汽车EE架构分析报告.docx
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汽车EE架构分析报告
汽车EE架构分析报告
2020年6月
内容目录
1.汽车E/E架构是软件定义汽车的关键..........................................................................................4
1.1.硬件架构升级:
分布式向域控制/中央集中式发展...........................................................4
1.1.1.硬件架构如何升级?
...................................................................................................4
1.1.2.硬件架构升级有何好处?
...........................................................................................6
1.2.软件架构升级:
软硬件由高度耦合向分层解耦发展.........................................................7
1.2.1.软件架构如何升级?
...................................................................................................7
1.2.2.软件架构升级有何好处?
...........................................................................................9
1.3.通信架构升级:
LIN/CAN向以太网发展...........................................................................9
1.3.1.通信架构如何升级?
...................................................................................................9
1.3.2.通信架构升级有何好处?
.........................................................................................11
2.谁是E/E架构升级中的优等生?
................................................................................................12
2.1.特斯拉E/E架构升级情况如何?
.......................................................................................12
2.2.其他玩家E/E架构升级如何?
...........................................................................................14
3.谁能在此次变革中把握先机?
....................................................................................................16
3.1.德赛西威...............................................................................................................................16
3.2.中科创达...............................................................................................................................17
3.3.四维图新...............................................................................................................................17
3.4.伯特利...................................................................................................................................18
3.5.星宇股份...............................................................................................................................18
3.6.科博达...................................................................................................................................19
3.7.均胜电子...............................................................................................................................19
3.8.中国汽研...............................................................................................................................19
4.分析提示........................................................................................................................................20
2/21
图表目录
图1:
由控制指令运算为主的分布式ECU向AI运算的中央计算平台发展................................4
图2:
博世E/E架构升级进程.............................................................................................................5
图3:
同等功能应用条件下域控制算力设计需求更少.....................................................................6
图4:
AutoSAR核心合作伙伴............................................................................................................8
图5:
ClassicAutoSAR体系架构......................................................................................................8
图6:
ClassicAutoSAR架构框图......................................................................................................8
图7:
AdaptiveAutoSAR较ClassicAutoSAR优势明显..................................................................9
图8:
各域之间通过网关完成数据交换...........................................................................................10
图9:
未来车载以太网应用渗透率持续增加...................................................................................11
图10:
车载以太网的发展过程.........................................................................................................11
图11:
Model3网络拓扑图(2020年2月).................................................................................12
图12:
Model3控制器主要负责单元..............................................................................................13
图13:
特斯拉E/E架构技术领先.....................................................................................................14
图14:
宝马下一代E/E架构.............................................................................................................15
图15:
丰田采用Central&Zone的E/E架构.................................................................................15
图16:
安波福SVA架构...................................................................................................................15
图17:
华为基于计算和通信的CC架构.........................................................................................15
表1:
传统汽车总线...........................................................................................................................10
表2:
主要企业E/E架构方案对比...................................................................................................15
3/21
1.汽车E/E架构是软件定义汽车的关键
汽车电子电气架构(又称E/E架构)是指整车电子电气系统的总布置方案,即将汽
车里的各类传感器、处理器、线束连接、电子电气分配系统和软硬件整合在一起,以实
现整车的功能、运算、动力及能量的分配。
电子电气架构的关键变化主要体现在硬件架
构、软件架构、通信架构三个方面。
1.1.硬件架构升级:
分布式向域控制/中央集中式发展
1.1.1.硬件架构如何升级?
