「电子电气」架构先进性是否真能决定汽车的智能化程度?

发布时间:2023-10-27 16:15:31 来源:乐鱼体育最新官方网站

  汽车的基本功能是驾驶,如同手机的基本功能是电话联络一样,在目前电子和IT技术发展迅速的时代,汽车里面的电子和IT网络的技术发展只能说还不够快。特斯拉的快速发展,一方面体现出,车企在满足消费者对于汽车非驾驶方面的功能诉求还没有被充分挖掘出来,另一方面也体现出消费者对于新兴的自动驾驶、交互设计和那些数字化的趣味功能的相对宽容。顺应消费者的诉求,整个汽车行业也不得不快速与数字世界融合,不管从研发,制造到服务都处于数字化的演变中。车企想要从用户体验出发设计整车功能,想要试图把数字化生活拓展到车上,使得车辆成为数字化生活的一部分,并且借鉴Apple模式来开发整车(Apple有自己的用户体验/UX设计,以及封闭成熟的iOS系统,性能领先的处理芯片),车企能做的首先就是改变一台车的电子电气架构。

  电子电气架构是车企定义的一套整合方式,是把汽车里的各类传感器、ECU嵌入式控制器、线束拓扑、电子电气分配系统整合在一起的一个组合,实现整车的配置与功能,车辆功能运算和动力、能量的分配等功能。所以我们一般会认为车辆的电子电气架构,成了一台车能否通向智能化的核心关键。

  汽车上所有的电子电气部件和对应的拓扑结构,再加上连接这些部件线束,这一套总称为电子电气架构。实际上汽车电子电气架构是多汽车工程领域多专业领域的融合,包含了电子硬件,网络通信,软件应用和布线结合在一起构成了车辆电子电气架构。在过往几十年来,汽车的电子架构随着汽车上的功能增多,已发展成为具有70个或更多电子控制单元的高度复杂的网络。类似于垒砖块一样,传统汽车电子的设计方法,在于“每个功能对应一个ECU控制器”的传统概念,不断的加法导致了整个汽车电子电气架构非常臃肿,也达到了极限。通过为每种功能提供单独的硬件,车辆已变成异构嵌入式硬件的生态系统。尽管通过不断的进化,ECU软件功能不断的增加,但分布式架构的联网是一项非常复杂的任务,ECU之间的分工合作变得越来越棘手。

  而下一步的发展方向,就是为智能汽车开发出来核心的控制大脑,也就是具备超级算力的处理器是智能汽车的“大脑”,然后通过一整套新型的电子电气架构,就类似快速传递信息的“神经网络”和“血管”,来控制和驱动所有电子件和传感器,这是大家公认的汽车演化汽车电子新架构的核心思路。

  我个人觉得,集中式架构都能做,难点不光是在硬件上。以小鹏为例,随着车型从G3、P7和P5,迭代到G9的这套X-EEA3.0电子电气架构,已经进入到中央集中式电子电气架构,采用了中央超算(C-DCU)+区域控制(Z-DCU)硬件架构。这套电子电气架构的特点是多域融合和车载电脑的特点,主要的目标是实现自适应场景、交互生态和边沿计算,导入信息安全拓展的功能。特别是在原有的基础上,增加了两路干路的千兆以太网连接CDCU和XPU和智能5G天线,并且在ZDCU和CDCU中采用百兆以太网,在骨干网络的建设和面向SOA的方向,小鹏都做到了早起步。

  目标是实现自适应场景、交互生态和边沿计算,导入信息安全拓展的功能。小鹏的中央计算平台,主要包含座舱和通信两大部分,这块也是和特斯拉相似,围绕智能化、科技化的大脑去做强性能的超算平台并做了大集成。

  座舱和通信两部分围绕智能化、科技化的大脑去做强性能超算平台,并做了大集成。核心的部件包括:

  中央超算包含原有的仪表显示、中控和副驾信息娱乐功能,然后进行跨域融合,包括中央网关、车外声音控制、外部灯语控制、氛围灯控制和泊车辅助灯功能。在这个中央超算的通信功能中, 2路千兆以太网1000Base-T1,用来连接XPU4.x和5G智能天线路连接左右的LDCU和RDCU,有一路以太网诊断和4路CAN FD和CAN通信,底盘CAN和LDCU和RDCU的私有通信用了CANFD、bodyCAN和PT CAN因为要兼容所以才用了高速CAN(500kbps)。

  区域控制通过左右车身控制器的形式,根据就近配置的原则,把车身电子的负载接到左右域控制器上面去,控制缩减线的以太网通信,其他的通信已经讲了。在这方面,小鹏的发力点在于把车身控制的主要功能,大部分都迭代到了车里面去,通过自己强大的软件能力,对以下的能力进行重构,涵盖的能力包括钥匙、尾门控制、车身控制,充电等等,还包括灯光控制和能量管理。

  小鹏软件能力,围绕SOA的软件开发来做的,对不同类型软件使用需求的差异性,将整车软件做了系统软件平台、基础软件平台、智能应用平台等分层定义,以此使如自动驾驶、智能语音车控车设、智能场景等智能功能做到快速开发和迭代。

  ① 系统软件平台:基于商业代码做部分定制开发,随整车基础软件平台冻结而冻结,可用于不同车型;

