)輔助 ECU 等。當前只需要一個(gè)功能強大且集中式的域控制器就能實(shí)現以上所有功能，同時(shí)系統的軟硬件復雜度大大降低，可靠性也得到了提高。自動(dòng)駕駛域控制器通常需要連接多個(gè)攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等傳感器設備，具備多傳感器融合、定位、路徑規劃、決策控制、無(wú)線(xiàn)通訊、高速通訊的能力。因此，域控制器一般都要匹配 1 個(gè)核心運算力強的處理器，能夠提供給自動(dòng)駕駛不同級別算力的支持 ^[5]。

自動(dòng)駕駛級別 L1 ～ L5 分別為駕駛人協(xié)助、部分自動(dòng)化、有條件自動(dòng)化、高級自動(dòng)化和完全自動(dòng)化。L1/ L2 級別 ADAS 功能的市場(chǎng)滲透率將快速提升，而 L3/ L4 級別自動(dòng)駕駛系統仍處于小規模原型測試階段。中國自動(dòng)駕駛行業(yè)的市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展，而其中自主品牌占據絕大部分份額，中低端汽車(chē)所配置的 ADAS 功能逐漸增多。L3 級別的高速自動(dòng)領(lǐng)航 (high way pilot, HWP) 功能和 L4 級別的自動(dòng)泊車(chē)功能 (automated valet parking, AVP) 的市場(chǎng)滲透率也在提升。

2.2 車(chē)身域

車(chē)內部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )和對外通信系統都是車(chē)身域的重要組成部分，近年來(lái)針對 V2X(Vehicle to X) 的特殊應用場(chǎng)景，新型的通信技術(shù)相繼被提出。目前國際主流的 V2X 技術(shù)有專(zhuān)用短距離通信技術(shù) (dedicated short range communication, DSRC) 和蜂窩通信技術(shù) (cellularvehicle to everything, C-V2X) 兩種。其中由 IEEE 制定的 DSRC，是美國政策大力提倡的通信技術(shù)；C-V2X 由 3GPP 制定，基于蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)演進(jìn)形成。從技術(shù)成熟度以及商用節奏上來(lái)看，基于 5G 大帶寬和低延時(shí)特性的 C-V2X 發(fā)展前景更為廣闊。

C-V2X 標準制定穩步推進(jìn)，商用規劃逐步明確。3GPP 于 2017 年正式發(fā)布 LTE-V2XR14 標準，于 2018 年 6 月正式完成支持 LTE-V2X 增強 (LTE-eV2X) R15 標準，同時(shí)宣布啟動(dòng)研究支持 5G-V2X 的 R16 標準。5GAA 的 C-V2X 商用部署在從 2020 年開(kāi)始，目前整個(gè) C-V2X 產(chǎn)業(yè)鏈例如芯片廠(chǎng)商、模組廠(chǎng)商、車(chē)廠(chǎng)等都已具備一定規模。

現階段基于 5G 通信的智慧出行方案中，借助網(wǎng)絡(luò )切片等技術(shù)可提供低至 1 ms 端到端時(shí)延和高達 10 Gbps 峰值速率的數據通信。5G 車(chē)聯(lián)網(wǎng)的主要應用場(chǎng)景包括遠程遙控駕駛 (tele-operated driving，TOD)、高密度車(chē)輛編隊行駛以及快速協(xié)同變道輔助等。TOD 是指借助 5G 高性能網(wǎng)絡(luò )的遠程駕駛控制系統，通過(guò)車(chē)內攝像頭和傳感器將車(chē)輛場(chǎng)景傳輸到操控室，駕駛員遠程操控汽車(chē)。

2.3 座艙域

座艙智能化的實(shí)質(zhì)是基于汽車(chē)駕駛艙中的人機交互場(chǎng)景，將駕駛信息與娛樂(lè )信息兩個(gè)模塊進(jìn)行集成，在提升用戶(hù)的駕乘體驗的同時(shí)還要保證用戶(hù)駕乘的安全性和舒適性。

