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天际周毅:域控制器设计思考及挑战

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富士康将在年内推出首款纯电车型

2021年6月22日-23日,由盖世汽车主办的“2021中国下一代汽车高质量发展论坛•三电先进技术•”在南京召开。本次会议持续两天,将围绕新能源三电中长期技术发展趋势、政策、标准、上下游供应链、成本、材料体系、电池结构技术、热管理、安全技术、电机电控关键技术、智能制造等行业焦点话题展开。会议期间,天际汽车基础硬件总监周毅发表了“域控制器设计思考及挑战”的主题演讲。

以下为演讲实录:

周毅:现场各位汽车行业的同仁,以及线上各位汽车行业同仁,大家下午好!我是来自天际汽车的周毅,目前主要负责域控制器硬件开发,在天际汽车主要负责三大域控系统:动力域、车身域、智驾域。天际汽车是造车新势力的一员,可能有些汽车行业的同事不太了解天际汽车的状况,下面先简单做2分钟广告。

天际汽车的愿景是成为绿色智能出行的探索者和引领者。

天际汽车2015年成立,成立之初叫电咖汽车,成立时主要定位于低端产品的开发。2018年7月份,天际汽车高端品牌ENOVATE正式发布,随后在同一年正式更名为天际汽车,主要探索中高端产品。2018年12月份获得整车生产资质,现在已经有了三大工厂,绍兴、长沙以及制造基地青岛。

去年9月份,第一款B级5+X智能电动SUV天际ME7正式发布,10月份完成新一轮超50亿融资,11月份完成首批天际ME7车主交付,这可能在整个行业内算比较快地交付,从发布到交付只用了40多天。

今年3月份,我们联手浙江卫视、抖音打造了一款跨屏音乐互动节目《为歌而赞》,获得一致好评。5月份,我们与京东达成战略合作,京东汽车和天际汽车将在品牌、用户、产品、渠道等各方面实现资源共享。

今年6月11日,我们第二款车天际ME5在长沙匠心工厂正式投产,同步启动了ME5预售。上个礼拜京东618,天际ME5京东定制版众筹活动正式开始,也是比较火热,限量2000台,一天就完成了订购。

天际汽车两款产品介绍:

•天际ME7

这是B级的SUV,轴距是2830,目前有两个版本,530公里续航,410公里续航。在安全方面,秉承德系品质,因为天际汽车主要创时团队是来自于上汽大众,通过C-NCAP五星标准。我们造型设计师是前保时捷911设计师。天际ME7产品除了在这几方面以外,在智能化方面也有很出色的表现,在智驾方面具备L2.5的性能。

•天际ME5

有两个版本,第一个版本是增程版本,现在启动预售,续航里程1012公里,这款车不管是从品质还是颜值方面,都具备很大的竞争力,具体信息大家也可以登录天际APP、京东APP去更多了解。域控是软件定义汽车的载体,今天主要从三块给大家做一下分享:

一、整车EE架构发展趋势

二、天际域控架构及域控平台介绍

三、域控硬件设计差异及挑战

•域控架构背景

在传统电控系统开发过程中,遇到了很多问题。如图,现在高端汽车代码量已经超过了2亿行,比历史上任何一个IT产品都要多,随着智驾的发展,特别是L3/L4智能驾驶的发展,代码量会迅速提升,预计到2025年,软件代码量要达到6亿行。汽车ECU节点也是处于快速增长状况,目前对CAN总线为骨干通讯网络造成很大压力。线束也非常复杂,对整车有影响,对整车可靠性也有非常大的挑战。

在现在分布式控制器背景下,控制器功能紧密结合,某一个功能可能有很多控制器协同实现,同一个控制器对整车厂来讲可能会有A点、B点甚至C点供应商,在此基础上,去开发一个功能或需求变更,可能涉及到和多个零部件供应商的沟通协调,整个沟通成本非常高。

另外,汽车越来越是电子硬件、软件主导的产品,传统去做整车验证,可能是高温、高寒、高原实验、整车耐久性、各种路试,更多是从整车产品可靠性角度去做的。

但是,对于一个智能硬件来讲,需要从用户的需求出发,从功能出发,带来的问题就是整车电子电器验证难度增大。但是在这种情况下,传统整车开发周期可能是39个月,现在开发一款产品可能只有两年时间。另外,整个整车产品的差异化竞争也更加激烈。

