下一代电子电气架构关键技术要素

 

下一代电子电气架构定义包括高算力HPC,实现车-云架构一体化;高带宽、高速主干网络,实现域间协同计算;SOA架构,软硬解耦,通用化的软/硬件架构和接口标准;完整的开发工具链,采用V模型的开发流程;支持L4级高级辅助驾驶;智能低压电源架构等等。

 

建立下一代E/E架构的关键技术

 

来源:《2022年智能汽车E/E架构研究报告》

 

面向下一代电子电气架构开发,我们总结了14大关键技术要点,以下列举分析了部分E/E架构的关键技术进展:

 

E/E架构关键技术:完整的开发工具链,先进的架构标准,采用基于V模型的电子电气架构开发流程

 

国际上暂时没有专门针对汽车E/E架构的全球性标准,可以参考ISO 26262《Road Vehicles-Functional Safety》 、ISO/SAE 21434《Road Vehicles—Cybersecurity Engineering(道路车辆-信息安全工程)》、GB/T 34590 《道路车辆功能安全》等标准作为汽车EEA设计与优化参考依据。

 

在国内,2021年4月,在电动汽车产业技术创新战略联盟三届二次理事会上审议成立了汽车电子电气架构工作组,目前已有包括整车厂、架构方案商、软件公司、通信公司、测试工具及服务等不同领域超过35家企业专家参与。

 

目前国内汽车E/E架构标准制定方向推进十分迅速,已有多项团体或组织标准推进立项或完成发布,包括:

 

《智能网联汽车用数据分发服务(DDS)测试方法》

《汽车以太网交换机设备安全技术要求》

《车载时间敏感网络中间件技术要求》

《软件定义汽车服务API参考规范2.0》

《星闪Release 1.0 11项团体标准》

《车载专用无线短距传输系统技术要求和试验方法》

 

E/E架构关键技术:算力向中央集中、向云端集中,实现车-云架构一体化

 

车辆正朝着类似人脑+中枢神经+末端神经的方向发展。目前国内外半导体厂商,都在开发设计面向智能汽车的拥有强大计算能力的车载计算中心芯片,采用多核并行的CPU、图形和图像处理的GPU、AI计算加速器,典型如英伟达ORIN,已同时兼具座舱、自动驾驶、AI等多任务并行计算能力。

 

来源:网络

 

在未来,随着车载高速网络技术和5G技术的成熟,最终向基于中央计算机的车辆集中式电子电气架构,以及车-云协同控制方向发展,算力向中央集中、向云端集中,避免车辆终端算力无限扩张。

 

典型的中央+车云协同计算架构

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E/E架构关键技术:CP+AP AUTOSAR,SOA软件,通用化的软/硬件架构和接口标准

 

车辆软件架构向CP+AP AUTOSAR的混合软件架构发展,CP AUTOSAR主要面向有高可靠性、高实时性要求的车控域,AP AUTOSAR主要面向进行海量数据并行处理的智驾域和娱乐域,同时根据接口功能特性进行标准化设计,整合接口设计,形成通用接口平台。

 

通过SOA软件,车企可以实现应用服务开发的开放生态(接口对外开放)、场景功能开发的差异化(任意子服务组合拼接)、单一场景化功能的快速迭代(只需进行子服务的重组)。小鹏汽车X-EEA 3.0架构中,将SOA软件重点应用于座舱平台。

 

小鹏汽车X-EEA 3.0中央计算域软件架构

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E/E架构关键技术:跨域通信协议(SOME/IP和DDS),千兆以太骨干网+TSN+ Switch交换机,高宽带/高速率通信网络,实现域间高速通信与协同计算

 

车身网络需满足大数据量、高速传输、低延迟、高实时性的性能需求,目前主干网络已实现以太网+CAN-FD的高速网络,为跨域通信协议SOME/IP +DDS提供基础,目前主流通讯中间件SOME/IP和DDS,两者各有优势。

 

除了通讯中间件外,车云平台当前主要应用通讯协议MQTT等。运用MQTT协议,设备可以很方便灵活地连接到物联网云服务,比如汽车实时在线数据分析与监控、OTA、高清地图应用、车载大数据、Al分析等场景。

 

E/E架构通信网络设计思路

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E/E架构关键技术:车载专用无线短距离通信技术

 

