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电动汽车行驶区域控制器关键技术及挑战

11/21 09:38 作者:盖世汽车
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汽车功能智能化、集成化、平台化的发展趋势离不开软件,但软件定义汽车不是汽车发展的终结,也不是汽车发展的开始,今后数据定义汽车将成为重要的行业形态。在此过程中,主机厂的核心能力从硬件逐渐向软件能力切换,产业链从垂直式结构变为平铺化、多维度、多角度合作的方式。

2022年11月15日,由盖世汽车主办,上海虹桥国际中央商务区管委会、上海闵行区人民政府指导,上海南虹桥投资开发(集团)有限公司协办的2022第二届智能汽车域控制器创新峰会上,极氪汽车域控制器开发总工窦国伟表示,在总体开发思路上,开发流程、软硬件架构的定义都可继承传统的开发思路,最大的区别在于系统的复杂度达到了前所未有的高度。

窦国伟 | 极氪汽车域控制器开发总工

以下是演讲内容整理:

今天给大家分享一下电动汽车行驶区域控制器的开发技术以及挑战。我的分享包括三方面:第一,行业内区域控制器的技术和趋势;第二,极氪汽车在区域控制器的落地方案;第三,区域控制器当前面临的问题以及对应挑战的一些措施。

行业内区域控制器的技术和趋势

 

首先,从行业角度来分析,目前,汽车作为中国的主要行业方向,它现在有三个发展趋势,第一,动力系统角度,从内燃机转向纯电系统;第二,控制系统角度,从集中分布式到集中式;第三,整车角度,从一个封闭系统变成开放式平台架构。

综合三个角度来讲,其实是将汽车的属性进行了广泛的内外延扩展,从传统汽车交通工具的属性变成现在汽车第三生活空间的属性,到未来汽车人车一体的属性。在这样一个大变局下,作为主机厂,我们现在也有了一个认识,那就是要对当前的变革趋势进行精准识别,和Tier 1、Tier 2来共创行业新局面。

在汽车发展过程中,汽车电子是一个很重要的环节。比如软件定义汽车,这个在行业内基本上达成了一个共识,汽车所有的功能:智能化、集成化、平台化的发展其实都离不开软件,但软件定义汽车不是汽车发展的终结,也不是汽车发展的开始。

我们汽车最开始是由机械定义的,再往后是车控硬件来定义,硬件是软件定义汽车、数据定义汽车的重要载体,这也是为什么说汽车从一个封闭系统走向开放系统。在这个过程中,主机厂和Tier 1、Tier 2的关系,乃至整个产业链的商业关系也发生了一些变化。

其中,主机厂的核心能力,正在从硬件逐渐转向软件,商业模式也是从单次交付转向多次交付,产业链从垂直整合、清晰分明,现在变成平铺化,多维度、多角度合作的生态网络。

在汽车电子的发展过程中,EEA是很重要的一个环节,从分布式到集成式,到跨域融合,到中央超算这种演进趋势已经非常明朗了。目前,很多主机厂已向集中式演进,遇到了包括算力、带宽、安全在内的种种挑战,行业不仅要满足终端客户对于差异化、个性化功能的需求,在开发迭代速度上也要不断提升。

在大的集中式架构演进趋势下,每家主机厂、Tier1、科技公司都有自己不同EE架构的策略或模式,这些模式有相同之处,也有不同之处,一方面都是按照集中式往下走,不同之处在于细分的技术路线不同:比如主机厂可能更多是向区块集中的方式演进,Tier 1更多关注功能集中,这是主流趋势的分析。

总结下来,两条路线分别是功能集中和区域集中,从我个人角度看,我认为这只是向中央趋势过渡的两种路径,最终目的是不变的。

极氪汽车在区域控制器的落地方案

行业的现状趋势如上,极氪是如何应对的?