在这种情况下有一些技术支撑:

1.芯片技术不断增长,特别是智能驾驶、智能座舱等处理器算力大幅提升。

2.车载以太网标准逐步完善,传统CAN总线最高传输速率1m,CAN-FD到5M,其实不满足大数据传输需求,随着车载以太网标准的完善,慢慢成为现实。

3.标准化的软件架构,比如AUTOSAR架构,

整个行业技术、系统难点,以及技术上的进步,造就了我们目前有一个解决方案,即域控制器。域控制器主要理念是把整个控制器集中化,域控做上层决策,把传感、执行的一些功能下放,做一些标准的传感器或执行器,在信息通道方面要使用高速的传输媒介,比如车载以太网,采用标准化软件架构,因为域控开发一定慢慢变成主机厂主导开发过程,并且域控不可能是主机厂一家完成的,一定是多方的合作,只有标准化的东西,这块的合作才能成为可能。

一、整车EE架构演变趋势

从分布式控制向集中式控制转变,虽然现在也有非常多新势力,包括传统OEM,已经在做域控的开发,但目前大多数在市场上量产的车型还是分布式架构,软硬件功能紧密耦合,通讯使用CAN来传输。

现在要做的域控架构,目前这块已经有很多主机厂在做了,目前做得最好的是特斯拉,在EE架构上是比较领先的状况。域控就是把域内整个功能逻辑由域控制器来实现,传感执行下移,域控能够支持L3+智驾。最终发展,比较一致的观点是中央计算平台+Zonal区域架构,整车绝大部分功能是由中央计算平台来实现的,区域负责区域下的控制。这时候支持TSN的以太网将会成为骨干网络,这种架构上会实现软硬件完全解耦。

从域控到车载计算中心架构的演变过程中可能还会有混合架构,即跨域的融合。域控架构经典五大域控:动力域、底盘域、车身域、智驾域、座舱域。对于智驾和座舱来讲,算力、功能安全、信息安全要求都比较高,将其保持独立,现在可能会出现的是把动力域、车身域、底盘域这些车辆强相关的域集成成整车控制域,比如大众MEB平台,现在的华为也是按照这种思路在做。

从主机厂角度来看,主机厂和供应商合作模式也在变化,在传统分布式架构阶段,软件是由供应商主导的,电控厂商打包硬件和算法,主机厂主要是负责集成以及需求的提出。这块有很大的问题:

1.沟通比较冗余,一个功能由多个供应商来实现,效率比较低下。

2.更改自由度比较小。主机厂想做差异化产品,供应商想做平台化产品,最好是一个产品完成之后,不需要太大变更,就能应用到车上。

域控架构合作模式

OEM主要负责开发域控以及域控核心的逻辑,建立自己的软硬件平台。供应商更多会做标准化的东西。主机厂可以直接向供应商提出更深一层的需求,这样对于主机厂来讲可以实现快速迭代,实现用户价值。

如图,我们认为未来一个主机厂和供应商合作模式的变化。电控软件开发由供应商主导逐步变为主机厂主导,可能是更深层次的合作。传统上一般有两种模式:1.供应商提供完整的控制器,包括硬件和软件;2.供应商提供硬件和底层软件,主机厂负责算法。

随着域控整车EE架构的发展,这块模式可能会转变。不管是硬件、基础软件、中间件甚至应用层软件,可能主机厂和供应商是处于深度合作模式,硬件和软件都可能成为Tier1。

二、天际域控架构及域控平台介绍

天际汽车目前规划了四大域控,车身域、动力域、智驾域、车联域。传输媒介会有千兆/百兆以太网,域控架构也是在演变过程中,部分域会部署SOA服务性软件架构,比如车身域,以及车联域,因为这两块可能和用户的感知联系是最紧密的,也是更容易实现服务型架构的。

在这几大域方面,天际目前都有部署。如车联域,第一代车联域已经搭载ME7量产了,采用的是高通的S820平台,目前第二代车联域也在规划中。对于智驾域,目前在做第一代智驾,以泊车作为起点。车身域目前已经在B样的状态。