智能座艙域包括抬頭顯示 (head up display, HUD)、儀表盤(pán)和車(chē)載娛樂(lè )信息系統 (in-vehicle infotainment, IVI）3 個(gè)主要的組成部分。HUD 將 ADAS 和部分導航功能投射到擋風(fēng)玻璃上，諸如 ACC、行人識別、LDW、路線(xiàn)提示、路口轉彎提示、變道提示、剩余電量、可行駛里程等。HUD 將很快會(huì )演變?yōu)?AR-HUD，成為 L3和 L4階段的標配。在L3階段，駕駛員狀態(tài)監測 (driver status monitor, DMS) 也將成為必備的功能，例如面部識別、眼球追蹤、眨眼次數跟蹤等將引入機器視覺(jué)和深度學(xué)習算法。多模態(tài)交互技術(shù)的蓬勃發(fā)展將會(huì )極大改變用戶(hù)與汽車(chē)的交互模式?；谡Z(yǔ)音識別功能的語(yǔ)音交互技術(shù)越來(lái)越成熟，常用于車(chē)內人員與 IVI 系統的交互操作，同時(shí)還能通過(guò)語(yǔ)音來(lái)對駕駛員進(jìn)行情緒狀態(tài)分析。

2.4 動(dòng)力域

目前傳統燃油車(chē)的動(dòng)力系統趨于穩定，相比之下新能源汽車(chē)的動(dòng)力系統更能促進(jìn)汽車(chē)電子電氣架構的進(jìn)化。新能源汽車(chē)采用非常規的車(chē)用燃料作為動(dòng)力來(lái)源，綜合了車(chē)輛的動(dòng)力控制和驅動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)。

新能源汽車(chē)動(dòng)力系統輸出穩定且結構簡(jiǎn)單，無(wú)需變速箱等復雜部件，可以通過(guò)電控系統實(shí)現對汽車(chē)的精確控制。然而新能源電池滿(mǎn)電行駛的距離較短，且目前充電速度較慢，充電樁也未完全普及。

新能源汽車(chē)的動(dòng)力系統核心組成：

1）動(dòng)力電池組

動(dòng)力電池組是新能源汽車(chē)成本最高的部件，主要由電池包 (PACK) 和電池管理系統 (BMS) 組成。電池包組有不同的封裝方式，除了要滿(mǎn)足續航和動(dòng)力需求，還需要處理好載流量與發(fā)熱量的關(guān)系、模塊之間連接的穩定可靠性、模組間的溫差、整包的抗震性、防水性等。

2）電動(dòng)機

電動(dòng)機是新能源汽車(chē)的心臟，普遍采用的是永磁同步電動(dòng)機和交流異步電動(dòng)機，整體而言永磁同步電機重量更輕、結構更簡(jiǎn)單。動(dòng)力電池輸出的直流電經(jīng)過(guò)逆變器轉為交流電送至電動(dòng)機。

3）電控系統

新能源汽車(chē)電控系統在整車(chē)中處于核心地位，其中絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）又 是能源變換與傳輸的核心器件。IGBT 是由雙極型三極管（bipolar junction transistor, BJT）和 MOSFET( 絕緣柵型場(chǎng)效應管 ) 組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式功率半導體器件 , 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn) ^[1]。

3 汽車(chē)功能域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢

基于當前汽車(chē)各級供應鏈的市場(chǎng)分布，將從智能化、網(wǎng)聯(lián)化和電動(dòng)化 3 個(gè)方面來(lái)分析未來(lái)汽車(chē)功能域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢 ^[7]。

3.1 智能化

3.1.1 車(chē)載芯片性能和集成度

車(chē)載芯片對算力的提升需求一直是域控制器核心芯片發(fā)展的趨勢。當前單一的域控制處理器要完成以往數個(gè) ECU 負責的功能，并且要管理和控制所連接的各種傳感器與執行器等。比如底盤(pán)、動(dòng)力和車(chē)身的域主控處理器，其算力需求大約在 10 000~15 000 DMIPS(Dhrystone Million Instructions Per Second，每秒百萬(wàn)條指令 ) 左右。未來(lái)的智能化汽車(chē)除了需要具備人車(chē)交互功能，也要完成大量對環(huán)境的感知工作，因此座艙域和自動(dòng)駕駛域都需要高性能的 CPU，比如座艙儀表的 CPU 算力約為 50 000 DMIPS 左右，相當于一部高端智能手機的 CPU 算力水平。此外，為了支持高級別的自動(dòng)駕駛功能，CPU 需要運行很多視覺(jué)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ) (deep neural networks, DNN) 模型算法，進(jìn)而需要附加上百TOPS(Tera Operations Per Second，每秒萬(wàn)億次運算)的人工智能 (artificial intelligence，AI) 算力。