首先从总体思路上,我认为电动汽车区域控制器的开发,不是一个新的东西,还是属于汽车电子 系统,是它的升级和演变,所以开发思路本身也是可以继承过来的,开发上我们也按照系统、软件、硬件、集成、测试、标定这样一种从上到下的流程。

从架构上定义,从功能架构、系统架构到应用软件架构、技术软件架构,一直到整个硬件芯片的选型,硬件架构的方案等等,这本身也没有差别,唯一差别就是复杂度被提升到了前所未有的高度。

极氪本身有很多域控产品。今天主要介绍动力底盘域产品,当前采用的是扁平分布式方案,比如说自动驾驶域控制器ASDM,主要负责数据感知、信息融合、路径规划、决策控制等功能,而VDSW则负责车辆运动姿态估算,横向/纵向加速度仲裁,驱动/制动扭矩请求计算等,SUM则是主动悬架,还有BCM,EPS,VCU等不同功能模块,都是为了实现行驶域的各项功能需求。

而极氪进化的目标,也就是中央超算+域控制器,融合了“区”和“域”两种概念,既是一个区,同时也是一个域,不仅融合了行驶相关的功能,而且将不同零部件级的控制器进行了分层。

为了实现这样的一个目标,我们有两种大的路径:1,基于三电域功能融合底盘控制功能。2、基于当前的VCU控制器,进一步做软件功能的集成和升级。

路径1又分3种不同的分支路径,但总体来说就是把动力相关的BMS低压控制模块(包含BMU主板硬件+全部软件)、ICC整车充电放电模块,IGM/IEM管理软件,进行整合。融合的整体方针策略都是“控制决策集中往上升移,传感执行下放”,从而形成分层化架构。根据功能属性的不同,功能对硬件依赖程度的不同,可以采取不同的融合方式,不管是硬件融合还是软件融合,目标都是功能融合。

这种方式符合区域控制器的需求和定位,可以发挥三电优势,融合更多功能,形成不可替代的优势,且阶段产品开发难度小。缺点在于底盘融合功能开发难度较大,先融合三电功能,可以给底盘融合功能开发留出时间。

稍微展开一下,因为我们研发的是行驶域控制器,所以主要是动力+底盘域控融合,其中动力有电机控制,又细分为低压控制、高压驱动功能、执行控制功能,依赖不同的硬件进行实现,动力域对信号的实时性要求较高,总体以软件融合为主,而硬件是相对独立,所以需要进行硬件的降级才能实现。

电池管理系统其实也是相对来说比较复杂的系统,也是分高压板、主板、从板,其中主板承载了大部分功能,从板和高压板可以被看作是一个高级传感器,所以我们不仅采用了有主板的全融合方式,还有主板降级的不同方式。

充电也是面临同样的问题,极氪同时面向中外市场,那么如何将中欧美日的标准都集成过来实现,这是我们必须考虑的问题,这样同样导致了两种不同方案,一种是硬件降级,软件融合,第二种是软硬件全融合。

最终从三电系统的功能融合来讲,同样可以归纳为两类:一类是High Level(高阶融合);还有Full Level(全融合),全融合就是把硬件软件融合,整个动力域都是一个大脑。High Level主要是软件功能的融合,而其他零部件级控制器保留,只是把一些功能上移,硬件降级。

High Level、Full Level如何选择?当时我们也讨论了很久,从技术先进性、实现性、成本等各个维度进行了对比分析,最终选择了High Level方案,这个比较符合行业的趋势,也比较符合公司当前的需求。

基于前面的讨论和探索,最终的方案设计有两个核心思路:1、系统级行驶功能上移,控制决策端集中,形成高功能集成度的域控制器。2、传感和执行下放,数据交互接口标准化,形成标准化感知和执行零部件。

包含MGM/IEM,PCMU,BECM,CDD几个模块,其中PCMU是我们产品落地的形态,它承载了动力底盘域核心控制功能的实现。通过这种方式,我们将所有行驶相关的功能做了上移,形成动力底盘域的核心大脑,而传感和执行都下放,促成数据交互接口标准化。

除了硬件,软件是更值得去研究和开发的内容,在软件上我们也做了层次化的划分。整车功能被分为五纵四横,首先是“五纵”:部分ECU实现带有实际物理部件的基础功能,如电机、灯光、雨刮等;其他ECU负责采集、执行,计算放到区域控制器和中央控制器中,目的是让功能被部署到合适的控制器里面。

这就遇到了一个问题:哪些功能要融合到动力底盘域和行驶域,哪些功能要放在更上层?因为融合是必然的,但融合到哪个层级,是区域控制器还是中央计算控制器内?这就是“四横”的作用:包括车辆协调、车辆调度、车辆控制、多车协调等不同层级的功能。