在国内,星闪联盟(SparkLink Alliance)于2020年9月成立,联盟2021年底发布星闪标准1.0,在2022年上半年推出测试仪表,同时启动星闪2.0标准立项工作。联盟的几家芯片企业已制定了明确的芯片路标,计划于2022年下半年推出商用芯片。基于商用芯片,各大产业的头部企业已经制定了商用终端的开发计划,计划于2023年推出。

 

“星闪”无线短距离通信技术核心应用领域包括:沉浸式车载声场和降噪、无线交互投屏、车内无线氛围灯、360全景环视、无线BMS(电池管理系统)。

 

来源:网络

 

全球范围来看,凯迪拉克LYRIQ率先引入了无线电池管理系统(vBMS)革新技术,减少了90%的电池包线束,以及相应的连接器和接插件,从根本上规避了线束老化的问题。同时因为电池包线束减少,电池内部空间得到释放,布局和配置更加灵活,也可以安装更多电芯提高续航里程。

 

凯迪拉克采用亚德诺半导体(ADI)无线电池管理系统(vBMS)解决方案。

 

主机厂正加快电子电气架构演进步伐
 

阶段一:域集中架构阶段

 

大众的E3架构、长城GEEP3.0架构、比亚迪的E平台3.0架构、吉利的SEA架构、小鹏的EE 2.0架构等都是典型的域集中架构。

 

以大众E3架构为例,包括车辆控制(ICAS1)、智能驾驶(ICAS2)、智能座舱(ICAS3)等3个域控制器,ICAS1和ICAS3已经开发完成,并在ID.3、ID.4等车型上搭载,ICAS2尚未开发完成,辅助驾驶功能目前主要依靠分布式ECU和ICAS1实现功能调用。

 

大众ID.4 网络架构拓扑

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在MEB架构下,目前有两个架构阶段,E3 1.1版和E3 1.2版,平台功能持续演进优化。从2025年开始,大众、奥迪、保时捷三个平台将统一使用E3 2.0 SSP(Scalable Systems Platform)中央计算平台,可能率先应用于奥迪Artemis项目。

 

大众E3 1.1/1.2,向E3 2.0 SSP中央计算平台演进

来源:《2022年智能汽车E/E架构研究报告》

 

阶段二:准中央计算架构阶段,实现多域融合(如舱驾合一)

 

零束银河全栈 3.0电子电气架构使用主从两个高性能计算单元,即 HPC1和 HPC2来实现智能驾驶、智能座舱、智能计算、智能驾驶备份功能,再加 4个区域控制器,实现各自不同区域的相关功能,以全面支撑 L4 以上智能驾驶技术。该架构将融合CAN FD、千兆以太网、5G等不同的网络通讯技术,确保车辆拥有足够强大的脑通路。

 

上汽零束全栈3.0准中央 EEA,实现舱驾合一

 

阶段三:中央计算架构阶段,算力集中于一个超算平台,量产步伐可能比预期更快

 

中央计算架构,由中央计算单元、区域控制器和高速以太网构建基本骨架,通过三者的协同,构建自适应、自学习系统,实现智能互联和高级别自动驾驶。

 

蔚来的中央计算单元在性能上拥有1000TOPS以上的算力,主频大于1GHz,可能采用英伟达Adam超算平台;

 

蔚来的区域控制器主要功能包括,分布式边缘计算、车控仲裁中心、面向SOA服务通信的信息通信网络 、区域集中式数据中心、整车配电枢纽、传感器和执行器数据交换,由于区域控制器计算资源有限,为了实现跨域功能融合、跨域功能隔离。蔚来的方法是在区域控制器上采用AMP多核架构,AMP 模式的 RTOS 在各个 CPU 上均运行一个操作系统实例。

 

蔚来汽车中央计算+区域控制器EEA

 

从发展趋势看,汽车E/E架构最终会向中央计算架构演进,将功能逻辑集中到1个中央控制器。主机厂E/E架构规划愈发激进,2023年将是造车新势力和传统主机厂量产下一代“准中央+区域架构”的关键时间节点。

 

同时,随着超高算力计算平台的量产、软件技术的快速迭代,中央计算架构甚至最快可能在未来5年内实现量产。

 

未来5-10年汽车E/E架构演变趋势

来源:《2022年智能汽车E/E架构研究报告》