AI 技術(shù)在視覺(jué)領(lǐng)域的應用促進(jìn)了基于視覺(jué)的自動(dòng)駕駛方案形成，而 GPU 芯片更加擅長(cháng)于處理視覺(jué)算法，進(jìn)而形成了“CPU+GPU”的解決方案，但由于 GPU 成本高且功耗大，因此逐步引入了 FPGA 和 ASIC 芯片?？傮w來(lái)看，單一類(lèi)型的微處理器都無(wú)法滿(mǎn)足更 高階的自動(dòng)駕駛需求，域控制器中的主控芯片趨向集成“CPU+xPU”的異構式 SoC  (xPU 包括  GPU/FPGA/ASIC 等 )，從而更好地支撐各種場(chǎng)景的硬件加速需求。

從功能層面上，域控制器會(huì )整合集成越來(lái)越多的功能。比如動(dòng)力域可能把發(fā)動(dòng)機的控制、電機控制、電池管理系統 (battery management system, BMS)、車(chē)載充電機的控制集成在一起。為了整合這些功能，域主控處理器 SoC 必須集成盡可能多的接口類(lèi)型，比如 USB、Ethernet、I2C、SPI、CAN、LIN 以及 FlexRay 等，進(jìn)而連接和管理各種類(lèi)型的 ECU、傳感器和執行器。

3.1.2 傳感器和雷達的集成

當前輔助智能駕駛用的傳感器主要分為雷達和攝像頭兩大類(lèi)。車(chē)載攝像頭主要通過(guò)采集光學(xué)信息和進(jìn)行算法識別，分辨率較高，成本也比較低，在 L2 和 L3 級智能駕駛中廣泛使用，但易受不良天氣影響。車(chē)載雷達根據性能和工作原理不同，可以分為毫米波雷達、激光雷達和超聲波雷達三大類(lèi)。毫米波雷達主要是通過(guò)發(fā)射并接收毫米波，根據時(shí)間差測算距離，在自適應巡航和自動(dòng)緊急制動(dòng)等方面應用較多；超聲波雷達技術(shù)相對成熟，廣泛應用于自動(dòng)泊車(chē)系統；激光雷達主要通過(guò)發(fā)射激光束來(lái)探測目標的位置、速度等特征量，對于距離的探測能力很強。

毫米波雷達主要分為 24 GHz 和（77~79）GHz 兩種，其中 24 GHz 毫米波雷達主要用于中短距測量，技術(shù)壁壘和成本相對較低，在汽車(chē)盲點(diǎn)監測、變道輔助等方面 應用廣泛，是市場(chǎng)上的主流毫米波雷達產(chǎn)品。77 GHz 是目前市場(chǎng)上最主要的長(cháng)距毫米波雷達產(chǎn)品，其探測距離可達 150~250 米，探測精度為 24 GHz 雷達的 3~5 倍，目前主要應用于自動(dòng)駕駛、前向碰撞預警等，未來(lái)隨著(zhù)技術(shù)壁壘和成本的降低，有望成為毫米波雷達市場(chǎng)的主流。

由于各類(lèi)傳感器性能優(yōu)勢各不相同，未來(lái)多雷達系統和攝像頭并用是智能駕駛的必然趨勢，用來(lái)應對智能駕駛中的復雜的路況和天氣條件。同時(shí)隨著(zhù)汽車(chē)智能化程度的提升，單車(chē)傳感器數量也將大幅增長(cháng)。

3.2 網(wǎng)聯(lián)化

2X 和 ADAS 等應用帶來(lái)的數據吞吐速率的大幅提升，使得具備大帶寬、低時(shí)延等優(yōu)勢的車(chē)載以太網(wǎng)，成為了車(chē)內數據傳輸的核心技術(shù)。車(chē)載以太網(wǎng)可利用不同的方式傳輸車(chē)輛數據，既可以是網(wǎng)絡(luò )接口，也可以是以 1 Gbps 運行的高速、低延遲無(wú)線(xiàn)連接，滿(mǎn)足了自動(dòng)駕駛技術(shù)演進(jìn)對于數據帶寬和傳輸時(shí)延的高要求。

