浅析汽车功能域的关键技术
摘 要：汽车电子产业具备较高的产品附加值和较强的相关产业链协同效应，近年来逐渐成为了继消费电子之后的又一重大产业链。汽车电子电气架构作为汽车整体架构的核心部分，已经从传统的分布式架构向集中式架构进化，而当前的发展重点是汽车各个功能域的集中与融合，同时域控制器和域间互联网络的性能及安全性直接影响了功能域的整体效能。伴随自动驾驶、车联网和新能源产业的发展，汽车功能域的关键技术也将更加的智能化、网联化和电动化。
本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/202212/441141.htm0 引言
汽车电子作为当前国内外汽车市场的核心部分，相关的设计、制造和运维技术都在迅速发展，对应的产业链也相继落地。本文根据当前汽车电子产业的发展状态和市场数据，首先介绍不断进化的汽车电子电气架构和各个功能域，然后具体讲述汽车各个功能域的关键技术，最后从智能化、网联化和电动化三个方面对汽车域的关键技术的发展趋势进行分析。
1 汽车电子电气架构
博世 (Bosch) 在 2015 年提出了业界公认的汽车电子电气架构 (electrical and electronical architecture, EEA) 技术路线，如图 1[2]，其中描绘了未来汽车电子架构的主要特征及可能的实现时间点。
图1 电子电气架构技术路线
EEA 的发展中有两个标志性的重要节点，即域控制器单元 (domain control unit, DCU) 的出现，以及统一的基础软件平台的出现，这两个重要节点意味着 EEA 在本质上的进化。尽管不同车企的解决方案各不相同，其对 EEA 进化的阶段定义也可能有所不同，但 EEA 的整体发展会经历三大阶段：
第 1 阶段：分布式电子电气架构，目前已经实现。根据汽车中不同的功能子系统，利用电子控制单元（electronic control unit, ECU）进行独立的运算和控制，具备独立的总线结构，并且通过中央网关进行交互。
第 2 阶段：域集中式电气架构，2021—2025 年。将各个子系统整合并划分成多个功能域，典型的域划分：
1）动力域 (Power Train)：主要控制车辆的动力总成，优化车辆的动力表现，保证车辆的动力安全。功能包括发动机管理、变速箱管理、电池管理、动力分配管理、节油节电管理等。
2）底盘域 (Chassis)：主要控制车辆的行驶行为和行驶姿态，包括制动系统管理、车传动系统管理、行驶系统管理、转向系统管理、车速传感器管理等。
3）车身域 (Body/Comfort)：主要控制各种车身功能，包括车前灯、车后灯、内饰灯、车门锁、车窗、雨刮器、电动后备箱、智能钥匙、空调、天线、网关通信等。
4）座舱域 (Cockpit/Infotainment)：主要控制车辆智能座舱中各种电子信息系统功能，包括中控系统、车载信息娱乐系统、抬头显示、座椅系统、仪表系统、驾驶行为监测系统、导航系统等。
5）自动驾驶域 (ADAS)：主要实现和控制汽车的自动驾驶功能，具备图像信息的处理和判断能力、导航与路线规划能力等，需要处理感知、决策、控制 3 个层面的算法。
每个域具备一个或多个高算力多核DCU作为主导，多个 ECU 作为辅助，以及独立 CAN 总线，并通过一个以太网主干互联。
第 3 阶段：车辆集中式电子电气架构，未来发展阶段。多域控制器 (multiply domain controller，MDC) 取代部分 DCU，将来自不同功能域的数据整合在同一控制器内进行融合处理，形成车载电脑结构，后续发展将会把车辆的功能和计算任务放置在云端[6]。
目前，EEA 的发展处于第 1 阶段和第 2 阶段并存的状态，其显著特征是：
1）DCU 的出现使 ECU 数量大幅减少，并直接带来成本降低和性能增强。
2）智能传感器和执行器数量增加。
3）软件开始独立于硬件，但并未完全分离。
4）中央网关与各个域之间可通过以太网通讯。
2 汽车功能域的关键技术
汽车电子技术的迅速发展促使汽车各个功能域形成了各自的关键技术，下面分别从自动驾驶域、车身域、座舱域、动力域 4 个变革较大的功能域讲述其关键技术的发展现状。
2.1 自动驾驶域
