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特斯拉带来汽车行业第四次变革,新一代汽车电子架构谁主沉浮?

发布日期:2020-11-26

作者:程文智  2020-11-14 08:04:46


电子发烧友网报道(文/程文智)特斯拉作为汽车行业的新秀,这几年的表现可圈可点,不仅带来了新能源汽车市场的爆发,也让汽车的电子电气架构发生大革新,开启了汽车电子电气架构的大革命。

其实在2017年的Model 3发布之前,大部分的车企使用的汽车电子电气架构(EEA,Electrical/Electronic Architecture)是德尔福在2007年提出来的“功能域”架构,该架构同一个域的零部件可能分布在整车四周,需要通过不断往返整车之间的线束来进行通信。而Model 3推出了“区域Zone”的概念,使用中域、左域与右域来取代传统的德尔福的功能域,从而可以减少线束的使用,让通信更加方便。

也正是因为特斯拉的敢为人先,走在大部分车企的前面进行变革,它在资本市场很受投资者的青睐,据*新的统计显示,特斯拉的市值已经成为****,几乎是排名第二的丰田汽车的两倍。

特斯拉带来的变革

在汽车制造的历史上,曾经有过三次重要的转变,一是福特在1913年创造的T型车流水线生产方式,结束了依靠手工打造汽车的历史,使大规模生产汽车成为现实,让普通人都能买得起汽车;二是在20世纪50年代诞生的丰田精益式生产成为标杆,这个生产方式的核心是及时性和自动化,大幅提升了效率和效益;三是20世纪70年底,大众带来的平台化概念,改变了汽车制造的思维。以前流水线生产主要依靠的是零部件的标准化,一个流水线只能生产一个车型,平台化之后,在一个平台上可以产生多个车型,通过尺寸的变化衍生出更多产品。现在,平台化竞争已经进入了模块化平台阶段。

而现阶段,新一代平台*为关键的竞争是汽车的电子电气架构。因为随着汽车电子化、智能化和互联化趋势越来越明显,加上自动驾驶技术越来越多地应用到汽车上,车上的ECU数量越来越多,有的车辆上甚至有超过100个不同的ECU,使用传统德尔福提出的架构,不仅阻碍了新功能的上市步伐,而且托管在各个ECU中的数据非常难以获取,也就是说传统的分布式电子电气架构受到了****的挑战。

特别是新能源汽车的三电系统增加了汽车电子电气架构的复杂程度,加上智能座舱和自动驾驶等功能的发展,产生了OTA更新,需要大量的数据处理和信号传输,这对算力和车辆安全提出了新的挑战,原来的电子电子架构成为了技术发展的桎梏。

直到2017年Model 3的出现,这个局面才开始改变。在特斯拉掀开汽车电子电气架构变革的序幕后,安波福(从德尔福拆分而来)提出 smartar-chitecture(智能架构),将汽车内部的大量模块,整合为发动机模块、信息娱乐模块以及自动驾驶与主动安全模块三类。安波福提出了汽车内部建立“神经”(传输网络架构)和“大脑”(计算平台)的概念。与此同时,博世、采埃孚、大陆等也先后提出要从分布式向集中式转变的新一代电子电气架构。这种变化展示了软件算法对电子电气架构带来的影响。

图:汽车电子电气架构的演进方向。

目前,对电子电气架构的划分主要是采用博世的6段划分方式。博世集团把电子电气架构演进趋势大致分为分布式的电子电气架构、域集中化的电子电气架构、车集中化的电子电气架构三种。博世用六个阶段来描述电子电气架构的发展趋势,从简单到复杂依次为:模块化、集成化、集中化、域融合、车载电脑和车-云计算。这种划分的核心思想是电子控制单元(ECU)从分布到集中。

而以特斯拉为代表的智能电动车造车新势力,在一开始就期望打破分布式的设计思维,考虑全面智能化。例如特斯拉在Model 3上重新划分了“域”的概念,搭载车载电脑,直接跨入车载电脑和区域导向架构。