分类的关键维度在于实时响应需求,响应比较快的我们可能要放在零部件级控制器,而响应在10毫秒左右的就会放在区域控制器,响应大于10毫秒的放在中央超算,采用以上这样一种分布逻辑。

接下来介绍下PCMU(行驶域控制器)的产品亮点,这款产品是具备高算力和高安全性的智能行驶域控制器,集中化控制车辆驱动、制动、转向等行驶功能,实现动力底盘一体化控制、车云协同、全生命周期管理,满足level 3以上自动驾驶行驶功能需求。

首先,产品支持中欧美日全球充电标准;第二,支持专有Flexray通讯协议;第三,具备丰富的硬件资源,可平滑向ZC扩展升级;第四,满足动力底盘域高安全和硬实时性控制要求,ASILD算力达到8kDMIPS;第五,实现Fail-Operational的功能安全,满足level 3以上车辆控制要求。

总体来讲,整个行驶域的功能分三级:ASW、BSW、HW,每个层级都实现了一些差异化功能,总体实现(区)域内低压电源管理和全球高压充电管理,集成车辆横纵向,3/4电机分布式驱动实时控制功能,实现车辆行驶一体化控制。

再把视野扩展一下,做行驶域控制器不是极氪的终点,也不是起点,极氪做它的目标是向类似中央超算的最终层级演进,在这个过程中,硬件会伴随产品迭代而不断升级;软件和功能也会慢慢加深融合。在开发的过程中,极氪也面临着很多共性的问题和关键技术能力的提升,以下简单列举六点:

1、域控系统集成及测试技术,建立仿真测试平台和能力。2、多核/芯异构的硬件平台设计技术(MCU+SoC),实现安全,保障异构架构下的实时通信,建立域控制器硬件平台开发能力。3、基于AUTOSAR(CP+AP)面向服务(SOA)的异构软件平台架构,建立基础软件开发能力。

4、基于模型设计(MBD)面向服务(SOA)的应用软件架构及功能开发技术。5、面向车载以太网通信协议,基于域控制器需求实现SOME\IP、DOIP、UDP、TCP等面向服务的车载以太网通信协议(SOC)。6、电动汽车大数据开发及智能算法技术,建立基于数据驱动/模型控制的软件开发能力,优化动力系统运行及提供个性化功能服务。

除了以上,还有信息安全的问题,涉及到安全目标定义、功能的安全评估等,整个流程都需要在各环节进行打通,尤其对标准进行统一以满足信息安全的要求。

面临问题以及应对挑战的措施

在这个过程中有各种挑战,也必然要思考其应对方式。比如说合作模式发生了改变,原本是黑盒交付,主机厂做集成,现在集中式的开发架构下,OEM需要组建自己的专业团队,而Tier 0.5出现了,现在的合作模式是:Tier 0.5+OEM,深度开放地合作以应对中央+区控架构开发的要求。

还有就是开发模式改变,客户对功能开发的实时性、个性化要求越来越高,在开发的过程中,我们必须进行快速地迭代和尝试,和上下游充分交流,简化开发的流程,让我们的产品和功能可以快速输出给客户、得到反馈、并进行功能迭代,整个开发模式从传统转向敏捷开发。

另外的应对措施就是持续集成和持续测试,其应对目标还是一个字:快。通过持续集成和持续测试的技术,让产品快速研发后进行快速测试、交付,这其中涉及到很多工具代码和工具链,还有一些极氪自己开发的规范和测试脚本,旨在打通整个持续测试全流程与工具链。这里推荐两个工具:Confluence和Jira,这两种工具很轻便,很网页化,但是确实很快好用。

以上就是对极氪汽车在域控制器开发领域的思考和应对措施的全部分享。

(以上内容来自极氪汽车域控制器开发总工窦国伟于2022年11月14日由盖世汽车主办,上海虹桥国际中央商务区管委会、上海闵行区人民政府指导,上海南虹桥投资开发(集团)有限公司协办的2022第二届智能汽车域控制器创新峰会发表的《电动汽车行驶区域控制器关键技术及挑战》主题演讲。)

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