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过去十多年的汽车智能化和信息化发展产生了一个显著结果就是ECU芯片使用量越来越多。从传统的引擎控制系统、安全气囊、防抱死系统、电动助力转向、车身电子稳定系统；再到智能仪表、娱乐影音系统、辅助驾驶系统；还有电动汽车上的电驱控制、电池管理系统、车载充电系统，以及蓬勃发展的车载网关、T-BOX和自动驾驶系统等等。

传统的汽车电子电气架构都是分布式的（如下图2-1），汽车里的各个ECU都是通过CAN和LIN总线连接在一起，现代汽车里的ECU总数已经迅速增加到了几十个甚至上百个之多，整个系统复杂度越来越大，几近上限。在今天软件定义汽车和汽车智能化、网联化的发展趋势下，这种基于ECU的分布式EEA也日益暴露诸多问题和挑战。

图2-1 汽车分布式EEA

为了解决分布式EEA的这些问题，人们开始逐渐把很多功能相似、分离的ECU功能集成整合到一个比ECU性能更强的处理器硬件平台上，这就是汽车“域控制器（Domain Control Unit，DCU）”。域控制器的出现是汽车EE架构从ECU分布式EE架构演进到域集中式EE架构（如图2-2所示）的一个重要标志。

域控制器是汽车每一个功能域的核心，它主要由域主控处理器、操作系统和应用软件及算法等三部分组成。平台化、高集成度、高性能和良好的兼容性是域控制器的主要核心设计思想。依托高性能的域主控处理器、丰富的硬件接口资源以及强大的软件功能特性，域控制器能将原本需要很多颗ECU实现的核心功能集成到进来，极大提高系统功能集成度，再加上数据交互的标准化接口，因此能极大降低这部分的开发和制造成本。

对于功能域的具体划分，各汽车主机厂家会根据自身的设计理念差异而划分成几个不同的域。比如BOSCH划分为5个域：动力域（Power Train）、底盘域（Chassis）、车身域（Body/Comfort）、座舱域（Cockpit/Infotainment）、自动驾驶域（ADAS）。这也就是最经典的五域集中式EEA，如下图2-2所示。也有的厂家则在五域集中式架构基础上进一步融合，把原本的动力域、底盘域和车身域融合为整车控制域，从而形成了三域集中式EEA，也即：车控域控制器（VDC，Vehicle Domain Controller）、智能驾驶域控制器（ADC，ADASAD Domain Controller）、智能座舱域控制器（CDC，Cockpit Domain Controller）。大众的MEB平台以及华为的CC架构都属于这种三域集中式EEA。

图2-2 域集中式EE架构

2.

域控制器市场概述

2018年，基于德尔福提供的域控制器技术，奥地利TTTech公司开发的zFAS控制器率先应用在奥迪A8当中。伟世通公司则推出了SmartCore域控制器，集成信息娱乐、仪表板、信息显示、HUD、ADAS等功能。这些产品开创了商用功能域控制器产品之先河，全球各大Tier 1供应商纷纷跟进，整个域控制器市场逐渐发展起来。

在国内市场，华为、德赛西威、航盛电子、东软等企业也推出了DCU解决方案，并得到了国内车企的采用。比如，2020年小鹏汽车推出的智能轿跑P7就采用了德赛西威基于英伟达Xavier打造的自动驾驶域控制器产品——IPU03。

当前，整个业界对DCU市场都有非常乐观的预期。据佐思产研的预测，2025年全球汽车DCU（座舱+自动驾驶）出货量将超过1400万套，2019-2025期间年平均增长高达50.7%。

