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深度详解域控制器!

时间:2020-06-05 05:49:24 栏目:科技

无人驾驶进程中车辆电子电气架构从涣散到集中,催生域把握器

汽车智能网联化带来信息流大量增加,汽车电子电气(EE)架构将迎来升级,如同中国古代历史社会组织组织改变,从诸侯分封-春秋五霸-一统天下,汽车架构从分布式-域集中式-中央角力式逐渐进化,当前正处于分布式向域集中式过渡阶段,从全车100 ECU 到 DCU,把握功能迅速集中,作为“处所割据势力的抉择中心”的域把握器走上历史舞台。

域把握器的以前、现在和未来:ECU-经典五域-中央角力**

ECU 是域把握器的前身,在车辆带动机、变速箱、安然气囊等各底层执行零部件中遍及应用,承担抉择功能,今朝大部门传统车企上都是分布ECU 搭载;往后成长,把握局限更广、算力更强的域把握器庖代了原有较为自力的各 ECU 的抉择功能,以博世经典的五域分类拆分整车为动力域、底盘域、座舱域/智能信息域、自动驾驶域和车身域,五域较为完整的集成了 L3+车型的所有把握功能,在极少数 L3 级别车型上(如长安UNI-T/小鹏 P7 等)进行应用;域把握器再往后成长,以特斯拉 Model 3 为代表的中央角力** Central & Zone Concept 是行业未来趋势。

域把握器财富链拆解

从生产流程来看,汽车电子把握器财富链首要经验了:晶圆生产、(芯片)封装测试及系统应用(MCU 及各类把握器等)。上游核心产品芯片,决意了域把握器的核心角力能力,芯片设计层面首要由国外垄断,晶圆代工和封装测试层面大部门国产化半导体龙头企业具备实力;中游核心产品MCU(国外为主),PCB 板(国产化率较高)、无源器件(必然水平国产化);鄙俗把握器总成厂商首如果全球零部件巨头企业领先,近年来国内部门上市公司和初创企业逐渐实现了产品研发和订单斩获。

风险提醒:L3 普及风险、汽车销量下行风险。

域把握器带来软硬件时机

作为车身区域性“大脑”,DCU  向上领受来自传感器端的旗子,向下发

送抉择信息给执行系统。DCU 的普及,将带来硬件和软件的一系列投资时机。软件方面包括多融合传感器算法、标准化软件架构 AUTOSAR、系统安然 ASIL 升级、车内以太网应用、整车OTA 升级等等,或将带来一系列聚焦算法、安然等角力机和通信企业的成长时机。硬件方面介绍上游芯片制造工序端的中芯国际(国外组笼盖)、封测龙头长电科技(电子组笼盖);中游PCB 沪电股份、景旺电子(均电子组笼盖);鄙俗把握器总成企业德赛西威、科博达;执行端伯特利和星宇股份

域把握器的背景

无人驾驶是大势所趋

要懂得今朝的无人驾驶(智能汽车),离不开以下一个公式:出行需求=总量*里程

左边,出行需求=人数*人均出行里程。

右边第一项,总量=公众交通对象+私人交通对象。

右边第二项,里程=时间*速度。

需求方面,跟着国内城市化和现代商业化的成长,一方面提高了城市生齿,一方面城市半径络续提升(首要城市半径>25km),居民的生活工作出行距离增加,等式左边的出行需求是快速增加的。

出行需求的增加必将要求总量和使用效率的提升。公众交通对象方面,公交和地铁等领域存在短板,2017 年中国地铁运行线路总长度为 3881.77 公里,与美国仍有较大差距(重铁+轻铁,5799 公里)。同时首要城市每万人拥有的公众出租汽车数量呈下降趋势。私人交通对象方面,截止 2019 岁尾,全国天真车保有量达3.48 亿辆,个中汽车保有量达 2.6 亿辆,千人保有量达170 辆,受限于道路和泊车场等地皮要素的欠缺,城市保有量增进存在瓶颈。

国内居民的出行需乞降供给方存在着缺口,这种缺口部门水平削弱了居民的出行品质,造成拥堵的路上交通和地铁。若何提高现有资源的使用效率是解决出行矛盾的关键。智能驾驶和共享出行就是谋求提升资源使用率的供给端革命(我们在 18 年 12 月发布了共享出行行业专题-《共享汽车,非成熟前提下的模式探讨》19 7 月发布了智能驾驶行业专题-ADAS+车联网,无人驾驶之路》20 年 3 月发布了华为汽车行业专题-《华为汽车生意现状、竞争式子和财富链时机》。凭证华为智能汽车解决方案的拆解,未来的智能驾驶财富链将从云-端三大层面带来全财富链时机。本篇域把握器深度申报就是从“端”的层面临其细分核心抉择部件进行理会。