这改变了传统“单纯功能累积”的方式,以几个大单元为单位将其从属功能整合在区域内,进行模块化和集中化,*终实现系统模块数量级的减少,“域”的概念由此而生。

可以将几十个甚至上百个ECU控制单元,减少到3-5个“域”控制系统,即车身系统、娱乐系统、底盘与安全系统、动力系统,和高级辅助驾驶系统等五个大“域”。不同“域”之间安全隔离的同时,也可以根据需求进行通信和互操作,变成了可共享的资源和算力,在其上层可以有一个统一的“操作软件”。

电子电气架构的改变,是真正底层的革命。其带来*重要的改变,就是智能汽车可以实现OTA(Over-the-Air)升级,目前全球只有特斯拉、理想、小鹏、蔚来可以实现整车OTA。

另一个改变就是造车成本下降。传统汽车需要依靠庞杂的线束来为ECU们传输电信号,线束由于长度过长且“太软”,组装必须要由人工来完成。要知道,传统汽车中线束通常是第三重且昂贵的部件,*大重量为50kg,总长度达5km。

在新的电子电气架构下,由于ECU数量减少和打破壁垒,因此线束长度大大减少(特斯拉Model S 3km,Model 3仅1.5km),*大的好处就是提高生产效率及降低人工成本,线束组装甚至可以由机械手臂来完成,甚至特殊情况下线路可以打印在车身上,自动化率进一步提升。

在新的“域”架构及中央计算架构下,应用软件和服务的投资价值显著提升。现阶段,一辆汽车里85%的价值来自单个零部件,但未来硬件抽象化后,软件将成为核心实力。

新一代电子电气架构的玩家有哪些?

从全球来看,进入了博世“集中化阶段”的智能汽车,有特斯拉Model3、大众ID.3、通用凯迪拉克CT5等,大多数车企的新一代电子电气架构正处于集成化阶段想集中化阶段过渡的节点。不过现在,很多车企都在加速进行第四阶段的电子电气架构研发。

就目前来看,不少车企都倾向于三域EEA,即车辆控制域、智能驾驶域和智能座舱域。其中,车辆控制域基本将原动力域、底盘域和车身域等传统车辆域进行了整合(整合更多是系统层面的概念,并不一定是硬件层面合并,因此并不是说这个域中其他ECU就不存在,或者就减少了);智能驾驶域和智能座舱域则专注实现汽车的智能化和网联化。涉及的零部件主要有4类,车控域控制器(VDC,Vehicle Domain Controller)、智能驾驶域控制器(ADC,ADASAD Domain Controller)、智能座舱域控制器(CDC,Cockpit Domain Controller)以及若干高性能网关,其中:

VDC作为Private DCU,负责整车控制,实时性安全性要求高;

ADC作为Public DCU,负责自动驾驶相关感知、规划、决策相关功能的实现;

CDC作为Public DCU,负责HMI交互和智能座舱相关(甚至整合T-Box)功能的实现;

三域EEA算是非常彻底的域集中式EEA。

目前的玩家有以下几家:

大众MEB平台的E3架构

大众的MEB平台(首款车ID.3)的E3架构,即由3个车辆应用服务器(ICAS,即In-Car Application Server)组成的域集中式EEA,具体包括:车辆控制服务器ICAS1、智能驾驶服务器ICAS2和信息娱乐服务器ICAS3。通过ICAS这种大型域控制器,逐步得将本域的其他ECU的软件功能(如智能传感器Smart Sensor的一些功能Applications,以及基础软件Basic Services)逐步向ICAS中转移,直到其他ECU(本域的传感器和执行系统)慢慢被合并。

E3的骨干网采用车载以太网实现。车控域控制器需要更多DMIPS算力,因此除了提供MCU(Micro Controller Unit)外,还有一个多核ARM作为MPU(Micro Processor Unit)。

不过E3现在还存在着一些问题,根据去年12月份德国媒体Manager Magazin的一则报道,显示出大众E3电子架构还有待进一步完善。事情是,ID.3在生产期间无法完成顺利完成软件的自动升级。而工程师很可能难以在短期内找出问题所在,只能选择人工手动升级软件。原本被赋予智能科技属性的ID.3将展示出大众集团两年来的成果,现在它也让众人看到痛点。