未來(lái)的汽車(chē)將如當前的手機終端一樣保持網(wǎng)絡(luò )連接狀態(tài)，因此如何阻止未經(jīng)授權的網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)，以保護汽車(chē)免于黑客的攻擊，對于智能汽車(chē)而言極為重要。下一代硬件安全模塊 (hardware security module, HSM) 正在成為下一代車(chē)載網(wǎng)絡(luò )通信的重要基礎設施之一，HSM 對于安全車(chē)載通信 (secure onboard communication, SecOC) 而言是必不可少的，HSM 能確保所接收到的數據的真實(shí)性，防止攻擊者繞過(guò)相關(guān)的安全接口入侵車(chē)載網(wǎng)絡(luò ) ^[4]。

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)方面，從單車(chē)智能向群體智能和車(chē)路協(xié)同進(jìn)階，使得汽車(chē)在當前的簡(jiǎn)單輔助駕駛功能基礎上，逐步具備全方位信息交互和智能決策能力。目前只有通過(guò) 5G 網(wǎng)絡(luò )才能滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛技術(shù)毫秒級的通信時(shí)延和接近 100% 的可靠性，車(chē)聯(lián)網(wǎng)核心元器件為車(chē)規級通信模組 ( 單車(chē)配備 1 個(gè)車(chē)規級通信模組 )，L3 級別的車(chē)輛使用 5G 車(chē)規級通信模組的占比逐年提升，同時(shí)車(chē)規級通信模組的單價(jià)逐年呈現下降趨勢，單車(chē)使用 2 個(gè)通信模組的需求增加 ^[3]。

3.3 電動(dòng)化

新能源汽車(chē)滲透率提升將增加功率半導體需求，傳統燃油汽車(chē)中功率半導體主要用于低壓、低功率領(lǐng)域，而在新能源汽車(chē)中電池輸出的高電壓需要進(jìn)行頻繁的電壓變換和電流逆變，大幅提升了 IGBT、MOSFET 等功率半導體器件的需求。汽車(chē)電動(dòng)化程度越高，所需要的功率半導體器件數量越多。根據英飛凌2021 年的統計數據，全插混和純電池電動(dòng)車(chē)的功率半導體單車(chē)價(jià)值是傳統燃油車(chē)的 4.65 倍，新能源電動(dòng)車(chē)滲透率的提升是車(chē)用功率半導體行業(yè)需求量增長(cháng)主要的驅動(dòng)因素。

IGBT 是汽車(chē)電動(dòng)化趨勢中的核心領(lǐng)域，其具有開(kāi)關(guān)速度高、開(kāi)關(guān)損耗小、易于驅動(dòng)的特點(diǎn)，常用于 600 V 以上的大功率裝置，在充電樁、智能電網(wǎng)、軌道交通和新能源汽車(chē)等領(lǐng)域應用較廣。在新能源汽車(chē)中，IGBT 主要用于大功率逆變器，將直流電轉變?yōu)榻涣麟姀亩寗?dòng)汽車(chē)電機，以及輔助功率逆變器為車(chē)載空調等汽車(chē)電子設備供電。隨著(zhù)新能源汽車(chē)滲透率逐步提升，預計近幾年全球新能源汽車(chē) IGBT 市場(chǎng)規模將呈倍數增長(cháng)。

4 結束語(yǔ)

汽車(chē)電子電氣架構的進(jìn)化，標志著(zhù)汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐步從傳統的汽車(chē)工業(yè)邁向高度集成汽車(chē)工業(yè)、人工智能產(chǎn)業(yè)、新興通信產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)等的新階段。本文對汽車(chē)功能域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現狀和未來(lái)趨勢的進(jìn)行了全面且具體的表述和分析，為相關(guān)技術(shù)人員提供一定的技術(shù)參考，同時(shí)也讓更多的人了解汽車(chē)電子電氣架構的發(fā)展現狀和面臨的挑戰。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)