  ② 基础软件平台:多个整车基础功能软件均形成标准服务接口且在车辆量产前冻结,可用于不同车型;

  ③ 智能应用平台:如自动驾驶、智能语音车控车设、智能场景等功能,可实现快速开发和迭代。

  通过这样的模式开发,使得小鹏G9有了围绕软件功能迭代的能力,也能在系统后台和车载平台上有了一套可迭代的系统。可以这么说,有了G9的新一代架构和软硬件平台,这车未来5年可以升级和优化的潜力非常大。我相信这也代表了中国的电动汽车平台的升级潜力拉满了。

  之前的预热上,小鹏G9直接发了9张图,座舱会升级为“5D沉浸式体验”,听歌的时候能够感受温度、光影、触感、气息交融的互动。听歌的时候,氛围灯随节奏律动,安全带通过勒我有节奏地打节拍,空调的冷风随着节奏吞吐冷气营造气氛,完美复刻Live(5D听歌体验)。

  预热还提到会有3D UI,大概指的是后排娱乐屏会使用3D全系投影。这次预热也再次“复习”了一下X-EEA 3.0电子电气架构,和XPower 3.0动力系统。小鹏的全新电子电气架构,采用左右两个域控制器,以及中央的车控、智驾、座舱三个中央域控制器,大幅减少车内线束,软硬件进一步解耦。

  用户体验的差异在于OTA的速度更快了,而且部分不干扰驾驶行为的OTA,还可以做到边开车边后台OTA的无感化。

  800V高压平台,已经帮助电驱系统效率提升到95%的SiC碳化硅,配合480kW超充桩能实现5分钟补能200km。

  小结:智能汽车其实和智能手机一样,软件能极大的延续车辆的使用价值,一旦到了一定能力的架构,后面就看软件工程师的能力了。而电子电气架构对新能源车却尤为重要。G9这台车,其实做到了很多的技术细节,也是开启了下一波智能电动汽车的热战序幕。

  狭义来说,电子电气架构就是汽车内的通信网络,是车内各电子部件进行信息交互的渠道。广义来讲电气架构涵盖了汽车控制系统的软硬件架构、通信网络、电气系统等部分;它通过特定的逻辑和规范将各个子系统有序结合起来,构成实现复杂的功能的有机整体。

  说人话,打个比方。如果将汽车比作人体,汽车的机械结构相当于人的骨骼,“三电系统”是心脏和肌肉,转向、制动系统是四肢,那电子电气架构则相当于人的神经系统,是汽车内部实现信息交互,完成复杂操作和功能的关键。

  在传统汽车时代,汽车以驾驶、舒适、省油等体验为核心,功能简单,重机械,轻电子和软件。所以传统汽车的电子电气架构采用分布式,即每一个电控零部件只负责它自己的控制功能,再由500kb/s的CAN总线互联起来。就像是一个个彼此独立的台式机,在局域网下用微信传文件一样,每一个都很可靠,但协同工作却很低效。

  智能化的快速普及让汽车软件系统变得复杂,随着智能驾驶等功能参与的零部件越来越多,也对多个零部件、传感器之间的信息传递和协同工作提出了新的要求。就好像多人参与的复杂工作,再用微信传文件修改整合肯定不行,必须用业务后台整合大家一起参与。

  而协同和速率恰恰是分布式电子电气架构天生的弱项,像网一样的结构没有中心,没有调度大脑。比如,某些传统汽车想增加自动泊车和L2智能驾驶功能,但由于架构和硬件的限制,没办法把所有传感器都接入一个智驾控制器上,所以只能搭载两个完全独立的泊车控制器和行车控制器,算力不共用,传感器不共用。

  所以,如果要实现复杂的功能,升级电子电气架构是必经之路;不夸张的说新一代电子电气架构就是智能汽车的基础。只有将结构融合,才能协同多个零部件实现复杂的功能;只有提升架构的通信速率才能让指令快速执行。可以这么说,虽然高性能芯片的应用让很多汽车的算力提高了两个数量级,但是如果没有强大的架构和高速率的通信支持,很多跨越式的智能化功能依旧没法实现。

  甚至按照行业内的标准看来,无论你的智能化功能如何多,没有底层架构的升级,都算不上真正的新一代智能汽车,再多的功能都只是在应用层“粉饰太平”、“修修补补”。

  特斯拉在model 3上运用的域控架构,改变了过去一个控制器一个功能的结构,将功能按照区域进行划分,将整车的控制集成到了布置在车头、车尾等位置的区域控制器,而运算、决策等功能则是用超高算力的计算平台实现,形成了中央决策、区域协同、终端执行的类星型高效形式。

  这一架构让model 3的线米,控制器减少了一半,但通信速率和功能复杂度却反而提高了。也正是依靠这个新架构,特斯拉才能实现多场景的智能驾驶功能;让OTA升级维护变得简单。

  国内汽车企业在智能化方面也走在了行业前列。近些年,不少自主品牌和新势力都推出了域控电子电气架构,比如蔚来的以太网+高性能电控单元架构,理想的计算中心化,比亚迪e 3.0架构,小鹏在P7搭载的域控架构……这些架构和特斯拉model 3的方案类似,通过整合打破跨域的交互壁垒,提升了智能驾驶和座舱的体验。这也是为什么它们能成为新能源汽车标杆的原因。