无人驾驶催生财富链新时机

无人驾驶实现需要四步走。我们认为无人驾驶从应用层面可以分为四个阶段,阶段1 是资讯被动侦测期,该阶段首要应用于车载资讯处事;阶段是资讯互动交流期,也就是当前所处阶段,该阶段首要应用于 ADAS 等;阶段 是资讯主动传达期,该阶段首要应用为 V2VV2I,融合传感器手艺实现车路协同;阶段 就是最终无人驾驶期,无人驾驶背景下车辆运营效率有望大幅提升,该阶段的典型应用就是共享汽车。

无人驾驶进程中的车辆架构发生较大改变—— EE(电子电气)到角力+通信。实现汽车软件义、持续创造价钱。传统电子电气架构中,车辆首要由硬定义,采用分布式的把握单元,专用传感器、专用 ECU 及算法,资源协同性不高,有必然水平的虚耗;角力+通信架构中,旨在实现软件定义车,域把握器在这里施展首要浸染,经由域把握器的整合,涣散的车辆硬件之间可以实现信息互联互通和资源共享,软件可升级,硬件和传感器可以更和谐进行功能扩展

无人驾驶进程中车辆电子电气架构从分布到集中

汽车电子电气架构奠定车辆底层框架。汽车电子电气架构(Electronic and Electrical Architecture,文中简称 EEA)是由车企所定义的一套整合体式,是一个偏宏观的概念,相同于人体组织和建筑工程图纸,也就是搭了一副骨架, 需要各类器官血液神经来填充,使其具有生命力。具体到汽车上来说, EEA 把汽车中的各类传感器、ECU(电子把握单元)、线束拓扑和电子电气分配系统完美地整合在一路,完成运算、动力和能量的分配,实现整车的各项智能化功能。

无人驾驶进程中的车辆架构从分布向集中成长。全球零部件龙头企业博世曾经 将汽车电子电气架构划分为三个大阶段:分布式电子电气架构-【跨】域集中电 子电气架构-车辆集中电子电气架构,三个大阶段之中又拜别包含两大成长节点,
一共六个成长节点,细化了电子电气架构将从分布式向车辆集中式演变的过程。陪同汽车自动化水平从 L0-L5 逐级提升,今朝大部门的传统车企电子电气架构处在从分布式向【跨】域集中过渡的阶段。分布式的电子电气架构首要用在L0-L2 级别车型,此时车辆首要由硬件定义,采用分布式的把握单元,专用传感器、专用 ECU 及算法,资源协同性不高,有必然水平的虚耗;从 L3 级别起头,【跨】域集中电子电气架构走向舞台,域把握器在这里施展首要浸染,经由域把握器的整合,涣散的车辆硬件之间可以实现信息互联互通和资源共享,软件可升级, 硬件和传感器可以更和谐进行功能扩展;再往后成长,以特斯拉 Model 3 领衔斥地的集中式电子电气架构根本达到了车辆最终幻想——也就是车载电脑级其余中央把握架构
车辆自动驾驶级别首要参照 0-5 级分类。今朝全球公认的汽车自动驾驶手艺分级标准首要有两个,拜别是由美国高速公路安然治理局(NHTSA)和国际自动机工程
师学会(SAE提出。中国于 2020 年参考 SAE 的 0-5 级的分级框架发布了中国版《汽车驾驶自动化分级》,并连络中国当前实际景遇进行了部门调整,大体上也  将自动驾驶分为 0-5 
L3 级别是汽车自动化道路的一次跃升。从律例和手艺两个维度来看,L3 级别自动驾驶都是汽车自动化道路上的一大跃升。从律例来看,SAE 和中国《汽车自动化分级》规定 L0-L2 级别均是人类主导驾驶,车辆只做辅助,L0L1 和 L2 之间的不同首要在于搭载的 ADAS 功能的若干,而 L3 起头,人类在驾驶把握中的浸染快速下降,车辆自动驾驶系统在前提许可下可以完成所有驾驶把握(浸染不亚于驾驶员),驾驶员在系统失效或许跨越设计运行前提时对故障汽车进行接管;从手艺来看,L0-L2 首要运用的传感器有摄像头、超声波雷达和毫米波雷达,L3 及之后原有传感器配套数量上升,同时高成本的激光雷达方案难以避开,传感器之间的协同要求提升,多传感器融合算法愈发复杂,所需把握器芯片算力大幅提升

