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域控制器划分:动力域、底盘域、座舱域/智能信息域、自动驾驶域(辅助驾驶)和车身域

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导读:以博世经典的五域分类拆分整车为动力域(安全)、底盘域(车辆运动)、座舱域/智能信息域(娱乐信息)、自动驾驶域(辅助驾驶)和车身域(车身电子),这五大域控制模块较为完备的集成了L3及以上级别自动驾驶车辆的所有控制功能。

1、动力域(安全)

动力域控制器是一种智能化的动力总成管理单元,借助 CAN/FLEXRAY 实现变速器管理、引擎管理、电池监控、交流发电机调节。其优势在于为多种动力系统单元(内燃机、电动机\发电机、电池、变速箱)计算和分配扭矩、通过预判驾驶策略实现 CO2 减排、通信网关等,主要用于动力总成的优化与控制,同时兼具电气智能故障诊断、智能节电、总线通信等功能。

未来主流的系统设计方案如下:

1)以 Aurix 2G(387/397)为核心的智能动力域控制器软硬件平台,对动力域内子控制器进行功能整合,集成 ECU 的基本功能,集成面向动力域协同优化的 VCU,Inverter,TCU,BMS 和 DCDC 等高级的域层次算法。

2)以 ASIL-C 安全等级为目标,具备 SOTA信息安全,通讯管理等功能。

3)支持的通讯类型包括 CAN/CAN-FD,Gigabit Ethernet 并对通讯提供 SHA-256加密算法支持。4)面向 CPU\GPU 发展,需要支持 Adapative Autosar 环境,主频需要提高到 2G,支持 Linux 系统,目前支持 POSIX 标准接口的操作系统。

2020 年 1 月 16 日,由合众汽车工程研究院副院长邓晓光带领团队开发的动力域控制器搭载哪吒汽车成功,并成功一次通过搭载车辆测试,标志着合众 PDCS(Powertrain Domain Control System)动力域控制器正式进入量产应用阶段。合众动力域控制器系统采用英飞凌(Infineon)多核处理器 200MHz 主频,具备DSP 数字信号处理及浮点运算能力,是 Hozon PDCS 的高速处理器。同时,Hozon PDCS 三核并带锁步核的主芯片实现更高功能安全,按照 ASIL C 功能安全等级开发,仅次于飞机的 D 级,有效保证用户出行安全。V 模型开发,每一步可验证,软件失效率低于 0.3%,兼具 AUTOSAR 架构+MBD 建模与控制,有效提高软件可靠性。可实时监控电控系统,智能协调及监控动力输出,提升驾控性能及安全。同时保护电池安全,根据系统需求,同步优化能量分配、增加续航里程。


合众PDCS动力域控制器

合众汽车动力域控制

2、底盘域(车辆运动)

底盘域是与汽车行驶相关,由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统共同构成。传动系统负责把发动机的动力传给驱动轮,可以分为机械式、液力式和电力式等,其中机械式传动系统主要由离合器、变速器、万向传动装置和驱动桥组成、液力式传动系统主要由液力变矩器、自动变速器、万向传动装置和驱动桥组成;行驶系统把汽车各个部分连成一个整体并对全车起支承作用,如车架、悬架、车轮、车桥都是它的零件;转向系统保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶;制动系统迫使路面在汽车车轮上施加一定的与汽车行驶方向相反的外力,对汽车进行一定程度的强制制动,其功用是减速停车、驻车制动。

智能化推动线控底盘发展。随着汽车智能化发展,智能汽车的感知识别、决策规划、控制执行三个核心系统中,与汽车零部件行业最贴近的是控制执行端,也就是驱动控制、转向控制、制动控制等,需要对传统汽车的底盘进行线控改造以适用于自动驾驶。线控底盘主要有五大系统,分别为线控转向、线控制动、线控换挡、线控油门、线控悬挂,线控转向和线控制动是面向自动驾驶执行端方向最核心的产品,其中又以制动技术难度更高。

(1)线控制动是未来汽车制动系统的发展趋势

汽车制动系统经历了从机械到液压再到电子(ABS/ESC)的发展过程,未来将向线控制动方向发展。L2 时代的线控制动可以分为燃油车、混动、纯电三大类,燃油车基本都采用 ESP(ESC)做线控制动。混动车基本都采用高压蓄能器为核心的间接型 EHB(电液压制动)。纯电车基本都采用直接型 EHB,以电机直接推动主缸活塞。在汽车智能化的趋势下,考虑到对 L3 及以上等级自动驾驶汽车来说制动系统的响应时间非常关键,而线控制动执行信息由电信号传递,响应相对更快,刹车距离更短,是未来汽车智能化的长期趋势。

线控制动系统可以分为液压式线控制动 EHB、机械式线控制动 EMB 两种类型。EHB 系统由于具有备用制动系统,安全性较高,因此接受度更高,是目前主要推广量产的方案。由于缺少备用制动系统且缺少技术支持,短期内很难大批量应用,是未来发展的方向。