天际目前动力域产品规划

升级路线相对比较明确:从硬件角度来讲,动力域控制器向高算力、高存储、高数据吞吐方向发展。从软件角度来讲,动力域最终目标还是实现中央计算平台,在整个产品升级过程中,1.集成更多功能;2.SOA架构的部署。

•天际第一代动力域VBU的情况

VBU是国内第一家实现动力域量产的控制器,整个VBU实现全栈自研,不管是从硬件、基础软件、应用层软件、HIL测试、功能安全,到最终系统标定,实现V模型全流程的开发。电子制造是委外的。

•动力域控VBU基本介绍

从算力层面不是最强的,但是它更主要的是顺应技术潮流,在天际汽车内部建立了V模型研发体系。

从硬件方面来看,VBU采用了英飞凌三核处理器,具备非常丰富的I/O资源,我们支持百兆以太网。从软件层面来看,应用了AUTOSAR的架构。从应用来讲,目前VBU已经集成了整车控制、电池管理、充电控制、增程控制功能。从产品来讲,遵循德系标准,不管是EMC还是可靠性验证,都是按照德国大众标准来做的。

•VBU架构设计

当时我们在规划动力域控时,做了很多工作,目前从动力系统来看,动力系统包含VCU、MCU、OBC、DCDC、BMS等,我们当时想把更多功能集成进来,但可能受制于供应商的原因,因为供应商是想做一些标准化的产品,如果我们把更多功能集成,势必成为定制化的产品。所以最终决定把VCU和BMS先做集成,因为电池包也是我们在做,内部比较好协调,所以形成VBU系统架构。简单来讲就是把BMU一拆为二,控制决策部分上移至VBU,将BMU传感部分下移至高压采集模块HVM。VBU负责所有的上层算法,高压采集模块HVM负责高压信号采集,绝缘检测以及电流采集,电芯电压及温度采集由从板负责。

•VBU系统架构

VBU作为动力的域控,对于电池包来讲,变成动力域的传感器和执行器,电池管理系统从电池包内进行了剥离。天际汽车有增程系统、有纯电,其实我们有不同的电池包。在现有VBU系统架构下,实现了不同电池包不管是CAN接口还是硬线接口都标准化了,对于VBU软件或策略开发是不受影响的。

•VBU软件整合

我们经历了从分开到融合的阶段。左图是初始阶段,VCU和BMS是独立的两个控制器,它们的通讯是通过CAN或硬线进行交互。在VBU开发的中间某个阶段,并没有把整个软件完全整合,在软件内部BMS和VCU的模块还是相对独立的,只不过它们的通讯变成了软件模块之间的通讯。目前已经把VBU在软件架构层面整合到了一起。

•VBU系统功能融合

对于整车控制强相关的模块,比如扭矩,将其保持独立;对于BMS,SOX、电压、电流采集等,因为就是一个比较独立的模块,也是保持独立;对于其他VCU和BMS联系比较紧密的模块,比如整车模式管理、上下电量能量管理、热管理等等,做了深入整合。

•下一代动力域控思考

1.硬件平台

主要是算力提升。目前VBU还是单MCU的架构,注重安全。到下一代,会加入高算力的SOC,对于通信方式、数据吞吐也会做升级,存储也会做升级。

2.软件平台

安全相关的会部署传统的AUTOSAR架构,同时在SOC上部署Adaptive AUTOSAR。

3.系统功能

希望整个动力域控慢慢进入到混合域的架构。从动力系统来讲,希望整个动力域控融合更多的整车级别的控制软件,除了整车控制、电池管理、充电,是不是OBC、DCDC一些上层逻辑也可以移过去,甚至部分电机控制也可以移植,这是我们目前所思考的。对于跨域融合来讲,希望能够慢慢融入其他一些功能,比如整车热管理、车身功能、ADAS功能、底盘功能,最后为中央计算平台做技术储备。

在强大算力以及基于服务的软件架构上,会部署动力系统自学习、电池生命周期管理,包括有专家提到的千车千策,现在也是天际在做的事情,但从目前动力系统VBU或者VCU来讲,还是有一些可升级的东西。比如千车千策,不管是云平台还是国家的监控平台,数据上传频次较慢,但整个车辆控制可能是10毫秒,其实需要在车端对数据进行一些预处理,需要强大的算力以及基于服务性的架构。