  如果说以上这些架构方案还是对行业领先方案的跟随的话,那去年广州车展上小鹏随G9推出的X-EEA3.0则可以算得上是一种跨域,这种集中式架构也是电子电气架构的下一代形态。

  根据现有的信息,X-EEA 3.0在原有电子电气架构的基础上持续集中整合,采用中央超算+区域控制的高融合架构,采用算力集中的设计,将计算平台进一步整合,让高算力芯片可以配合在一起实现更复杂的计算。除了架构拓扑的升级,X-EEA 3.0也同步升级了计算芯片的处理能力,搭载更高算力的芯片能直接提升智能驾驶和智能座舱处理复杂信息的能力。而通过应用千兆以太网,相比现有大部分车载通信速率提升了至少10倍(比传统CAN通信提升了2000倍),能让激光雷达、高清摄像头这些感知信息更丰富的传感器数据能更快、更稳定的传输到计算平台中。

  用通俗一点的话讲,类比与我们的电脑局域网,CAN通信的分布式架构就好比以前是好多台奔腾电脑用拨号上网一起工作,现在的X-EEA 3.0是一台超算服务器用光纤带着几台酷睿i9一起,复杂的数据处理和仲裁都在中央高性能服务器中,与其他节点高效协作。这样就能完成更加复杂的工作,支持智能驾驶这类复杂应用。

  所以,X-EEA 3.0的部署也让G9成为搭载更高阶的智能辅助驾驶系统的首款车型。根据目前公布的最新信息,G9能实现全场景、端到端的智能辅助驾驶,覆盖从起点到终点的全流程。也能依靠强大的集中式算力,对包括激光雷达在内的所有传感器数据进行解析重建,实时渲染360°的场景进行,让驾驶员能清晰的看到感知画面,增加使用时的信心。

  除了硬件拓扑的简化和性能提升,小鹏还依靠其全栈自研能力,将整车的功能进行了平台化的分配,使软硬件接口标准化。并将软件架构分为系统软件平台、基础软件平台、智能应用平台。再配合上X-EEA3.0的集中架构,小鹏让G9变得像智能手机一样,只需要调用下层的接口快速实现功能的组合,就能确保智能驾驶、语音交互等功能的常用常新,在全生命周期不断迭代,将“软件定义汽车”的理念落地。

  电子电气架构不仅仅是硬件上的拓扑结构和软件的架构的升级。更需要开发流程、组织架构等多个部分的支持和联动。在传统的架构中,每个节点功能单一,开发人员根据功能划分组织完成相应的功能即可。

  而在新的架构模式下,由于架构集中、系统分层,开发人员不可能再像之前一样只负责一个具体的零件和功能,而是需要在更扁平的组织架构下对系统进行更全面的自主开发,拥有完整的全栈的软硬件自研能力,才能避免“牵一发而动全身”的影响。

  在消费者看来可能电气架构的升级仅仅是少了几个控制器,但对于汽车企业来说,它的升级无异于一次从技术到人员,从软件到硬件的提升,可以说是重新构建了汽车研发的业务分工。这也就是为什么说底层电子电气架构的升级才能体现一个车企、一个车型是否真正的迈入了智能汽车时代。不夸张的说X-EEA 3.0的量产不仅是小鹏在电气架构技术上的领先,也是在汽车研发体系上的领先。

  从传统汽车转向智能汽车,智能驾驶、智能座舱只是消费者能感知的最顶层功能,而要让这些功能体验日臻完美,不仅需要强大的传感器、芯片,更需要高效的软硬件以及底层电子电气架构的支持。它虽不显山漏水,但却决定着智能化体验的上限,也带来了无限升级的可能。

  随着近年来,软件定义汽车的概念被提出,软件和与之相应的电子电气架构也频繁提起。如果说是软件让汽车更加智能,那么电子电气架构则是承担这一切智能的载体。

  所谓电子电气架构,简单来理解,就是汽车内控制器,传感器等电气设备的布局和设计。在汽车智能化后,控制器传感器更多了,尤其是电动车上的控制器越来越多,而像小鹏P7这样的智能电动车上,则会有上百个大大小小的控制器。

  如果没有好的设计和布局,这些控制器就无法发挥他们最大的效力。就像一间房子,刚开始只有一两件家具,怎么摆都行,也不会显得拥挤和凌乱;而当家里出现几十件家具和电器之后,就不能忽视室内布置和设计了,否则家里乱糟糟,东西都找不到。

  如果说软件决定了汽车智能化的下限,那么电子电气架构则决定了汽车智能化的上限。

  这是博世对电子电气架构的升级过程预测,整个行业(包括特斯拉)也都在按照这个架构演化。博世认为电子电气架构将从分布式架构向域控制架构过渡,最终往中央集中架构方向发展。

  分布式架构是一个控制器对应控制一个部件,大家各管各的,相互之间的信号传输是点对点。在控制器少的时候还好,一旦控制器多了,控制器之间的信号传输就很繁琐,导致整车线束变长(燃油车线束展开都有百来米),给软件的开发和维护也带来很多难度(没法快速迭代和OTA)。