EHB 系统与 EMB 系统比较

线控制动是汽车技术门槛较高的领域,全球主要的线控制动厂家是博世、大陆、采埃孚等零部件企业。EHB 国外厂商技术发展已经比较成熟,但严格意义讲还不适应于 L4 自动驾驶,国内此项技术在努力追赶;EMB 还处在研究阶段,目前看较难有突破。其中,博世的 iBooster 是典型的直接型 EHB。iBooster 通常与 ESP 配套使用,ESP 在 iBooster 失效时顶上。不过因为 ESP 也是一套电液压系统,也有可能失效,且 ESP 在设计之初只是为 AEB 类紧急制动场景设计的,不能做常规制动,所以博世在第二代 iBooster 推出后,着手针对 L3 和 L4 设计了一套线控制动系统,这就是 IPB+RBU。

线控制动系统主要供应商、产品与客户情况

(2)智能化的发展催促线控转向的产生

转向系统从最初的机械式转向系统(MS)发展为液压助力转向系统(简称 HPS),之后是电控液压助力转向系统(EHPS)和电动助力转向系统(EPS)。目前乘用车上以 EPS 为主流,商用车以 HPS 为主流,EHPS 在大型 SUV 上比较常见,其余领域比较少见。智能化的趋势下,L3 及以上等级智能汽车要求部分或全程会脱离驾驶员的操控,对于转向系统控制精确度、可靠性要求更高高,催促线控转向(Steering By Wire, SBW)的产生。

线控转向(SBW)系统是指,在驾驶员输入接口(方向盘)和执行机构(转向轮)之间是通过线控(电子信号)连接的,即在它们之间没有直接的液力或机械连接。线控转向系统是通过给助力电机发送电信号指令,从而实现对转向系统进行控制。SBW(steering by wire)的发展与 EPS 一脉相承,其系统相对于 EPS 需要有冗余功能。

目前 SBW 系统有两种方式:1)取消方向盘与转向执行机构的机械连接,通过多个电机和控制器来增加系统的冗余度;2)在方向盘与转向执行机构之间增加一个电磁离合器作为失效备份,来增加系统的冗余度。 

EPS与SBW系统结构

从厂商角度看,全球 EPS 厂家以博世、捷太格特、NSK、耐世特等国际巨头为主,其中日本厂家多以精密轴承起家,向下游拓展到 EPS 领域;美国厂家则是 tier 1厂家,横向扩展到 EPS 领域;欧洲厂家类似美国厂家,但是在上游的精密机械加工领域远比美国要强。相比之下国内企业主要有三家,包括株洲易力达、湖北恒隆和浙江世宝,但是规模都比较小,技术较落后。

电助动力系统(EPS)主要供应商及客户

线控转向系统(SBW)由于技术、资本、安全等各方面的要求高,技术基本掌握在海外的零部件巨头手中,进入壁垒非常高。目前联创电子、浙江万达等国内企业开始涉足 SBW 领域,国内企业未来有望开拓 SBW 新业务。

线控转向系统(SBW)主要供应商及产品现状

3、座舱域/智能信息域(娱乐信息)

传统座舱域是由几个分散子系统或单独模块组成,这种架构无法支持多屏联动、多屏驾驶等复杂电子座舱功能,因此催生出座舱域控制器这种域集中式的计算平台。智能座舱的构成主要包括全液晶仪表、大屏中控系统、车载信息娱乐系统、抬头显示系统、流媒体后视镜等,核心控制部件是域控制器。座舱域控制器(DCU)通过以太网/MOST/CAN,实现抬头显示、仪表盘、导航等部件的融合,不仅具有传统座舱电子部件,还进一步整合智能驾驶 ADAS 系统和车联网 V2X 系统,从而进一步优化智能驾驶、车载互联、信息娱乐等功能。

智能驾驶辅助系统的构成主要包括感知层、决策层和执行层三大核心部分。感知层主要传感器包括车载摄像头、毫米波雷达、超声波雷达激光雷达、智能照明系统等,车辆自身运动信息主要通过车身上的速度传感器、角度传感器、惯性导航系统等部件获取。而通过座舱域控制器,可以实现“独立感知”和“交互方式升级”。一方面,车辆具有“感知”人的能力。智能座舱系统通过独立感知层,能够拿到足够的感知数据,例如车内视觉(光学)、语音(声学)以及方向盘、刹车踏板、油门踏板、档位、安全带等底盘和车身数据,利用生物识别技术(车舱内主要是人脸识别、声音识别),来综合判断驾驶员(或其他乘员)的生理状态(人像、脸部识别等)和行为状态(驾驶行为、声音、肢体行为),随后根据具体场景推送交互请求。另一方面,车内交互方式从仅有“物理按键交互”升级至“触屏交互”、“语音交互”、“手势交互”并存的状态。此外,多模交互技术通过融合“视觉”、“语音”等模态的感知数据,做到更精准、更智能、更人性化的交互。