2020 年是 L3 级别车型量产年。奥迪 A8 是最早实现搭载了 L3 级别硬件的量产车型,虽然因为司法监管的约束 A8 始终无法向消费者实现 L3 级别功能落地,但其2017 年推出的 摄像头+12 超声波雷达+4 毫米波雷达+1 激光雷达的量产硬件方案,始终是行业的前驱者之一。奥迪之后,全球多数车企纷纷规划在 2020-2021 年起头正式量产 L3 级别车型,如宝马 iNEXT、飞跃全新 S/C 级等车型

中国的 L3 量产自 2020 年长安发布的UNI-T 车型始,2020 年是我国 L3 级别车型的量产年,将先后迎来小鹏 P7、长安 UNI-T、北汽新能源 ARCFOX ECF Concept广汽新能源 Aion LX、奇点 iS6 L3 级别车型的上市
域把握器自 L3 始进入市场。因为 L3 级别人车共驾带来的传感器数量和融合算法的增加,现有遍及使用的传统分布式电子电气架构面临 ECU 数量增加冗余成本提升、传感器数据耦合难题、布线复杂度提升、线束成本提升等问题,难以撑持车辆L3 功能的实现,【跨】域集中的电子电气架构自 L3 起进入舞台。该架构下的核心处理模块——域把握器起头进入市场。接下来的篇幅我们将围绕域把握器的定义、浸染、事理、分类、组织以及财富链进行展开

域把握器的分类——经典的五域划分

核心:以博世经典的五域分类拆分整车为动力域(安然、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 这五大域把握模块较为完整的集成了L3 及以上级别自动驾驶车辆的所有把握功能。

1、动力域(安然)动力域把握器是一种智能化的动力总成治理单元,借助 CAN/FLEXRAY 实现变速器治理、引擎治理、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、电念头\发电机、电池、变速箱)角力和分配扭矩、经由预判驾驶策略实现 CO2 减排、通信网关等,首要用于动力总成的优化与把握,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:
  • 以 Aurix 2G387/397)为核心的智能动力域把握器软硬件**,对动力域内子把握器进行功能整合,集成 ECU 的根本功能,集成面向动力域协同优化的 VCU, InverterTCUBMS DCDC 等高级的域层次算法。

  • 以 ASIL-C 安然等级为方针,具备SOTA,信息安然,通信治理等功能。

  • 撑持的通信类型包括 CAN/CAN-FDGigabit Ethernet 并对通信供给 SHA-256加密算法撑持。

  • 面向 CPU\GPU 成长,需要撑持 Adapative Autosar 情形,主频需要提高到2G,撑持 Linux 系统,今朝撑持 POSIX 标准接口的把握系统。

2020 年 月 16 日,由合众汽车工程研究院副院长邓晓光率领团队斥地的动力域把握器搭载哪吒汽车成功,并成功一次经由搭载车辆测试,标记住合众 PDCSPowertrain Domain Control System动力域把握器正式进入量产应用阶段。合众动力域把握器系统采用英飞凌(Infineon)多核处理器 200MHz 主频,具备DSP 数字旗子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然,按照 ASIL C 功能安然等级斥地,仅次于飞机的 级,有效保证用户出行安然。模型斥地,每一步可验证, 软件失效率低于 0.3%,兼具 AUTOSAR 架构+MBD 建模与把握,有效提高软件靠得住性。可实时监控电控系统,智能协调及监控动力输出,提升驾控机能及安然。同时珍爱电池安然,凭证系统需求,同步优化能量分配、增加续航里程

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、转向系统和制动系总配合构    。传动系统负责把带动机的动力传给驱动轮,可以分为机械式、液力式和电力等,个中机械式传动系统首要由离合器、变速器、万向传动装配和驱动桥组成、液力式传动系统首要由液力变矩器、自动变速器、万向传动装配和驱动桥组成;行驶系统把汽车各个部门连成一个整体并对全车起支承浸染,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必然的与汽车行驶倾向相反的外力,对汽车进行必然水平的强制制动,其功用是减速泊车、驻车制动。