宝马iNEXT车型的三域架构

宝马iNEXT车型的EEA也包括3个域控制器,分别是BDC(body Domain Controller,对应VDC),SAS(即ADC)以及MGU(Media Graphics Unit,对应CDC)。

宝马ADC的hPAD版本,主要由 1xMCU(TC397)+ 2xCPU(Intel Denveton)+ 2xSOC(Mobileye EyeQ5,1个软硬件一体,1个开放)。

宝马ADC的uPAD版本,主要由 1xMCU + 1xCPU(Intel Xeon)+ 3xSOC(Mobileye EyeQ5,1个软硬件一体,2个开放)。

就在11月11日,宝马在其NEXTGen未来峰会上,正式发布了iNEXT的量产车型 宝马iX,新车将于明年晚些时候正式上市。

新车定位为中大型纯电SUV,搭载第五代eDrive电驱动系统,WLTP标准下续航里程超过600公里。双电机驱动系统可带来超过370kW的*大输出功率,零至百公里加速不到5秒,百公里能耗低于21kWh。

宝马称,新车在电子电气架构、自动驾驶功能、显示和操控系统以及内部装备全方位创新,同时也是宝马集团首款采用5G技术的车型。

据介绍,新车采用了宝马集团全新一代数字化架构和感应器系统,数据处理能力是目前车辆的20 倍。

华为的CC架构

华为的“计算+通信”(CC)架构比较特殊,把智能网联也囊括了,应该是IoT视角的中心计算(云)+通信(管)+边缘计算(端)这种思路。

华为提出的CC架构,用分布式网络+域控制器的架构,将车辆分为三大部分:驾驶、座舱和整车控制,并推出了三大平台:mdc智能驾驶平台、cdc智能座舱平台和vdc整车控制平台。华为通过提供芯片+操作系统,将上述三大平台的每一个平台都打造成一个生态系统。

按照官方的说法,在mdc智能驾驶平台上,昇腾芯片+智能操作系统是基础,通过传感器生态、智能驾驶应用生态和执行部件生态,将来实现智能驾驶。在传感器生态上,华为将自研激光雷达和毫米波雷达;在智能驾驶应用生态上,华为将希望合作伙伴基于mdc,开发算法和应用;在执行部件生态上,华为希望打造接口标准,让mdc与执行部件更容易配合。

伟世通的三域EEA方案

伟世通的三域EEA方案(概念),也是三个域控制器,Body Super Core即为VDC,ADAS Super Core即为ADC,Cockpit Super Core即为CDC。

伟世通公司是一家全球性科技公司,为全球主要汽车制造商设计、研发并制造座舱电子产品和智能网联汽车解决方案。它2000年从福特汽车分离出来,在2014年到2015年进行了资产重组,剥离了汽车内饰、汽车空调业务,同时在2014年完成了对江森自控电子业务收购;2015年7月,Sachin Lawande加盟伟世通公司,并担任**执行官。他在加盟伟世通以后,进行了公司文化梳理和愿景重新定位,对组织架构进行了调整。随后三年里,伟世通推出了座舱域控制器、信息娱乐系统、自动驾驶域控制器。

结语

长期以来,中国是新能源汽车的销售大国。2017-2019年中国新能源汽车销量几乎均占全球销量的一半。而疫情影响下,2020年上半年欧洲的新能源汽车销量成为第一,销售占比达到43.5%。在各国政府制定的新能源汽车相关产业政策扶持研发的基础上,新能源汽车在全球范围内已进入快速发展期。

图:2017年~2020H1年全球新能源车销量市场占比。

新能源汽车普遍比汽油车的电子设备更多,多媒体信息资源也更加丰富,对新一代的电子电气架构需求更明显。可以预见的是新一代的电子电气架构将越来越多地出现在新出产的汽车中,而这一块,目前国内厂商几乎与国际厂商处于同一起跑线上,大家的机会都差不多,未来谁将脱颖而出都各凭本事了。



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