智能驾驶辅助系统构成图

座舱电子域控制器领域,采用伟世通 Smart Core 方案的厂家最多,其次就是 Aptiv的 ICC(Integrated Cockpit Controller)方案。其中伟世通的 Smart Core 旨在集成信息娱乐、仪表板、信息显示、HUD、ADAS 和网联系统。据伟世通称,它具有很高的扩展性和网络安全的程度,可实现独立的功能域。而 Aptiv 的集成驾驶舱控制器(Integrated Cockpit Controller,ICC)使用最新的英特尔汽车处理器系列,可支持到四个高清显示器,可扩展,并且可以从入门级覆盖到高端产品。ICC在图形(10x)和计算能力(5x)方面提供了实质性的改进,ICC 使用单芯片中央计算平台驱动多个驾驶舱显示器,包括仪表、HUD 和中央堆栈等。

典型座舱域控制器厂商及其方案和客户

4、自动驾驶域(辅助驾驶)

应用于自动驾驶领域的域控制器能够使车辆具备多传感器融合、定位、路径规划、决策控制的能力,通常需要外接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达等设备,完成的功能包含图像识别、数据处理等。不再需要搭载外设工控机、控制板等多种硬件,并需要匹配核心运算力强的处理器,从而提供自动驾驶不同等级的计算能力的支持,核心主要在于芯片的处理能力,最终目标是能够满足自动驾驶的算力需求,简化设备,大大提高系统的集成度。

算法实现上,自动驾驶汽车通过激光雷达、毫米波雷达、摄像头、GPS、惯导等车载传感器来感知周围环境,通过传感器数据处理及多传感器信息融合,以及适当的工作模型制定相应的策略,进行决策与规划。在规划好路径之后,控制车辆沿着期望的轨迹行驶。域控制器的输入为各项传感器的数据,所进行的算法处理涵盖了感知、决策、控制三个层面,最终将输出传送至执行机构,进行车辆的横纵向控制。

由于要完成大量运算,域控制器一般都要匹配一个核心运算力强的处理器,能够提供自动驾驶不同级别算力的支持,目前业内有 NVIDIA、华为、瑞萨、NXP、TI、Mobileye、赛灵思、地平线等多个方案。但中间也会有一些共性,比如在自动驾驶系统中,算力需求最高的当属图像识别部分,其次是多传感器的数据处理,以及融合决策。以奥地利 TTTech 公司的 zFAS(首次在 2018 款奥迪 A8 上应用)为例, 这款基于德尔福提供的域控制器设计的产品,内部集成了英伟达 Tegra K1 处理器、Mobileye 的 EyeQ3 芯片,各个部分分处理不同的模块。Tegra K1 用于做 4 路环视图像处理,EyeQ3 负责前向识别处理。

在自动驾驶技术快速发展背景下,国内外越来越多的 Tier1 和供应商都开始涉足自动驾驶域控制器。

典型自动驾驶域控制器厂商及相应域控制器性能介绍

5、车身域(车身电子)

随着整车发展,车身控制器越来越多,为了降低控制器成本,降低整车重量,集成化需要把所有的功能器件,从车头的部分、车中间的部分和车尾部的部分如后刹车灯、后位置灯、尾门锁、甚至双撑杆统一连接到一个总的控制器里面。车身域控制器从分散化的功能组合,逐渐过渡到集成所有车身电子的基础驱动、钥匙功能、车灯、车门、车窗等的大控制器。车身域控制系统综合灯光、雨刮洗涤、中控门锁、车窗控制;PEPS 智能钥匙、低频天线、低频天线驱动、电子转向柱锁、IMMO 天线;网关的 CAN、可扩展CANFD 和 FLEXRAY、LIN 网络、以太网接口;TPMS 和无线接收模块等进行总体开发设计。车身域控制器能够集成传统 BCM、PEPS、纹波防夹等功能。从通信角度来看,存在传统架构-混合架构-最终的 Vehicle Computer Platform 的演变过程。这里面通信速度的变化,还有带高功能安全的基础算力的价格降低是关键,未来在基础控制器的电子层面兼容不同的功能慢慢有可能实现。车身域电子系统领域不论是对国外还是国内企业,都尚处于拓荒期或成长初期。国外企业在如 BCM、PEPS、门窗、座椅控制器等单功能产品上有深厚的技术积累,同时各大外国企业的产品线覆盖面较广,为他们做系统集成产品奠定了基础。而大多数国内企业生产的产品相对低端,且产品线单一,要从整个车身域重新布局和定义系统集成的产品就会有相当的难度。

华夏EV网综合整理编辑

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