智能网联化进程驱动AI算力需求呈现指数级提升趋势。
AI算力常指针对矩阵运算
做加速的能力,对应用于图像、视频等非结构化数据的运算处理的情况下,单位功耗将
更低,计算速度更快。
传统汽车功能简单,与外界交互较少,常为分布式ECU,其芯片
采用MCU/MPU,主要为控制指令运算(约为百万条指令每秒)、无AI运算能力、存储
较小;智能网联汽车,不仅需要与人实现交互,也需要大量与外界环境甚至云数据中心
交互,将面临海量的非结构化数据需要处理,车终端中央计算平台将需要500+百万条指
令每秒的控制指令运算能力、300+TOPS(即为300*1012次每秒)的AI算力。
图1:
由控制指令运算为主的分布式ECU向AI运算的中央计算平台发展
数据来源:
博世,佐思车研,
由分布式ECU向域控制/中央集中架构方向发展。
从博世对E/E架构定义来看,汽
车E/E架构的升级路径表现为分布式(模块化→集成化)、域集中(域控制集中→跨域融
合)、中央集中式(车载电脑→车-云计算)。
即为分布式ECU(每个功能对应一个ECU)
逐渐模块化、集成向域控制器(一般按照动力域、底盘域、车身域、信息娱乐域和ADAS
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域等),然后部分域开始跨域融合发展(如底盘和动力域功能安全、信息安全相似),并
发展整合为中央计算平台(即一个电脑),最后向云计算和车端计算(中央计算平台)发
展。
其中车端计算主要用于车内部的实时处理,而云计算作为车端计算的补充,为智能
汽车提供非实时性(如座舱部分场景可允许微秒级别的延迟)的数据交互和运算处理。
图2:
博世E/E架构升级进程
数据来源:
博世,绘制
现阶段各主机厂规划的三种E/E架构分别为功能域(5~7个域)、跨域融合(约3个
域)、中央计算平台+区控制器,主要区别在于:
1)功能域控制方案(即一般车中分为5~7个域,每个域中,域控制器即为最高决
策层)。
基于每个功能域设置一个域控制器,域控制器之间通过以太网关进行连接。
但
功能域方案,嵌入式控制器仍作为执行器和传感器的处理器存在于E/E架构中,但其软
硬件接口需要被标准化,可通过规模化来实现降低成本。
域控制器可分为性能型和集成
型两类。
a)性能型域控制器:
主要是指信息娱乐域和自动驾驶域的控制器,因其需要处
理大量的非结构化数据,需要强大的AI算力。
由于该部分处理数据庞大,域控制方式
相对于分布式架构,实现相同性能情况下可降低成本。
b)集成型域控制器:
主要是指
动力总成域、底盘域和车身域的控制器,因其主要涉及通用的控制指令计算和通讯资源,
ClassicAutoSAR软件架构,对算力总需求较低。
2)跨域融合方案(即车中部分域开始融合成约3个域,代表如华为/大众方案,域
控制器仍为最高决策层)。
为进一步提升性能、满足协同执行,又减少成本,跨域融合集
中化方案应运而生,即将两个或多个集成型域控制器合并为一个的方案。
随着智能驾驶
进一步演进,L2开始逐步要求执行机构协同操作,前期主要为动力总成域和底盘域的协
同控制,而且其功能安全、信息安全级别类似,可合并为一个域控制器,来实现协同操
作。
域融合可以降低成本,但各域之间功能安全、信息安全较大时,很难找到有效的方
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案以避免相互干扰。
3)基于中央计算平台+区控制器方案(即车中只有一个中央计算平台,代表如特斯
拉方案,该计算平台为最高决策层,而区控制器受中央计算平台统一管理,有利于协同
各域统一执行)。
中央计算平台+区控制器方案,满足集中化需求,尽量平衡成本。
区控
制器是以物理区域来定义的控制器,典型代表如特斯拉。
硬件成本降低主要体现在:
1)
区控制器可就近布线,减少线束成本;2)分布式控制器集成,减少通信接口等。
适合整
合为区控制器的功能主要为简单逻辑和非实时性要求功能(如电源分配、车身控制、热
管理和空调管理等);而复杂逻辑及实时性要求较高的功能(如发动机管理、电机控制
等)尚不适合整合。
1.1.2.硬件架构升级有何好处?
1)硬件架构升级有利于提升算力利用率,减少算力设计总需求。
一般芯片在参数
设计时按照需求值设计并留有余量,以保证算力冗余,主要因为汽车在实际运行过程中,
大部分时间仅部分芯片执行运算工作,而且并未满负荷运算,导致对于整车大部分运算
处理能力处于闲置中,算力有效利用率较低。
例如泊车使用的倒车影像等仅泊车等部分
时段才执行运算操作。
采用域控制器方式,可以在综合情况下,设计较低的总算力,仍
能保证整车在工作时总算力满足设计要求。
图3:
同等功能应用条件下域控制算力设计需求更少
数据来源:
绘制
硬件架构对算力的需求,可类比保险。
若个人想要抵御风险,需要大量资金储备,
因此大家都购买保险,将汇集在一起的保险资金资源池来抵御个人风险,总资金量需求
大大降低。
分布式架构的芯片即为个人抵御风险储备,而域控制/中央计算平台即为总资
金量,域控制/中央集中式显然算力设计需求会更少。
另一方面现阶段传统车的智能功能并不丰富,智能车在未来功能扩展等方面预留较
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多升级空间,若实现同功能应用、驾驶安全条件下进行对比,域控制/中央集中显然更经
济;若仅为传统车和智能车对比,智能车单车价值短期内显然为上升的。
2)硬件架构升级有利于数据统一交互,实现整车功能协同。
传统主机厂方案采用
一个功能对应一套感知-决策-执行硬件,感知数据难以交互,也无法协同执行。
而实现
真正意义上的高级自动驾驶,不仅需要多传感器共同感知外部环境,还需要对车内部各
运行数据进行实时监控,统一综合判断,并且执行机构协同操作。
域控制器/中央计算平
台可对采集的数据信息统一处理,综合决策,协同执行。
分布式架构的感知数据无法统一决策处理,无异于盲人摸象。
例如,因单一传感器
仅可识别到局部环境,前方车上有一只宠物狗,各局部识别能力的传感器可获取到狗、
前车、路肩等,但因为无法实时交互,从而反馈到决策-执行层后易产生误操作。
而采用
域控制/中央计算平台方案可实现多种信息的融合处理,综合判断结果为一辆行驶在路
上的车内有一只狗,从而执行合理的操作,提高行车安全性。
3)硬件架构升级有利于缩短线束,降低故障率,减轻质量。
采用分布式架构,ECU
增多后线束会更长,错综复杂的线束布置会导致互相电磁干扰,故障率提升,此外也意
味着更重。
集中式的控制器/中央计算平台的方式可减少线束长度,减轻整车质量。
1.2.软件架构升级:
软硬件由高度耦合向分层解耦发展
1.2.1.软件架构如何升级?