  比如班里仅有班长一人跟30个学生收发作业,对于班长来说,他的工作量就很大了,他需要面对30个人,如果一个个去收发作业和传达信息,他需要跑30趟,效率极低。

  域控制器架构把整车分为为5-7个域(动力域、底盘域、车身域、信息娱乐域和ADAS域),各个域上由一个域控制器统一管理。

  这就是一个班开始有了小组长(域控制器)作为各个组的接头人,组长负责组员之间的信息传递,但是在域控制器架构里没有班长,相比分布式,这种架构将工作效率提高了3倍

  为了更进一步的优化效率,此时出现了班长,班长负责管理三个组长,组长对接组内同学,对于各方来说,工作效率都提高,这就是中央集成式架构。

  中央集成式架构将车分为几个域控制器和一个中央计算平台,域控制器负责区域内所有控制器的管理,中央计算平台负责整车统一协调指挥。

  国际上美国某电动车巨头早就实现了中央集成式架构,比如他的一款车型就有三个区域控制器和一个中央计算平台(CCM):左车身控制器,右车身控制器,前车身控制器,中央计算平台CCM。

  而国内企业,小鹏就将在要上市的G9上开始使用X-EEA3.0架构,也是中央集成式电子电气架构,这使得小鹏将成为国内首家量产中央集成架构的企业,尽管一些其他造车新势力和德系豪强也宣称在研发中央集成式电子电气架构,但是目前都没看到量产产品。

  众所周知,中央集成式架构是电子电气架构发展的终极形态,也是目前业内所有企业努力的方向。而小鹏率先引入的中央超算+区域控制—X-EEA3.0架构也顺理成章成为目前国内最先进的电子电气架构,相比上一代域控制器,在诸多性能上均有提升。

  小鹏X-EEA3.0电子电气架构采用了两个左右域控制器和一个中央控制器。其中中央控制器采用的是骁龙8核设计,是整车的高性能超算平台。相比之前的电气架构,X-EEA3.0新增了一个中央控制器,使用了更高性能芯片,算力相比之前提升了267%,也支持更高级别的智能辅助驾驶和更强大的智能座舱。

  同时相比上一代电气架构,X-EEA3.0在国内首次实现了以千兆以太网为主干的通信架构,同时支持多通讯协议,让车辆在数据传输方面更快速。

  众所周知,未来的自动驾驶必然是车路协同,这就伴随着大量的数据传输,因此X-EEA3.0也就为未来更高级别自动驾驶打下硬件基础。他的通讯架构能支持大容量和高速的数据传输,同时基于更加规范的设计及更加标准的测试,通信的可靠性也大幅提升。

  电子电气架构升级后,那依托于电子电气架构的软件架构就能有更大的想象空间了。

  相比上一代电气架构,在X-EEA3.0上,整车软件架构做了系统软件平台、基础软件平台、智能应用平台三层平台结构,分层软件架构的好处就是能快速进行软件开发和迭代。

  通过软件分层式布局,把车辆的底层软件和基础软件与那些智能应用软件脱离开,实现了软件架构上的解耦,因此进行新功能的研发和智能进化时,只需要对最上层的应用软件进行研究和迭代,从而缩短了研发周期和技术壁垒,对于消费者来说也能尽快享受到技术进步带来的好处。

  以上说了这么多X-EEA3.0架构的好处,专业术语很多,消费者可能被这些具体技术细节看蒙了,他们关心的是小鹏拥有了目前业内最先进的电子电气架构,对于消费者来说意味着什么呢?跟智能化有啥关系?

  如果说在一个屋子里,家具家电是软件,那么设计布置则是电子电气架构;好用的家具家电决定了生活品质不会太低,但是精美的装修设计却能大大提升幸福感。

  好的装修设计会考虑到未来可能的生活方式:插座,水龙头布置,将要支持什么样的家电家具。即使我现在不买洗碗机,但是我在房屋设计之初就为洗碗机预留了空间,并且甚至考虑到了能支持不同型号的洗碗机,类似的例子很多,我们称这种设计为前瞻设计。

  而G9使用的X-EEA3.0架构就能实现智能功能的持续进化。智能化的技术总是更新换代很快,现在的技术可能2-3年后就落伍了,电动车要持续智能,就必须考虑到技术的迭代速度。为了让早买小鹏的消费者也能够享受几年以后的新技术,基于X-EEA3.0架构的超级OTA就能够支持多控制器同步智能化升级。

  现在的智能电动车市场就像是桌面打牌,你出一个10TOPS的6核控制器,那我就要出一个20TOPS的8核控制器。

  然而智能化并不是看谁硬件多,关键还是要【融合】。软件需要跟硬件高度融合才能最大发挥效力,不然就是杀鸡焉用牛刀?