智能化鼓动线控底盘成长。跟着汽车智能化成长,智能汽车的感常识别、抉择规划、 把握执行三个核心系统中,与汽车零部件行业最切近的是把握执行端,也就是驱动把握、转向把握、制动把握等,需要对传统汽车的底盘进行线控刷新以适用于自动驾驶。线控底盘首要有五大系统,拜别为线控转向、线把握动、线控换挡、线控油门、线控吊挂,线控转向和线把握动是面向自动驾驶执行端倾向最核心的产品,其 中又以制着手艺难度更高。

(1) 线把握动是未来汽车制动系统的成长趋势。汽车制动系统经验了从机械到液压再到电子(ABS/ESC)的成长过程,未来将向线把握动倾向成长。L2 时代的线把握动可以分为燃油车、混动、纯电三大类,燃油车根本都采用 ESP(ESC)做线把握动。混动车根本都采用高压蓄能器为核心的间接型EHB(电液压制动)。纯电车根本都采用直接型 EHB,以电机直接鼓动主缸活塞。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,而线把握动执行信息由电旗子传递,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。

线把握动系统可以分为液压式线把握动 EHB、机械式线把握动 EMB 两种类型EHB 系统因为具有备用制动系统,安然性较高,是以接管度更高,是今朝首要推广量产的方案。因为穷困备用制动系统且穷困手艺撑持,短期内很难多量量应用,是未来成长的倾向。

线把握动是汽车手艺门槛较高的领域,全球首要的线把握动厂家是博世、大陆、 采埃孚等零部件企业。EHB 国外厂商手艺成长已经对照成熟,但严峻意义讲还不适应于 L4 自动驾驶,国内此项手艺在起劲追赶;EMB 还处在研究阶段,今朝看较难有打破。个中,博世的 iBooster 是典型的直接型 EHBiBooster 常日与 ESP 套使用,ESP iBooster 失效时顶上。不过因为 ESP 也是一套电液压系统,也有或许失效,且 ESP 在设计之初只是为 AEB 类紧要制动场景设计的,不克做常规制动,所以博世在第二代 iBooster 推出后,着手针对 L3 和 L4 设计了一套线把握动系统,这就是 IPB+RBU
(2) 智能化的成长催促线控转向的发生。转向系统从最初的机械式转向系统(MS)成长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)。今朝乘用车上以EPS 为主流,商用车以HPS 为主流,EHPS 在大型 SUV 上对照常见,其余领域对照少见。智能化的趋势下,L3 以上等级智能汽车要求部门或全程会脱离驾驶员的操控,对于转向系统把握准确度、靠得住性要求更高高,催促线控转向Steering By WireSBW的发生。线控转向SBW系统是指,在驾驶员输入接口(倾向盘)和执行机构(转向轮)之间是经由线控(电子旗子)连结的,即在它们之间没有直接的液力或机械连结。线控转向系统是经由给助力电机发送电旗子指令,从而实现对转向系统进行把握。SBWsteering by wire)的成长与 EPS 一脉相承,其系统相对于EPS 需要有冗余功能。今朝SBW 系统有两种体式:1)作废倾向盘与转向执行机构的机械连结,经由多个电机和把握器来增加系统的冗余度;2在倾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