三、域控硬件设计差异及挑战

统计了传统分布式控制,以及目前域控的一些关键技术(图表)。从硬件技术来讲,发展到域控,甚至发展到中央计算平台,我们的技术也是和通讯、手机、IT行业更加紧密结合。这些技术可能在通讯或手机行业里已经是非常成熟的技术,但是如何把这些技术做到车规级别,不管是整车厂还是Tire1都要考虑的问题。

•域控硬件架构变化

1.分布式控制器目前还是单处理器架构,域控是单处理+多块SOC的架构,因为MCU不能少,整个动力系统还是安全的系统。

2.芯片架构,不管是英飞凌的TriCore,还是PowerPC是多核同构的处理器架构,后面逐步会转向多核异构的架构,可能同一个SOC会集成ARM、MIPS、DSP、GPU等。

3.芯片算力,做了一些调查,对于英飞凌TC275等效算力是0.61TOPS,而英伟达Orin的算力可达254TOPS。

4.Memory,对于存储目前主要是内置Flash,存储空间比较小,逐步转向外部的Nor Flash、EMMC、UFS等等。

•域控电源架构变化

电源架构越来越复杂,左图是我们做的某一款电机控制器的电源拓扑,电源种类只有9种,右边是天际车身域控的电源拓扑,电源种类到了24种。

对于分布式控制器来讲,或对于MCU来讲,没有严格的上下电时序,对于SOC或MPU有非常严格的上下电时序要求,电源完整性要求更高。

•域控通信接口变化

汽车板内总线及现场总线越来越丰富,总体趋势是低速向高速发展。目前主流的现场总线:SPI、UART、IIC、CAN、LIN、FlexRay、MOST等。域控平台将大量应用DDR SDRAM,eMMC,RGMII,SGMII,XFI,PCIe这种高速的接口。

对于目前控制器来讲,板内总线传输速率都是兆级别,但是对于域控,比如用到PCIE3.0或4.0,其中PCIE3.0符号率达到8个G,PCIE4.0达到16个G,这块都是非常大的挑战。

域控相比传统分布式控制器有非常多的变化,以上是主要的变化,这些变化必然会带来一些挑战。

域控硬件设计挑战

1.PI电源完整性

电源完整性的问题主要有两个原因:

第一,硬件往高速发展,高速对于半导体来讲就是开关频率越来越高。对于控制器电源来讲,其实也是等效为LC谐振网络,频率越高,如果LC谐振做得不好,电源系统阻抗会变得非常大。我们期望的电源从DCDC或LDO进入芯片内部,期望是稳定的电源,但实际到了芯片端已经是比较杂乱的波形。

第二,总线低压等级降低。目前电压等级是5v和3.3v,对于高速信号不是这样的,比如以LPDDR4来讲,电压摆幅只有440毫伏,整个信号噪声容限变严。后果是严重影响整机产品性能,比如整机可靠性、信噪比、误码率、EMC、EMI。而且这种影响不是在设计或测试阶段一定能发现的,因为这可能是系统性的问题。

建议:对于电源完整性来讲,在设计端,原理阶段去耦设计;在Layout阶段,层叠、地平面、去耦电容的布局布线等;在设计初期要进行电源完整性仿真;测试阶段要进行完整测试,对测试手段、测试方法都有比较高的要求。

2.信号完整性

归根到底信号上升沿时间大幅度减小,主要存在两块问题:反射,反射会引起振铃/过充/信号单调性等问题;串扰,信号比较靠近的话,噪声就串扰到其他信号上;从时域看,眼图眼睛睁不开,从频域来讲,EMI/EMC过不了。

建议:需要自上而下完整的SI分析方法。原理图设计阶段进行比较好了的匹配和端接;Layout阶段注意各种注意事项,特别要进行Layout时域和频域仿真,把这种风险提前发现,因为整个硬件的迭代代价比较大;测试阶段也需要完整的SI测试。