  空有西门子洗碗机,却发现水路没留好,结果只能凑合;明明是2kw的空调,插座却只支持1kw,也只能省着点用。

  X-EEA3.0架构以其合理的布局,合理规划的拓扑结构,能支持多层软件架构,实现算法和硬件的高度融合,不会让硬件的算力浪费一分。对于消费者来说,就是能以相当的硬件设备,却能实现全场景智能辅助驾驶。

  只有班长,班长事必躬亲,精力有限,很难做到精准管理,只能胡子眉毛一把抓;

  只有组长,但是A组的信息无法同步到BC组同学,ABC容易出现步调不一致;

  班长—组长:班主任只需要跟班长对接,班长也只需要管理三个组长,而组长只需要管好组员,效率大大提高。

  类似的,如果把这个管理方法用到整车配电管理上,就很高效。X-EEA3.0在电力分配与使用上,能实现整车的用电设备供电100%可控。

  中央控制器负责识别用户场景,发送指令给域控制器,两个域控制器按需配电,让车辆在休眠、唤醒及待机等状态下电耗大幅降低。比如在路边等人时,可以只对空调、座椅调节、音乐等功能供电,其他部分断电。让每一度电的使用都更加高效,这就是先进架构能给消费者带来的额外好处。

  1, 回到本题,之所以电子电气架构越来越重要,是由于汽车越来越智能化。良好的电子电器架构设计,能让每一个部件的能力发挥到极限,实现高效管理每一个部件,又能够考虑到未来技术发展的升级,兼容性强。

  2, 目前行业内部,国际上特斯拉早就实现了中央集成式电子电气架构,也是实现量产数量最多的汽车厂商,而国内小鹏汽车在即将上市的G9上实现了中央集成式电子电气架构,是国内较早开始量产这一架构的汽车厂商之一。

  3,先进的电子电气架构看上去远在天边,消费者看不见摸不着。但其实,我们习以为常的每一个小提升,小进步都源于先进架构的引进。比如多控制器无感化OTA,全场景辅助驾驶功能;又比如同样的电池包能量,续航里程却变长了,你习以为常,却不知这也是X-EEA3.0的功劳。

  架构演进驱动主机厂多重变化。架构演进过程背后,是主机厂把原属于供应商的软硬一体的部件中的控制功能提取出来收归融合于自身的过程,主机厂的软件自研比例将显著上升,汽车软件所有权逐渐收归主机厂。在此过程中,主机厂将根据不同的品牌定位及自身实力决定自研高价值模块的多少、介入程度的深浅,如特斯拉核心模块全自研,硬件外包,也可能存在做品牌运营,软硬件均大比例外包的整车品牌。架构演进改变汽车开发模式、研发人才结构及组织形式、整零关系。主机厂利润池大幅拓宽,将长期享有软件红利,通过硬件预埋及可插拔 用户付费解锁服务,主机厂可于保有车辆上实现软件、内容盈利变现,亦增强品牌的用户粘性。

  汽车电子架构迈向中央计算 ECU 数量减少,意味着原先软硬一体的模块拆解出来,再进行域控制器的集中, 而这 并非简单的物理集成,越来越多的主机厂正在收拢更多主导权, 从应用层软件到中间件,到底层软件,甚至到核心硬件,都希望实现全栈覆盖, 这个过程是 主机厂将原先软硬一体的供应商的软件部分抽取出来聚集于自身的过程。 受制于现存供应链和自身软件实力弱,这会是一个渐进的过程。一旦电子电气架构进入中央计算区域控制阶段以后,汽车软件所有权将主要属于主机厂,主机厂将长期享有软件红利,比传统车时代拥有更强的产业链话语权,主机厂将把产品持续更新的命脉握在自己手中。

  英伟达 CEO 黄仁勋:汽车行业与手机、电视行业的区别在于,在汽车上运行的软件是量身定制的。因此除汽车外,汽车制造还将在很长一段时间内拥有软件带来的机遇。这与手机行业有着本质上的不同,除了少数几家手机制造商之外,他们基本无法从软件中获益。而车企可以,前提是他们必须先打造一辆可编程的汽车,如果汽车无法运行优质软件,那么他们能够提供给客户的软件就会相对有限。

  1)分布式架构下,主机厂相当于一个硬件集成者, Tier1 把上游的 Tier2 (嵌入式软件供应商 、 芯片供应商 )打包后提供给主机厂, 为提高产品把控权,主机厂在功能车时代一般选择自研高价值模块,也是消费者能感受到的差异化部分,即动力总成部分。

  2)第二阶段的功能域部分,类似功能合并为域,软件逐步从过去的黑盒中分离,主机厂出于原有供应链和自身软件能力的考虑,选择直接与原来的 Tier 1/ 2 合作,在应用软件层,可能选择合作模式,也可能选择自研模式,比如小鹏、长城的自动驾驶算法选择自研,而其它一些主机厂选择与百度、 momenta 、 小马智行、华为进行合作。 这时主机厂根据能力不同,对域控制器的软硬件部分参与程度不一,由此域控制器供应商的服务也不同,对于自研程度深的 主机厂,域控制器供应商相当于 纯 代工角色,对于自研程度浅的主机厂来说,域控制器供应商相当于全方位的 保姆 角色。

  3)第三阶段跨出功能域框架, 进入中央计算区域控制阶段以后,大部分 ECU 消失,各传感器执行器被中央计算单元支配,原属于 Tier1 的大部分策略层的软件由主机厂主导, 主机厂对软件中的高价值模块的介入程度渐深, 因此主机厂必须要有专业 的软件团队,以集成自研与外包软件,软件所有权主要属于汽车制造商。 大众汽车计划到 2030 年将软件自研比率提升到 60%(聚焦于人工智能、大数据、保密以及安全)。虽然自研比例大幅提升,外采软件总规模也将增长,但大众将定义车载软件的标准和路线图。 CARIAD 业务规划主要涵盖四块内容: 1 )电子电气架构 E³ 架构; 2)VW.OS(大众汽车操作系统);3)VW.AC( 大众汽车云); 4 )关键应用。