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, 个中**厂家多以邃密轴承起身,向鄙俗拓展到 EPS 领域;美国厂家则是 tier 1厂家,横向扩展到 EPS 领域;欧洲厂家相同美国厂家,然则在上游的邃密机械加工领域远比美国要强。对比之下国内企业首要有三家,包括株洲易力达、湖北恒隆和浙江世宝,然则规模都对照小,手艺较落伍
线控转向系统(SBW因为手艺、资源、安然等各方面的要求高,手艺根本把握在国外的零部件巨头手中,进入壁垒非常高。今朝联创电子、浙江万达等国内企业起头涉足 SBW 领域,国内企业未来有望斥地 SBW 新生意
3座舱域/智能信息域(娱乐信息)传统座舱域是由几个涣散子系统或零丁模块组成,这种架构无法撑持多屏联动、多屏驾驶等复杂电子座舱功能,是以催生出座舱域把握器这种域集中式的角力**。智能座舱的构成首要包括全液晶仪表、大屏中控系统、车载信息娱乐系统、举头浮现系统、流媒体后视镜等,核心把握部件是域把握器。座舱域把握器DCU过以太网/MOST/CAN,实现举头浮现、仪表盘、导航等部件的融合,不单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首要包括感知层、抉择层和执行层三大核心部门。感知层首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,车辆自身运动信息首要经由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。而经由座舱域把握器,可以实现自力感知交互体式升级一方     面,车辆具有感知人的能力。智能座舱系统经由自力感知层,能够拿到充足的感知数据,例如车内视觉(光学)、语音(声学)以及倾向盘、刹车踏板、油门踏板、档位、安然带等底盘和车身数据,行使生物识别手艺(车舱内首如果人脸识别、声音识别),来综合判断驾驶员(或其他乘员)的生理状况(人像、脸部识别等)和行为状况(驾驶行为、声音、肢体行为),随后凭证具体场景推送交互请求。另一方面,车内交互体式从仅有物理按键交互升级至触屏交互语音交互 势交互并存的状况。此外,多模交互手艺经由融合视觉语音等模态的感知数据,做到更精准、更智能、更人道化的交互
座舱电子域把握器领域,采用伟世通 Smart Core 方案的厂家最多,其次就是AptivICCIntegrated Cockpit Controller)方案。个中伟世通的 Smart Core 旨在集成信息娱乐、仪表板、信息浮现、HUDADAS 和网关系统。据伟世通称,它具有很高的扩展性和收集安然的水平,可实现自力的功能域。而Aptiv 的集成驾驶舱把握器Integrated Cockpit ControllerICC使用最新的英特尔汽车处理器系列,可撑持到四个高清浮现器,可扩展,并且可以从入门级笼盖到高端产品。ICC 在图形(10x)和角力能力(5x)方面供给了实质性的改善,ICC 使用单芯片中央角力**驱动多个驾驶舱浮现器,包括仪表、HUD 和中央客栈等

4、自动驾驶域(辅助驾驶)应用于自动驾驶领域的域把握器能够使车辆具备多传感器融合、定位、路径规划、抉择把握的能力,常日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、把握板等多种硬件,并需要成家核心运算力强的处理器,从而供给自动驾驶不合等级的角力能力的撑持,核心首要在于芯片的处理能力,最终方针是能够知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,自动驾驶汽车经由激光雷达、毫米波雷达、摄像头、GPS、惯导等车载传感器来感知周围情形,经由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订响应的策略,进行抉择与规划。在规划好路径之后,把握车辆沿着希望的轨迹行驶。域把握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、抉择、把握三个层面,最终将输出传送至执行机构,进行车辆的横 纵向把握。因为要完成大量运算,域把握器一般都要成家一个核心运算力强的处理器,能够供给自动驾驶不合级别算力的撑持,今朝业内有 NVIDIA、华为、瑞萨、NXPTIMobileye、赛灵思、地平线等多个方案。但中央也会有一些共性,比如在自动驾驶系统中,算力需求最高的当属图像识别部门,其次是多传感器的数据处理,以及融合抉择。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供给的域把握器设计的产品,内部集成了英伟达 Tegra K1 处理器、Mobileye EyeQ3 芯片,各个部门分处理不合的模块。Tegra K1 用于做路环视图像处理,EyeQ3 负责前向识别处理。在自动驾驶手艺快速成长背景下,国内外越来越多的Tier1 和供给商都起头涉足自动驾驶域把握器

5、车身域(车身电子)跟着整车成长,车身把握器越来越多,为了降低把握器成本,降低整车重量,集成化需要把所有的功能器件,从车头的部门、车中央的部门和车尾部的部门如后刹车灯、后位置灯、尾门锁、甚至双撑杆统一连接到一个总的把握器里面。车身域把握器从涣散化的功能组合,逐渐过渡到集成所有车身电子的底细驱动、钥匙功能、 车灯、车门、车窗等的大把握器。车身域把握系统综合灯光、雨刮洗涤、中控门锁、车窗把握;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 FLEXRAYLIN 收集、以太网接口;TPMS 和无线领受模块等进行总体斥地设计。车身域把握器能够集成传统 BCMPEPS、纹波防夹等功能。从通信角度来看,存在传统架构-同化架构-最终的 Vehicle Computer Platform 的演变过程。这里面通信速度的改变,还有带高功能安然的底细算力的代价降低是关键,未来在底细把握器的电子层面兼容不合的功能慢慢有或许实现。车身域电子系管辖域不论是对国外照样国内企业,都尚处于垦荒期或成长初期。 国外企业在如 BCMPEPS、门窗、座椅把握器等单功能产品上有深挚的手艺储蓄,同时各大外国企业的产品线笼盖面较广,为他们做系统集成产品奠定了底细。而大多数国内企业生产的产品相对低端,且产品线单一,要从整个车身域从新构造和定义系统集成的产品就会有相当的难度。
起原 | 国信证券

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