新能源汽车电子电气架构

Posted 2023-04-04 scott198512

1.EEA定义

汽车电子电气架构的升级主要体现在硬件架构、软件架构、通信架构三方面：硬件架构从分布式向域控制/中央集中式方向发展、软件架构从软硬件高度耦合向分层解耦方向发展、通信架构由LIN/CAN 总线向以太网方向发展。

 

新能源汽车整车电子电气架构（下文简称EEA：Electrical and Electronic Architecture，电子电器架构）按照博世给出的电子电气架构路线图分为六个阶段，已成行业共识：分布式阶段（包括模块化、集成化）——域集中式（包括集中化、域融合）、中央集中式（包括车载电脑、车云计算）。

图1 博世定义的EEA发展图

模块化阶段。1）一个 ECU 负责特定的功能，比如车上的灯光对应有一个控制器，门对应有一个控制器，无钥匙系统对应有一个控制器。随着汽车功能增多这种架构日益复杂无法持续。2）集成化阶段，单个 ECU 负责多个功能，ECU数量较上一阶段减少。在这两个阶段，汽车电子电气架构仍处于分布式阶段，ECU 功能集成度较低。

功能域控阶段。功能域即根据功能划分的域控制器，最常见的是如博世划分的五个功能域（动力域、底盘域、车身域、座舱域、自动驾驶域）。域控制器间通过以太网和 CANFD（CAN with Flexible Data-Rate）相连，其中座舱域和自动驾驶域由于要处理大量数据，算力需求逐步增长。动力总成域、底盘域、车身域主要涉及控制指令计算及通讯资源，算力要求较低。

跨域融合阶段。在功能域基础上，为进一步降低成本和增强协同，出现了跨域融合，即将多个域融合到一起，由跨域控制单元进行控制。比如将动力域、底盘域、车身域合并为整车控制域，从而将五个功能域（自动驾驶域、动力域、底盘域、座舱域、车身域）过渡到三个功能域（自动驾驶域、智能座舱域、车控域）。

各个主机厂的中央计算单元架构都要纷纷落地了，例如小鹏的X-EEA3.0中央计算平台+区域控制架构、广汽埃安的中央计算平台架构——星灵架构、长城的计算平台架构GEEP3.0、理想的LEEA3.0等（典型架构如图2所示）。

图2 典型的EEA3.0中央计算单元架构

2.蔚来EEA

蔚来汽车升级EEA架构主要的目的，是跟上目前智能汽车迭代的浪潮，实现软件复用、快速迭代、快速灵活部署、软件平台化、代码高内聚低耦合。对应的总体架构演变趋势如下图3所示。

图3 蔚来汽车的总体架构

规划中的下一代整个EEA系统由汽车中央计算单元、区域控制器，通过车载高速以太网进行连接，构建一套自适应和自学习系统，可以支持广泛的智能互联功能，如下图4所示。

图4 蔚来汽车的下一代区域架构

 这种EEA架构通过环形拓扑，可以支持Fail Operation的冗余系统，有着很好的扩展性。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，这个给出的信息可能是现有的Adam的超算平台，主控是英伟达的Orin芯片。

3.小鹏EEA

小鹏汽车的EEA演进大致经历以下三个阶段。

图5 小鹏EEA架构迭代

最近的10年中电器架构就从分布式控制器发展到了集中式控制器，再到域控制器和中央控制器的数次升级，而小鹏从一开始的借鉴入场到全栈自研，在短短的几年时间内，就走过了这一段发展路径。小鹏P7上采用了集中式的控制器，对应的P7 SEPA平台架构如下图6所示。

图6 小鹏P7 SEPA平台架构示意图

图7 小鹏 G9X-EEA 3.0平台架构

 而目前小鹏G9采用的X-EEA 3.0架构，官网只公布了一张图片，从图片中我们可以看到的内容分析，G9采用了前后左右四个域控制器，分别完成各自方位的传感器与执行器的调度，在接入到车辆的计算中心，而计算中心提供了整车的智能驾驶和娱乐功能运算以及车载互联的5G通信。

4.理想EEA

与其他主机厂一样，理想汽车EEA更新的目的就是为了解软硬件不通用、软件不可迭代、应用功能固等问题，实现软件复用、快速迭代、快速部署。

图8 通往高算力为核心的计算平台架构迭代

理想汽车的电子电气架构目前分为三次迭代。详见下图所示。

图9 理想汽车的三种架构

LEEA1.0传统分布式架构，也就是理想ONE上用的，这套系统迭代的方法，就是基于智能座舱控制器和ADAS控制器。

图10 理想One上的系统迭代

 LEEA2.0是理想L9上使用的域控制器架构，整车分为三个控制域：中央控制域（包含动力、车身和部分底盘的功能），这里主要实现的是车身控制单元（BCM）和中央网关进行融合，并且基于自动驾驶控制域（英伟达Orion*2）和智能座舱控制器（8155*2）进行开发，理想的LEEA2.0电子电气架构里的中央域控制器如下。