传统汽车嵌入式软件与硬件高度耦合,因此软件依赖于硬件。
在发展早期阶段,受
限于硬件资源匮乏,各类硬件种类繁多且各自具有差异性,因此最初的软件设计开发较
为封闭。
随着汽车电子应用需求日趋复杂,传统汽车软件系统的缺陷逐渐暴露,包括:
1)软件重用性极差;2)硬件平台各式各样,难以统一、重用;3)软件模块化极其有限。
例如,若OEM想要改变硬件,则需要重新测试验证整个软件堆栈。
软件架构分层解耦,促使软件通用性,便于管理供应商。
AutoSAR可提供标准的
ECU接口定义,模块化设计、从而使软件层和组件不受硬件影响,实现软硬件设计分离,
从而使软件开发易管理,软件系统易移植、裁剪,也更易维护。
2003年,促进ECU软
件标准化的AutoSAR联盟成立,其联盟主导者是以主机厂/传统Tier1级供应商为核心
的阵营。
截止目前,联盟成员中核心成员有9家,包括OEM(宝马、戴姆勒、福特、通
用、标致雪铁龙、丰田、大众)、传统Tier1(博世、大陆)。
高级合作伙伴共有58家,如
华为、XX、长城、沃尔沃等都在发展伙伴的行列。
此外还有发展伙伴、合作伙伴、参
会者等。
AutoSAR联盟的设立是为了主机厂与各级供应商建立软件接口统一标准,更
好的区分供应商之间的责任,便于主机厂/强Tier1供应商管理整个供应链。
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图4:
AutoSAR核心合作伙伴
数据来源:
AutoSAR官网,
软件架构逐渐由ClassicAutoSAR向ClassicAutoSAR+AdaptiveAutoSAR混合式
方向发展。
AutoSAR软件架构主要分为ClassicAutoSAR和AdaptiveAutoSAR两类,
ClassicAutoSAR较为成熟,广泛应用于传统汽车嵌入式软件中,AdaptiveAutoSAR尚处
于发展初期,主要面向更复杂的域控制器/中央计算平台等。
ClassicAutoSAR基础软件分为四层,分别为服务层、ECU抽象层、微控制器抽象
层和运行时环境,运行时环境使应用软件从底层软件和硬件平台相互独立。
除此之外还
包括复杂驱动程序,由于对复杂传感器和执行器进行操作的模块涉及严格的时序问题,
这部分暂时未被标准化。
图5:
ClassicAutoSAR体系架构
图6:
ClassicAutoSAR架构框图
数据来源:
CNDS,
数据来源:
CNDS,
AdaptiveAutoSAR相较于ClassicAutoSAR具有软实时、可在线升级、操作系统
可移植等优势。
ClassicAutoSAR是基于强实时性(微秒级)的嵌入式操作系统上开发出
来的软件架构,可满足传统汽车定制化的功能需求,但受网络的延迟、干扰影响较大,
无法满足强实时性。
随着自动驾驶、车联网等应用的复杂化,软实时性的软件架构系统
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AdaptiveAutoSAR诞生,其主要用于域控制器/中央计算平台,相对于ClassicAutoSAR
的优点:
1)为软实时系统,偶尔超时也不会造成灾难性后果;2)更适用于多核动态操
作系统的高资源环境,如QNX;3)软件功能可灵活在线升级。
图7:
AdaptiveAutoSAR较ClassicAutoSAR优势明显
数据来源:
CNDS,绘制
1.2.2.软件架构升级有何好处?
1)软件架构升级有利于软硬件解耦分层,利于实现软件/固件在线升级、软件架构
的软实时、操作系统可移植。
传统汽车嵌入式软件与硬件高度耦合,为应对越来越复杂
的自动驾驶应用和功能安全需要,以AutoSAR为代表的软件架构提供接口标准化定义,
模块化设计,促使软件通用性,实现软件架构的软实时、在线升级、操作系统可移植等。
2)软件架构升级有利于采集数据信息多功能应用,有效减少硬件需求量,真正实
现软件定义汽车。
若未实现软硬件解耦,一般情况下增加一个应用功能则需要单独增加
一套硬件装置,采集的数据信息仅一个应用功能可以利用。
现阶段,自动
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