  自研高价值模块的多少将很大程度决定不同主机厂的盈利能力,类似于不同消费电子品牌有着巨大的盈利能力差异(近三年苹果净利率 20-26%,小米净利率 5-8% 。 主机厂根据自身业务体量 、 研发实力 、 现金流状况 、 历史包袱等评估适合自己的路径。平价与豪华,燃油与电动都将做出截然不同的转型选择 。

  1 )第一梯队,比如特斯拉,实现芯片 、 操作系统 、 中间件 、 域控制器系统集成等核心领域全自研,硬件外包。

  2 )选择一到两个核心技术上重点突破 。 比如自动驾驶感知算法是否选择自研。 从自动驾驶算法自研落地节奏看,小鹏、长城、华为相对靠前 。也有主机厂选择自研座舱芯片,比如吉利汽车旗下的亿咖通。

  3 )多手准备。 主机厂一方面组建自己的软件团队,另一方面积极同科技企业互联网公司建立合作联盟,在自身拥有成熟的软件开发能力之前,基础软件,软硬件架构方案仍依赖 TIER 1 或新兴软件企业。 比如上汽集团的零束,目前跟外部各类企业合作较多涵盖 SOC 芯片企业、算法公司、域控制器供应商等(高通、地平线、联合电子、 momenta )。

  4 )车企只做品牌运营 软件开发主要外包, 零部件作为一个系统整体打包给大型供应商或者互联网企业。

  1)电子架构向车云一体发展将使得智能车成为一个更加开放的智能触点,安全要求大幅提高,整车厂是第一责任体。

  2)选择辅助驾驶自研的主机厂,辅助驾驶功能将越用越好。随着辅助驾驶渐进式演进,越来越多原先做 L4 的算法公司开始与主机厂合作,这也说明有效里程产生的数据成为下一阶段辅助驾驶能力能否领先的关键点。

  3)OEM 将 在车辆全生命周期内实时直链用户,与 C 端粘性显著增强, 用户运营、远程诊断与服务将 成主机厂基于存量车的业务触发点 。传统车企的 V 型研发模式(包含机械硬件测试、供应链协同、造型设计等)需要 5-7 年的研发周期,无法适应移动服务的快速迭代和存量用户的运营。未来软硬件分离研发,在软件上变革为闭环开发模式,快速迭代,而硬件可提前预埋并在相当长时间保持原状。

  马尔文康威1967 提出的康威定律提出 一个组织设计出的系统产品即该组织内部沟通结构的缩影。 这意味着企业想要获得什么样的产品系统,就需要什么样的组织及组织文化。在分布式ECU 时代,车企只需要做集成硬件即可完成产品生产交付 ;到了功能域控制器时代,软件从分布式 ECU 回收上移至功能域控制器 ,但各部门依然按照功能划分,比如划为智能座舱、智能驾驶和智能车控三个部门; 功能域再往前演进,在中央计算平台时代,硬件完成大一统整合,软硬件开发解耦,软件与分层解耦,开发团队的调整不可避免, 烟囱式的以功能划分的组织设计将被打破 。因此近年来主机厂纷纷成立数字化中心、软件中心等新的组织,就是为了适应这种发展趋势。

  2021年长城汽车形成“强后台、大中台、小前台”的 3.0 版本组织架构强后台就是储备最优质、更前沿的技术,通过大量、前沿的预研投入保持领先。 广义的后台除技术外 ,还包括机制质量、人力资源政策、战略布局和资本运作等内容大中台在小前台的作战中,随时给予及时的补给和支援以面向用户的小前台为核心,形成一车一品牌一公司的组织形态,打造出了若干个运营组织 。目前看,车企都在通过各种组织创新以顺应电子电气架构演进趋势。

  基于迈向中央计算的电子电气架构,主机厂原有盈利模式将被大幅拓宽 。 由于车企拥有大量移动终端,未来将拥有海量数据(涉及车身数据,环境数据,驾驶数据,车内人的各类数据 并可在全生命周期直达用户, 据此可衍生出多类业务模式,如软件算法、虚拟司机、出行服务、运营平台 、售后服务及诊断等;更长远地看,无人驾驶出现后,车辆出现的软件生态还拥有更广阔的想象空间。目前一些整车品牌已在进行车辆静止状态下的座舱创新,以激发并满足日益增加的娱乐、休憩等各类需求,这也使得车辆超越了单纯物理移动的意义,类似于智能手机早就超越了单纯的通信意义。

  特斯拉车内已内置22 种游戏,技术部门正努力将 steam 上的游戏库引入旗下车辆,未来特斯拉车机将支持流畅运行 steam 。硬件上, 2022 年特斯拉全系车辆将搭载 AMD Ryzen 芯片组,性能上媲美最新款的索尼游戏主机 Playstation5 。随着内容生态的日渐丰富, 未来汽车可能参与内容的分成,这可能成为一个空间巨大的收入来源。

  在大众汽车2030 NEW AUTO 战略中,大众描述了未来的汽车及其应用场景:未来的汽车将发展成为一个静修空间、移动办公室、居家旅行沙龙亦或小憩休整的场所,由于技术进步,汽车将逐渐褪去负面属性(事故、污染等),汽车将成为比现在更受欢迎的个人出行方式。