图11 理想L9的电子电气架构 

LEEA3.0是明年要上市的新车型（800V纯电平台）为中央计算平台+区域控制架构，目前根据信息来看，可能按照工控主机的设计思路，把智能车控、自动驾驶，智能座舱三块板子用PCIe连接做到一个机箱里，OneBOX结构。到了这一代，目标是中心计算化和硬件抽象化，实现计算中心化、数据和能源Zonal的系统，将物理上相近的各种各样的传感器和对电机、输出各种各样的控制在局部整合，然后数据打包以后回到计算中心。

图12 下一代纯电汽车迭代的CCU

5.特斯拉 EEA

特斯拉是汽车电子电气架构的全面变革者，2012年 Model S 有较为明显的功能域划分，包括动力域、底盘域、车身域，ADAS模块横跨了动力和底盘域，由于传统域架构无法满足自动驾驶技术的发展和软件定义汽车的需求，为解耦软硬件，搭载算力更强大的主控芯片，必须先进行电子电气架构的变革，因此 2017 年特斯拉推出的 Model3 突破了功能域的框架，实现了中央计算+区域控制器框架，通过搭建异域融合架构+自主软件平台，不仅实现软件定义汽车，还有效降低整车成本，提高效率：1）Model 3整车三个控制器，有效降低物料成本；2）硬件集成为软件，为汽车深度的控制和维护提供基础；3）自主软件平台通过模块化支持扩展复用。

特斯拉 Model3基本实现了中央集中式架构的雏形，不过 Model3距离真正的中央集中式架构还有相当距离：通讯架构以 CAN总线为主，中央计算模块只是形式上将影音娱乐 MCU、自动驾驶 FSD以及车内外联网模块集成在一块板子上，且各模块独立运行各自的操作系统。但无论如何，Model3 已经践行了中央计算+区域控制的电子电气架构理念框架，领先传统车企 6年左右。

特斯拉三代车的电子电气架构演进背后的实质是不断把车辆功能从供应商手中拿回来自主开发的过程。Model3 的自动驾驶模块、娱乐控制模块、其它区域控制器、热管理均为自主设计开发，实现了整车主要模块自主，不依赖 Tier1，即使没有实现自主的模块，特斯拉也与供应商进行了联合开发，比如特斯拉将自己的软件加入到了博世为其提供的 ibooster里，通过软件更新实现刹车距离变短。

通过三款车型的演进，特斯拉的新型电子电气架构不仅实现了 ECU数量的大幅减少、线束大幅缩短（MODEL S 线束 3000米，Model 3 减少一半以上），更打破了汽车产业旧有的零部件供应体系（即软硬件深度耦合打包出售给主机厂，主机厂议价能力差，后续功能调整困难），真正实现了软件定义汽车，特斯拉的 OTA 可以改变制动距离、开通座椅加热，提供个性化的用户体验，由于突破了功能域，特斯拉的域控制器横跨车身、座舱、底盘及动力域，这使得车辆的功能迭代更为灵活，用户可以体验到车是常用常新的，与之形成鲜明对比的是，大部分传统车厂的 OTA 仅限于车载信息娱乐等功能。

特斯拉为了更好地发挥软件的作用，实现了自动驾驶主控芯片这一最为核心的智能硬件的自研自制（特斯拉认为芯片的专用设计使得其上的软件运行更高效），这意味着后续特斯拉车辆的升级速度、功能的部署都不再依赖外部 SOC芯片供应商，真正将车辆的灵魂掌握在自己手中。

图13  特斯拉EEA演进历史

6.比亚迪EEA

比亚迪最新的E3.0平台上将采用其最新的域控制器架构，其中包括智能动力域、智能车控域、智能座舱域和智能驾驶域四大域控。

图14 比亚迪的智能域控架构

 智能动力域控制器是指八合一总成的控制器，其整合了整车控制器、电池管理器、电机控制器、车载充电器等，动力域的构成如下图15所示。

图15 比亚迪的智能动力域

7.长城汽车EEA

在2020年，长城汽车开发了GEEP3.0的域控架构，涵盖车身控制、动力底盘、智能座舱、智能驾驶4个域控制器，并且目前已经应用到各个车型上了。

图16 长城汽车的EEA架构发展

GEEP 3.0之后是GEEP 4.0，GEEP 4.0将整车软、硬件高度整合，其由中央计算、智能座舱及高阶自动驾驶 3个计算平台，外加 3个区域控制器（左、右、前）。

图17 GEEP4.0

 该架构采用SOA设计理念，开放标准API接口，实现功能可扩展，全面满足用户智能化需求。还可以支持整车级的OTA升级能力，包含动力底盘系统、影音娱乐系统、车身系统、智能驾驶系统等。