现阶段自动驾驶域正在从过去的分布式系统架构演变到域集中式架构，传统的 ADAS 系统需要多个独立的 ECU 才能实现，比如车道偏移和交通识别 ECU、前 向碰撞预警 ECU、泊车辅助 ECU 等。当前只需要一个功能强大且集中式的域控制器就能实现以上所有功能，同时系统的软硬件复杂度大大降低，可靠性也得到了提高。自动驾驶域控制器通常需要连接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达等传感器设备，具备多传感器融合、定位、路径规划、决策控制、无线通讯、高速通讯的能力。因此，域控制器一般都要匹配 1 个核心运算力强的处理器，能够提供给自动驾驶不同级别算力的支持[5]。
自动驾驶级别 L1 ～ L5 分别为驾驶人协助、部分自动化、有条件自动化、高级自动化和完全自动化。L1/ L2 级别 ADAS 功能的市场渗透率将快速提升，而 L3/ L4 级别自动驾驶系统仍处于小规模原型测试阶段。中国自动驾驶行业的市场正在蓬勃发展，而其中自主品牌占据绝大部分份额，中低端汽车所配置的 ADAS 功能逐渐增多。L3 级别的高速自动领航 (high way pilot, HWP) 功能和 L4 级别的自动泊车功能 (automated valet parking, AVP) 的市场渗透率也在提升。
2.2 车身域
车内部互联网络和对外通信系统都是车身域的重要组成部分，近年来针对 V2X(Vehicle to X) 的特殊应用场景，新型的通信技术相继被提出。目前国际主流的 V2X 技术有专用短距离通信技术 (dedicated short range communication, DSRC) 和蜂窝通信技术 (cellularvehicle to everything, C-V2X) 两种。其中由 IEEE 制定的 DSRC，是美国政策大力提倡的通信技术；C-V2X 由 3GPP 制定，基于蜂窝网通信技术演进形成。从技术成熟度以及商用节奏上来看，基于 5G 大带宽和低延时特性的 C-V2X 发展前景更为广阔。
C-V2X 标准制定稳步推进，商用规划逐步明确。3GPP 于 2017 年正式发布 LTE-V2XR14 标准，于 2018 年 6 月正式完成支持 LTE-V2X 增强 (LTE-eV2X) R15 标准，同时宣布启动研究支持 5G-V2X 的 R16 标准。5GAA 的 C-V2X 商用部署在从 2020 年开始，目前整个 C-V2X 产业链例如芯片厂商、模组厂商、车厂等都已具备一定规模。
现阶段基于 5G 通信的智慧出行方案中，借助网络切片等技术可提供低至 1 ms 端到端时延和高达 10 Gbps 峰值速率的数据通信。5G 车联网的主要应用场景包括远程遥控驾驶 (tele-operated driving，TOD)、高密度车辆编队行驶以及快速协同变道辅助等。TOD 是指借助 5G 高性能网络的远程驾驶控制系统，通过车内摄像头和传感器将车辆场景传输到操控室，驾驶员远程操控汽车。
2.3 座舱域
座舱智能化的实质是基于汽车驾驶舱中的人机交互场景，将驾驶信息与娱乐信息两个模块进行集成，在提升用户的驾乘体验的同时还要保证用户驾乘的安全性和舒适性。
智能座舱域包括抬头显示 (head up display, HUD)、仪表盘和车载娱乐信息系统 (in-vehicle infotainment, IVI）3 个主要的组成部分。HUD 将 ADAS 和部分导航功能投射到挡风玻璃上，诸如 ACC、行人识别、LDW、路线提示、路口转弯提示、变道提示、剩余电量、可行驶里程等。HUD 将很快会演变为 AR-HUD，成为 L3和 L4阶段的标配。在L3阶段，驾驶员状态监测 (driver status monitor, DMS) 也将成为必备的功能，例如面部识别、眼球追踪、眨眼次数跟踪等将引入机器视觉和深度学习算法。多模态交互技术的蓬勃发展将会极大改变用户与汽车的交互模式。基于语音识别功能的语音交互技术越来越成熟，常用于车内人员与 IVI 系统的交互操作，同时还能通过语音来对驾驶员进行情绪状态分析。
2.4 动力域
目前传统燃油车的动力系统趋于稳定，相比之下新能源汽车的动力系统更能促进汽车电子电气架构的进化。新能源汽车采用非常规的车用燃料作为动力来源，综合了车辆的动力控制和驱动方面的先进技术。
新能源汽车动力系统输出稳定且结构简单，无需变速箱等复杂部件，可以通过电控系统实现对汽车的精确控制。然而新能源电池满电行驶的距离较短，且目前充电速度较慢，充电桩也未完全普及。
新能源汽车的动力系统核心组成：
1）动力电池组
