年汽车行业前瞻报告

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来源:东吴证券

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+百万条指令每秒的控制指令运算能力、+TOPS(即为*次每秒)的AI算力。

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。

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。

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。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、百度、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。

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。

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。

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,自动泊车雷达和自适应巡航的摄像头、雷达采集数据不可交互,若打通整个汽车软件架构,各数据特征有效利用,实现多个应用共用一套采集信息,有效减少硬件需求数量。

1.3.通信架构升级:LIN/CAN向以太网发展

1.3.1.通信架构如何升级?

自动驾驶需要以更快速度采集并处理更多数据,传统汽车总线无法满足低延时、高吞吐量要求。随着汽车电子电气架构日益复杂化,其中传感器、控制器和接口越来越多,自动驾驶也需要海量的数据用于实时分析决策,因此要求车内外通信具有高吞吐速率、低延时和多通信链路。在高吞吐速率方面,LIDAR模块产生约70Mbps的数据流量,一个摄像头产生约40Mbps的数据流量,RADAR模块产生约0.1Mbps的数据流量。若L2级自动驾驶需要使用8个RADAR和3个摄像头,需要最大吞吐速率超过Mbps,而全自动驾驶对吞吐速率要求更高,传统汽车总线不能满足高速传输需求。

集带宽更宽、低延时等诸多优点的以太网有望成为未来车载网络骨干。车载以太网是汽车中连接电子元器件的一种有线网络,具有带宽较宽、低延时、低电磁干扰、低成本等优点。在年左右,以太网从DLC诊断端口到网关只有一条Base-T11TPCE(速率为Mbps)基带传输系统,仅用于诊断和固化软件更新。随着以太网技术发展,年起,以太网由诊断应用逐渐延伸至信息娱乐域和ADAS系统,未来技术进一步突破,0Base-T1RTPGE(速率为1Gbps)以太网将成为新网络骨干。

各域通过网关完成数据交换。各企业对控制域划分不尽相同,根据博世将汽车分为五大控制域,包括车身电子系统、娱乐信息系统、车辆运动系统、安全系统以及辅助驾驶系统,每个域下继续细分各个子域。这其中,每个域或子域对应相应的域控制器DCU和ECU,并通过网关实现数据交换,共同构成汽车E/E架构。

1.3.2.通信架构升级有何好处?

LIN/CAN总线向以太网方向发展,满足高速传输、低延迟等性能需求。由于智能网联汽车应用越来越复杂,大量的非结构化数据(如图片、视频等)虽然携带的信息非常丰富,但其对数据传输要求极高,传统汽车电子电气架构的LIN/CAN总线不能满足高速传输的需求。以太网因具备大带宽、高通量、低延迟等优势,将成为应用于汽车主干网络的主要方案。

采用以太网方案线束更短,同时也可减少安装、测试成本。线束在重量和成本方面都位列汽车零部件第三,其中在成本方面,线束安装占人工成本的50%。根据Broad


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