  大众估计2030 年汽车市场规模将达 5 万亿欧元,十倍于目前的智能手机市场规模,这主要是得益于软件和自动驾驶服务能力的提升。大众将在汽车业新未来形成新的商业模式, 利润池由整车硬件、软件、电池与充电、移动出行解决方案构成 。大众认为未来汽车依然是个性化的产品(以为顾客还是需要差异化的汽车外形、品牌和服务的),但与传统汽车时代相比,品牌的差异性将更多的来自于软件与服务。

  大众汽车计划未来的利润池除了 整车销售、整车平台出售、还包括软件外售、电池及补能服务、出行解决方案算法外售、移动服务 )),面对消费者,服务可以按需付费激活,在此之前大众汽车将完成硬件平台的统一即 SSP 平台 )、统一的软件架构( 电气架构 E3 2.0 版 +VW.OS )。

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  汽车电子电气架构(EEA,Electrical/Electronic Architecture)把汽车中的各类传感器、ECU(电子控制单元)、线束拓扑和电子电气分配系统整合在一起完成运算、动力和能量的分配,进而实现整车的各项功能。

  如果将汽车比作人体,汽车的机械结构相当于人的骨骼,动力、转向相当于人的四肢,电子电气架构则相当于人的神经系统和大脑,是汽车实现信息交互和复杂操作的关键。

  电子电气架构涵盖了车上计算和控制系统的软硬件、传感器、通信网络、电气分配系统等;它通过特定的逻辑和规范将各个子系统有序结合起来,构成实现复杂功能的有机整体。功能车时代,汽车一旦出厂,用户体验就基本固化;智能车时代,汽车常用常新,千人千面,电子电气架构向集中化演进是这一转变的前提。从分布式到域控制再到集中式,随着芯片和通信技术的发展,电子电气架构正在发生巨大的变化。

  汽车诞生之初是个纯机械产品,车上没有蓄电池,车上的设备亦不需要电力,1927 年博世开发出铅蓄电池,从此车上的电子设备才有了可靠的电力来源。大规模集成电路的发展让汽车电子得以快速发展,发动机定时点火控制系统、电控燃油喷射系统、自动变速箱控制系统、牵引力控制系统、电控悬架系统、电控座椅、电控车窗、仪表、电控空调、汽车电子稳定控制系统等,逐步成为了汽车不可或缺的组成部分。汽车电子控制技术逐步发展壮大,为消费者提供了更高性能、更舒适、更安全的出行工具。

  早期分布式的电子电气架构下,每个 ECU 通常只负责控制一个单一的功能单元,彼此独立,分别控制着发动机、刹车、车门等部件,常见的有发动机控制器(ECM)、传动系统控制器(TCM)、制动控制器(BCM)、电池管理系统(BMS)等。各个 ECU之间通过 CAN(Controller Area Network,控制器域网络)总线或者 LIN(Local Interconnect Network,局部互联网络)总线连接在一起,通过厂商预先定义好的通信协议交换信息。

  随着整车电子电气产品应用的增加,ECU的数量从几十个快速增加到 100多个,ECU数量越多,对应的总线的线束长度必将越长,线和保时捷卡宴的总线kg,是全车重量仅次于发动机的部件),这就导致整车成本增加、汽车组装的自动化水平低。

  分布式计算导致了车内信息孤岛、算力浪费、软硬件耦合深,主机厂严重依赖供应商。传统汽车供应链中,不同的 ECU 来自不同供应商,不同的硬件有不同的嵌入式软件和底层代码,整车软件实际上是很多独立的、不兼容的软件混合体,导致整个系统缺乏兼容性和扩展性。车厂要进行任何功能变更都需要和许多不同的供应商去协商软硬件协调开发问题,每新增一个新功能都需要增加一套 ECU 和通信系统,耗时长,流程繁琐。且由于每个 ECU 绑定一个具体功能,无法实现横跨多个 ECU/传感器的复杂功能,亦无法通过 OTA(Over-the-Air)来保持汽车软件的持续更新。

  分布式电子电气架构导致通信带宽瓶颈。智能网联车功能越来越复杂,车辆传感器数量增加,由此产生的数据传输及处理的实时性要求提高,汽车内部网络通信数据量呈指数级增长趋势,传统的 FlexRay、LIN 和 CAN 低速总线已无法提供高带宽通信能力,也无法适应数据传输及处理的实时性要求。

  假设车厂需要修改一个雨刷总成的功能,由于每一款车在开发流程中的既定节点上,都要对雨刷总成进行定义、标定和验证,后续修改即相当于二次开发,车企需要重新和雨刷供应商签合同,重新做各个层级的标定和验证。显然这样一种面向硬件的工程化体系和流程,在车辆越来越复杂的未来,是无法支撑产品的快速迭代进化的。

  解决之道就是把硬件标准化。雨刷总成是一个电机驱动的机械部件,雨刷所需的传感器可调用车辆上搭载的摄像头或其他传感器,一旦感应到挡风玻璃透明度下降,车辆即可通过软件控制让雨刷自动启动合适的工作模式,这就实现了软件定义雨刷功能的目的。当各种不同的总成、模块都标准化以后,就可以通过中央控制器里的软件来实现更高等级的智能,就像手机上运行的多个 APP,既可大幅缩短产品开发周期,也可广泛采用标准化的零部件,有助于企业控制成本和质量。