图18 GEEP4.0的SOA架构设计概念

GEEP5.0由一个中央大脑（ one brain）以及五个区域控制器组成，计划2024 年面世。将实现 100%SOA 化，完成整车标准化软件平台的搭建。

图19 GEEP5.0架构

8.上汽零束EEA

全栈1.0电子电气架构搭载在目前上汽旗下高端纯电智能车品牌智己、飞凡车型上，全栈1.0架构共有三个域控制器，即中央计算(车控及数据融合)、智能驾驶、智能座舱，同时还保留了较多的分布式模块。

2021年零束启动全栈3.0架构的研发，进行进一步的集中化，其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。

底层狭义操作系统由异构升级为同构；骨干通信带宽扩容至千兆甚至万兆；支持云、管、端智能车网络安全防护体系，并且可以加速智能车自学习、 自成长和自进化。

图20 上汽零束全栈1.0和全栈3.0

上述涵盖的四大域控制器具体分工如下：
1、IPD 智能驾驶中心
搭载英伟达orin x芯片和激光雷达，记忆泊车& 唤车、自动代客泊车、红绿灯识别及自动通过路口、防加塞& 自动躲避障碍物、根据导航路径自动变道、超车、上下匝道，以及 Super Pilot、Traffic Jam Pilot、追尾报警等。
2、ICC 智慧计算中心
基于多域融合、中央集中式计算，作为中枢神经,接受反馈、整合信息、发号施令都在瞬时之间,堪称“最强大脑”。
3、ICM 智慧座舱中心
基于天气、基于时间、基于路况、甚至基于用户的心情，在不同场景，给予用户推荐。车机系统会根据用户的使用习惯进行机器学习，并在相应的时间、地点、天气下对用户发送推荐提醒。
4、IMATE 智慧伙伴
搭配高清车载摄像头系统，可以记录车辆前方的行驶视频，并且可以一键编辑、一键分享，甚至可以连入各大直播平台以第一视角进行直播。
搭载灯光交互系统，DLP 大灯对地面进行投射，能够实现「车道级导航引导」、「行人提醒」、「示宽引导」、「光随眼动」。ISC 系统可以通过车辆播放动画及信息，使车成为驾驶员向外界表达情感的媒介。
 

9.发展趋势

 大部分企业规划的下一代跨域融合电子电气架构将于 2022年量产，以实现软件高度集中于域控制器，逐步减少分布式 ECU。到 2025 年部分车企落地中央计算+区域控制器的电子电气架构，从而实现软硬件的进一步集成，软件所有权逐步收归主机厂。朝着“中央计算+区域控制”的架构演进的过程可能长达 5-10 年。

图21 EEA发展趋势

参考资料

国内自主品牌车企整车电子电气架构（EEA）汇总梳理

盘点特斯拉、大众、小鹏……的电子电气架构

理想汽车的电子电气架构迭代

新能源车电子架构

汽车电子电气架构简介

蔚来开发中的下一代电子电气架构

解析小鹏汽车 X-EEA 3.0 电子电气架构

混动｜PHEV高压系统电气架构设计

点击 上方 蓝字 ，关注并星标 「旺材动力总成」

来 源 ：娄锋/陈恩辉/刘丹/华晨汽车工程研究院新能源工程室/沈阳燃气技术开发有限公司

近几年，随着PHEV 车型销量的不断增加，PHEV 高压系统的安全问题越来越引起人们的重视。高压系统架构的设计成为 PHEV 汽车设计开发人员研究的重中之重。

PHEV 车辆设计必须符合 GB/T 19751-2005《混合动力电动汽车安全要求》、GB/T18384《电动汽车安全要求》。标准GB/T18384《电动汽车安全要求》中明确定义高压，就是直流电压大于 60V、小于 1500V，交流电压大于30、小于1000，这是B 级电压，就是通常说的电动汽车的高压，此电压会对人产生肌肉收缩、血压上升、呼吸困难甚至导致死亡；

PHEV 车型采用的整车高压系统都是直流 300V 以上，同时在不同工况下，整车高压系统的电流可能达到数十、甚至数百安培，瞬时短路电流更是成倍增加。

一旦发生高压电路安全故障时，高电压和大电流将会直接危及乘客的人身安全，同时还会影响车辆其它低压零部件的正常工作。

1. PHEV 高压系统的组成

为了保证整车高压系统的高压电安全，必须针对高压电防护进行特别的系统规划与设计。PHEV 汽车的高压系统的组成，包括动力电池系统、前驱动电机及电机控制器（集成DC\DC 变换器）、电动空调压缩机、水暖 PTC 加热器、车载充电机、后桥驱动电机及电机控制器、高压配电盒、交流充电、直流充电等等，如图1所示。