动力电池组是新能源汽车成本最高的部件，主要由电池包 (PACK) 和电池管理系统 (BMS) 组成。电池包组有不同的封装方式，除了要满足续航和动力需求，还需要处理好载流量与发热量的关系、模块之间连接的稳定可靠性、模组间的温差、整包的抗震性、防水性等。
2）电动机
电动机是新能源汽车的心脏，普遍采用的是永磁同步电动机和交流异步电动机，整体而言永磁同步电机重量更轻、结构更简单。动力电池输出的直流电经过逆变器转为交流电送至电动机。
3）电控系统
新能源汽车电控系统在整车中处于核心地位，其中绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）又 是能源变换与传输的核心器件。IGBT 是由双极型三极管（bipolar junction transistor, BJT）和 MOSFET( 绝缘栅型场效应管 ) 组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件 , 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点[1]。
3 汽车功能域关键技术的发展趋势
基于当前汽车各级供应链的市场分布，将从智能化、网联化和电动化 3 个方面来分析未来汽车功能域关键技术的发展趋势[7]。
3.1 智能化
3.1.1车载芯片性能和集成度
车载芯片对算力的提升需求一直是域控制器核心芯片发展的趋势。当前单一的域控制处理器要完成以往数个 ECU 负责的功能，并且要管理和控制所连接的各种传感器与执行器等。比如底盘、动力和车身的域主控处理器，其算力需求大约在 10 000~15 000 DMIPS(Dhrystone Million Instructions Per Second，每秒百万条指令 ) 左右。未来的智能化汽车除了需要具备人车交互功能，也要完成大量对环境的感知工作，因此座舱域和自动驾驶域都需要高性能的 CPU，比如座舱仪表的 CPU 算力约为 50 000 DMIPS 左右，相当于一部高端智能手机的 CPU 算力水平。此外，为了支持高级别的自动驾驶功能，CPU 需要运行很多视觉深度神经网络 (deep neural networks, DNN) 模型算法，进而需要附加上百TOPS(Tera Operations Per Second，每秒万亿次运算)的人工智能(artificial intelligence，AI) 算力。
AI 技术在视觉领域的应用促进了基于视觉的自动驾驶方案形成，而 GPU 芯片更加擅长于处理视觉算法，进而形成了“CPU+GPU”的解决方案，但由于 GPU 成本高且功耗大，因此逐步引入了 FPGA 和 ASIC 芯片。总体来看，单一类型的微处理器都无法满足更 高阶的自动驾驶需求，域控制器中的主控芯片趋向集成“CPU+xPU”的异构式 SoC (xPU 包括 GPU/FPGA/ASIC 等 )，从而更好地支撑各种场景的硬件加速需求。
从功能层面上，域控制器会整合集成越来越多的功能。比如动力域可能把发动机的控制、电机控制、电池管理系统 (battery management system, BMS)、车载充电机的控制集成在一起。为了整合这些功能，域主控处理器 SoC 必须集成尽可能多的接口类型，比如 USB、Ethernet、I2C、SPI、CAN、LIN 以及 FlexRay 等，进而连接和管理各种类型的 ECU、传感器和执行器。
3.1.2 传感器和雷达的集成
当前辅助智能驾驶用的传感器主要分为雷达和摄像头两大类。车载摄像头主要通过采集光学信息和进行算法识别，分辨率较高，成本也比较低，在 L2 和 L3 级智能驾驶中广泛使用，但易受不良天气影响。车载雷达根据性能和工作原理不同，可以分为毫米波雷达、激光雷达和超声波雷达三大类。毫米波雷达主要是通过发射并接收毫米波，根据时间差测算距离，在自适应巡航和自动紧急制动等方面应用较多；超声波雷达技术相对成熟，广泛应用于自动泊车系统；激光雷达主要通过发射激光束来探测目标的位置、速度等特征量，对于距离的探测能力很强。
毫米波雷达主要分为 24 GHz 和（77~79）GHz 两种，其中 24 GHz 毫米波雷达主要用于中短距测量，技术壁垒和成本相对较低，在汽车盲点监测、变道辅助等方面 应用广泛，是市场上的主流毫米波雷达产品。77 GHz 是目前市场上最主要的长距毫米波雷达产品，其探测距离可达 150~250 米，探测精度为 24 GHz 雷达的 3~5 倍，目前主要应用于自动驾驶、前向碰撞预警等，未来随着技术壁垒和成本的降低，有望成为毫米波雷达市场的主流。