  比如一家零部件企业开发和生产一款标准化的雨刷,然后卖给各家整车企业,其价格会非常便宜;同时,标准化硬件的标定和验证都可适当简化,从而进一步节省开发时间和成本。

  汽车分布式电子电气架构已不能适应汽车智能化的进一步进化。高度集成是解决之道。基于少量高性能处理器打造汽车的“大脑”,通过一套新型的电子电气架构,形成快速传递信息的“神经网络”和“血管”,以控制和驱动所有电子件和传感器。

  少量的高性能计算单元替代过去大量分布式 MCU(微控制单元),多个分散的小传感器集成为功能更强的单个传感器,汽车功能逐步整合集中,ECU的减负意味着把整车原先搭载的几十上百个 ECU逐一进行软硬件剥离,再把功能主要通过软件迁移到域控制器(域控制器是指域主控硬件、操作系统、算法和应用软件等几部分组成的整个系统的统称)中,如自动驾驶、娱乐、网关等,在域控制器架构的基础上,更进一步把不同功能的域进行整合,就到了跨域融合阶段,再进一步到中央计算+位置域阶段。华为判断到 2030 年电子电气架构将演进为中央计算平台+区域接入+大带宽车载通信的计算和通信架构。

  汽车电子电气架构的升级主要体现在硬件架构、软件架构、通信架构三方面:硬件架构从分布式向域控制/中央集中式方向发展、软件架构从软硬件高度耦合向分层解耦方向发展、通信架构由LIN/CAN 总线向以太网方向发展。

  博世给出的电子电气架构路线图分为六个阶段,已成行业共识:分布式阶段(包括模块化、集成化)——域集中式(包括集中化、域融合)、中央集中式(包括车载电脑、车云计算)。

  模块化阶段。1)一个 ECU 负责特定的功能,比如车上的灯光对应有一个控制器,门对应有一个控制器,无钥匙系统对应有一个控制器。随着汽车功能增多这种架构日益复杂无法持续。2)集成化阶段,单个 ECU 负责多个功能,ECU数量较上一阶段减少。在这两个阶段,汽车电子电气架构仍处于分布式阶段,ECU 功能集成度较低。

  功能域控阶段。功能域即根据功能划分的域控制器,最常见的是如博世划分的五个功能域(动力域、底盘域、车身域、座舱域、自动驾驶域)。域控制器间通过以太网和 CANFD(CAN with Flexible Data-Rate)相连,其中座舱域和自动驾驶域由于要处理大量数据,算力需求逐步增长。动力总成域、底盘域、车身域主要涉及控制指令计算及通讯资源,算力要求较低。

  跨域融合阶段。在功能域基础上,为进一步降低成本和增强协同,出现了跨域融合,即将多个域融合到一起,由跨域控制单元进行控制。比如将动力域、底盘域、车身域合并为整车控制域,从而将五个功能域(自动驾驶域、动力域、底盘域、座舱域、车身域)过渡到三个功能域(自动驾驶域、智能座舱域、车控域)。

  中央计算+位置域阶段。随着功能域的深度融合,功能域逐步升级为更加通用的计算平台,从功能域跨入位置域(如中域、左域、右域)。区域控制器平台(Zonal Control Unit,ZCU)是整车计算系统中某个局部的感知、数据处理、控制与执行单元。它负责连接车上某一个区域内的传感器、执行器以及 ECU等,并负责该位置域内的传感器数据的初步计算和处理,还负责本区域内的网络协议转换。位置域实现就近布置线束,降低成本,减少通信接口,更易于实现线束的自动化组装从而提高效率。传感器、执行器等就近接入到附近的区域控制器中,能更好实现硬件扩展,区域控制器的结构管理更容易。区域接入+中央计算保证了整车架构的稳定性和功能的扩展性,新增的外部部件可以基于区域网关接入,硬件的可插拔设计支持算力不断提升,充足的算力支持应用软件在中央计算平台迭代升级。

  在一项针对某家整车制造商的研究中,安波福发现,使用区域控制器可以整合 9个 ECU,并少用数百根单独电线,从而使车辆的重量减少了 8.5千克。减重有助于节能,并延长电动汽车的续驶里程。此外,由于区域控制器将车辆的基本电气结构划分为更易于管理的组成部分,更容易实现自动化线束组装。

  汽车云计算阶段。将汽车部分功能转移至云端,车内架构进一步简化。车的各种传感器和执行器可被软件定义和控制,汽车的零部件逐步变成标准件,彻底实现软件定义汽车功能。

  汽车电子电气架构的演进为软硬件解耦提供了有力支撑,高度中心化的电子电气架构带来计算集中化、软硬件解耦、平台标准化、功能定制化。1)算力趋向于集中,众多的 ECU集中到几个强大的算力平台,为软件运行提供了算力基础;2)底层软件和代码开始打通,操作系统为核心的软件生态开始建立,软件可以实现持续迭代,OTA 发展提速;3)域控制器+时间敏感以太网可以实现数据的高速处理和传输,为软件应用的发展创造了条件。



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