整个行业内这块做得不是特别完善,不管是从仿真方面还是后期的测试方面,可能因为开发时间、成本的要求,这块做得不太好。

3.EMC

EMI干扰源增强,主要有以下几个方面原因,

板内DDR4、eMMC、PCIe等高速信号增加;时钟电路增加(SoC、DDR、以太网);对外增加百兆/千兆以太网接口,视频接口等;系统内部电源拓扑复杂、回路增加。

EMC抗扰要求增高。

(1)整车EMC环境更加恶劣,之前是以机械硬件为主的车,车上电子部件相对比较少的,现在一辆车电子部件,有些车甚至达到上百个,整个电磁环境非常严苛。

(2)高速信号容错余量变小了,主要是电压摆幅。

(3)与试验标准有关,现在很多车厂标准基本要满足Class4。

措施要从原理、Layout、仿真方面、结构设计等方面进行控制。

4.功耗及散热

以电控来讲,目前独立的ECU普遍在10w以内,有一些驱动就1~2w,整个功耗可以通过被动散热解决。但对于域控来讲,这个功耗会达到100w左右,这时候不能是简单被动散热。中央计算平台功耗预计会达到上千瓦,不管是结构散热设计,还是仿真方面,都需要好好考虑,。

5.设计寿命

这是电动车和传统车比较差异化的地方,对于电动车来讲,工作时间有两种:驾驶、充电。我们规定15年30万公里,规定驾驶时间是8000小时。这是分布式控制器所需要达到的设计寿命。对于电动车或域控来讲,除了工作时间外,还有比较长的充电时间,而且充电时间已经占到了绝大多数。假设按每月充10次电计算,按每周充1次快充,整个域控制器设计寿命要达到2.6万多小时,传统只有8000多小时。

这块对于验证来讲也是比较大的挑战。传统控制器做高温耐久,可能只需要做1800小时,这是基于6个控制器,可靠度是95%、可信度是50%。对于域控制器可能需要做5900小时左右。

应对措施,在设计选型时需要详细评估器件以及材料的寿命和实际整车运行环境,必要时做一些可靠性或失效率仿真。测试方面,应对项目节点要求,增加测试样件,减少测试时间。

6.测试及验证

测试及验证方面,整体复杂度提升,测试工作量加大。不管是从测试工具还是环境的搭建,还有测试项目,对测试人员技术能力的要求也越来越高。

7.工艺需求提升

元器件和线路尺寸变小。现在已经大量使用0402封装,后期0201小封装器件可能会导入。Layout线宽线距变小。传统分布式控制器可能是6mil,后面高速信号设计可能达到3mil,甚至还有一些盲埋孔设计,对PCB制造工艺提出了更高的要求。封装种类增加,比如大量使用QFN,BGA封装,对SMT工艺也提出了更高的要求。

组装和测试工艺增加。随着域控以及中央计算平台的应用,对组装工艺提出了更高的要求(点胶、散热、气密等),对生产测试的要求也越来越高。

以上就是今天分享的内容。谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

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2021年北京车牌租赁价格稳中有升,一部分考虑出租京牌的客户想在高点卖出一个好价,导致积压大量闲置京牌。而没有中签但急于买车的人群想等待更适中的价格,投入大量精力寻找性价比更高的京牌。

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在这里58京牌给买卖双方提出几点中肯的建议:

1.租赁双方的资质比租赁价格重要

2.如果不是可信的至亲好友,请把车牌托管给专业公司

3.京牌租赁价格只升不降,但目前已经到了价格瓶颈,可以考虑成交

4.根据现状选择最适合自己的京牌获取方案:一、短期租赁;二、长期租赁;三、结婚过户;四、公司牌照;五、背户(不建议)

5.租赁车牌存在一定风险,长期租赁有收不回车牌的风险,请考虑清楚。而短中期租赁也就是1-10年,专业车牌托管公司会要求租用方缴纳尽量高额的第三者责任险,同时明确车辆产权。

6.在最后,58京牌建议消费者和经营多年、略有规模的京牌托管公司合作,这两点缺一不可。因为经过多年的经营,有较强的风险规避和服务能力,并且价格和合同中不会给买卖双方埋雷。希望您有京牌租赁需求时,可以想到58京牌,我们将以诚挚的热情为您提供满意的服务!

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