由于各类传感器性能优势各不相同，未来多雷达系统和摄像头并用是智能驾驶的必然趋势，用来应对智能驾驶中的复杂的路况和天气条件。同时随着汽车智能化程度的提升，单车传感器数量也将大幅增长。
3.2 网联化
2X 和 ADAS 等应用带来的数据吞吐速率的大幅提升，使得具备大带宽、低时延等优势的车载以太网，成为了车内数据传输的核心技术。车载以太网可利用不同的方式传输车辆数据，既可以是网络接口，也可以是以 1 Gbps 运行的高速、低延迟无线连接，满足了自动驾驶技术演进对于数据带宽和传输时延的高要求。
未来的汽车将如当前的手机终端一样保持网络连接状态，因此如何阻止未经授权的网络访问，以保护汽车免于黑客的攻击，对于智能汽车而言极为重要。下一代硬件安全模块 (hardware security module, HSM) 正在成为下一代车载网络通信的重要基础设施之一，HSM 对于安全车载通信 (secure onboard communication, SecOC) 而言是必不可少的，HSM 能确保所接收到的数据的真实性，防止攻击者绕过相关的安全接口入侵车载网络[4]。
在车联网方面，从单车智能向群体智能和车路协同进阶，使得汽车在当前的简单辅助驾驶功能基础上，逐步具备全方位信息交互和智能决策能力。目前只有通过 5G 网络才能满足自动驾驶技术毫秒级的通信时延和接近 100% 的可靠性，车联网核心元器件为车规级通信模组 ( 单车配备 1 个车规级通信模组 )，L3 级别的车辆使用 5G 车规级通信模组的占比逐年提升，同时车规级通信模组的单价逐年呈现下降趋势，单车使用 2 个通信模组的需求增加[3]。
3.3 电动化
新能源汽车渗透率提升将增加功率半导体需求，传统燃油汽车中功率半导体主要用于低压、低功率领域，而在新能源汽车中电池输出的高电压需要进行频繁的电压变换和电流逆变，大幅提升了 IGBT、MOSFET 等功率半导体器件的需求。汽车电动化程度越高，所需要的功率半导体器件数量越多。根据英飞凌2021 年的统计数据，全插混和纯电池电动车的功率半导体单车价值是传统燃油车的 4.65 倍，新能源电动车渗透率的提升是车用功率半导体行业需求量增长主要的驱动因素。
IGBT 是汽车电动化趋势中的核心领域，其具有开关速度高、开关损耗小、易于驱动的特点，常用于 600 V 以上的大功率装置，在充电桩、智能电网、轨道交通和新能源汽车等领域应用较广。在新能源汽车中，IGBT 主要用于大功率逆变器，将直流电转变为交流电从而驱动汽车电机，以及辅助功率逆变器为车载空调等汽车电子设备供电。随着新能源汽车渗透率逐步提升，预计近几年全球新能源汽车 IGBT 市场规模将呈倍数增长。
4 结束语
汽车电子电气架构的进化，标志着汽车电子产业已经逐步从传统的汽车工业迈向高度集成汽车工业、人工智能产业、新兴通信产业和新能源产业等的新阶段。本文对汽车功能域关键技术的发展现状和未来趋势的进行了全面且具体的表述和分析，为相关技术人员提供一定的技术参考，同时也让更多的人了解汽车电子电气架构的发展现状和面临的挑战。
参考文献：
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[2] 蒋炬卿.功能汽车转变为智能汽车背后:汽车电子电气架构亟待变革[J].时代汽车,2022(7):45-46+49.
[3] 向朝参,李耀宇,冯亮,等.基于深度强化学习的智联网汽车感知任务分配[J].计算机学报,2022,45(5):918-934.
[4] 乔英俊,赵世佳,施敏,等.汽车智能化技术革命及体系构建[J].汽车工程学报,2022,12(3):228-235.
[5] 马和平.智能网联汽车数据安全风险与控制[J].电子元器件与信息技术,2022,6(3):191-121.
[6] 邓戬.智能网联汽车电子电气架构设计与试验研究[D].长春:吉林大学,2021(3).
[7] 邱彬,王芳,刘万祥.中国汽车产业发展趋势分析[J].汽车工业研究,2022(1):2-9.
(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年11月期)
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