图1

首先，整车高压系统电气架构的设计需要从高压各零部件部件的几何结构在整车布置位置的可行性、混合动力车辆的整车控制策略和行业的发展趋势等多角度考虑。若采用合理的高压电气架构，集成相关高压零部件，达到减少高压继电器、高压连接器的数量、高压动力电缆的使用量等目的，增加整车高压系统的可靠性，降低发生高压安全问题，又可以降低整车成本，增加市场竞争力。目前，新能源零部件的发展趋势，大部分供应商都采用系统集成的方案。例如，驱动电机、减速器和电机控制器集成的三合一产品；车载充电机、DC\DC 变换器集成的二合一；电机控制器、DC\DC 变换器和高压配电盒集成的三合一产品；车载充电机、DC\DC变换器、高压配电盒集成三合一产品等等。

2. PHEV 高压系统电气架构的设计

2.1 设计要求

高压安全技术就是要充分保证人的安全技术。根据 GB/T 19751-2005《混合动力电动汽车安全要求》、GB/T18384《电动汽车安全要求》以及通过人体电流安全标准 IEC 60479- 1:2005，PHEV 汽车高压安全要求如下：

（1）高压系统接触防护要求：要设计遮拦或者外壳，高压连接器具备高压互锁功能，避免人员直接接触。

（2）高压系统漏电流要求：不能超过人体安全阈值（30mA·s），接触电压不能超过人体安全电压（36V）。

（3）高压系统绝缘要求：电阻阻值除以动力电池标称电压至少大于100Ω/V。

（4）高压系统功能安全要求：上电时需具有预充电过程，以避免接通时的瞬态高压电冲击；任何工况下，高压继电器的断开时间应小于20ms；高压系统电源断开1 s 后，任何可触及的导电部分和地之间的交流峰值电压应低于42.4 V，直流电压应低于60 V，并且存储的能量应少于0.2J。

2.2 设计思路及高压安全的关键技术

根据以往BEV、PHEV 项目经验，并结合整车开发过程，提出一种整车高压系统电气架构的设计流程，如图2所示。

图 2

从设计角度来看，高压安全的关键技术，主要包括三方面工作：第一是接触防护，如何防止人员接触到高压部件，接触防护包括绝缘设计、电压、高压安全标识，包括接触防护等级，包括遮挡等设计。这是设计首先必须考虑的重要问题；第二，若接触到也不会发生触电危害；包括高压互锁设计、低电能、低电压和电位均衡等。第三是安全预警，在发生高压安全危险之前，包括漏电之前，要有及时的预防和预警系统，保证危险发生之前就能够杜绝。安全预警方面通过对高压系统的关键触点监测，包括绝缘监测，过压保护，过流保护等。

2.3 PHEV车型四种高压系统方案分析

根据提出PHEV车型三种高压系统方案分析如图3所示。

图3

A 方案各高压零部件都采用单独设计，优点是灵活性好，在实际的应用中，可根据汽车的实际情况进行选择，缺点是受限整车布置空间，增加了各高压零部件的布置难度，高压动力电缆设计复杂；B 方案采用前驱电机控制器集成 DC/DC及高压分电盒的功能（连接电动空调压缩机和 PTC 加热器），优点是减少高压零部件数量、高压连接器及高压动力电缆的数量，缺点是前舱布置空间要求较高，与整车低压电气连接复杂（前舱布置低压蓄电池可能存在问题）；C 方案采用前驱电机控制器集成高压分电盒的功能（连接电动空调压缩机和PTC 加热器），车载充电机、DC/DC 及高压分电盒的三合一设计。优点是前舱布置空间合理，节省整车的布置空间，减少 DC/DC 到低压蓄电池的线束的长度，后驱系统可以变为选配方案，增加配置的多样性。

2.4 工程开发

在工程开发过程中，需综合考虑各种工程实际，需要注意的是，本文提出的三种方案都是简单的示意，工程开发过程中决定高压系统电气架构的因素很多，例如高压零部件选型的可行性、整车布置问题、整车热管理问题、整车控制策略等等。其中，高压系统电气架构所采用的零部件的高压连接器、出线方式、零部件之间的接线方式、动力电池充电过程中的上下电时序以及动力电池充放电过程中的加热、冷却和上、下电逻辑等关键问题，都与高压系统电气架构的最终设计方案紧密相连，都需要设计开发人员谨慎选择及优化。

本文采用C方案高压系统电气架构的设计方案，进行了基于某平台车型的整车布置模型分析，如图4所示，结果表明，整车布置可行，可以开展后续工作。

图4

【免责声明】文章为作者独立观点，不代表旺材动力总成立场。如因作品内容、版权等存在问题，请于本文刊发30日内联系旺材动力总成进行删除或洽谈版权使用事宜。