图2-3 全球域控制器市场预测

整个汽车行业普遍认为，域控制器是汽车电子行业未来竞争门槛最高的部分，因此利润也最高，芯片厂商和核心算法供应商将会受益。

(一) 域控制器市场快速增长背后的驱动因素

更多更好的ADAS功能和智能座舱与信息娱乐功能一直是推动域控制器市场快速增长的主要因素，这些新功能能明显提高整车的科技感和用户体验，因此也是主机厂开发新车型时的投入重点。L1到L2+级别之间的ADAS应用是这几年发展非常快，很多功能都正在快速普及，比如：停车辅助、车道偏离预警、自适应巡航、碰撞避免、盲点侦测、驾驶员疲劳探测等。

域控制器需要一颗性能更强、集成度越高的主控处理器来作为其大脑，更多原本通过分离ECU实现的功能现在可以放到域主控处理器上来实现，也因此就能更加节省功能域里所需的ECU用量和其它硬件资源。更高的集成度可以更主机厂供应链管理实现ADAS域控和相关零部件平台化和标准化的要求。

(二) 对域控制器供应链的影响

汽车E/E架构的演进和发展，也深刻影响了主机厂和汽车电子供应商的供应关系。主机厂的核心竞争力从以前的机械制造为主，全面转向软件和算法为重点。预计未来整车厂与Tier 1供应商之间将可能有两种合作模式：

• 其一，Tier 1负责域控制器硬件设计和生产，以及中间层Middleware软件部分。整车厂负责自动驾驶软件部分。Tier 1的优势在于以合理的成本将产品生产出来并且加速产品落地，因此整车厂和Tier 1进行合作生产方式是必然，前者负责自动驾驶软件部分，后者负责硬件生产、中间层以及芯片方案整合。这种模式下，在项目立项时，整车厂又可能跨过Tier 1直接与芯片厂商确定方案的芯片选型。
• 其二，Tier 1自己与芯片商合作，做方案整合后研发中央域控制器并向整车厂销售，例如大陆ADCU、采埃孚ProAI、麦格纳MAX4等。

2.1 智能座舱域控制器

座舱智能化的实质是基于汽车驾驶舱中的人机交互场景，将驾驶信息与娱乐信息两个模块进行集成，为用户提供高效的、直观的、充满未来科技感的驾驶体验。智能座舱的设计诉求主要是用于提升用户的驾乘体验，同时还要保证用户驾乘的安全性和舒适性，最终实现汽车作为人们工作和家庭场景以外的第三生活空间这一终极目标。

智能座舱域包括HUD、仪表盘（Cockpit）和车载娱乐信息系统（In-Vehicle Infotainment，简称IVI）三个最主要的组成部分。

HUD是非常实用的功能，将ADAS和部分导航功能投射到挡风玻璃上，诸如ACC、行人识别、LDW、路线提示、路口转弯提示、变道提示、剩余电量、可行驶里程等。HUD将很快会演变为AR HUD，在L3和L4时代成为标配。

进入L3时代，驾驶员状态监测（Driver Status Monitor，DMS）将成为必备的功能，包括：面部识别、眼球追踪、眨眼次数跟踪等将引入机器视觉和深度学习算法。而L4时代则必备V2X（Vehicle to everything）。

另外，多模态交互技术的蓬勃发展将会极大改变用户与汽车的交互模式。基于语音识别功能的语音交互技术越来越普及，常用于跟IVI系统的交互操作。进一步还能通过语音来对驾驶员进行情绪状态分析。当DMS系统检测到驾驶员昏昏欲睡时，系统可以通过播放音乐或者释放香味来唤醒驾驶员；基于多场景下的汽车座舱多模态交互技术未来一定会重新定义人机交互技术的发展。

所有这些智能座舱新技术的发展，都将推动对座舱域计算资源需求的暴增。

智能座舱域控制器领域，全球Tier 1厂商主要包括：博世、大陆汽车、哈曼、伟世通和Aptiv（安波福）等。中国本土企业主要有德赛西威、航盛和东软睿驰等。

表2-1 全球主要座舱域控制器厂商信息

2.2 ADAS域控制器

ADAS域控制器通常需要连接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达等传感器设备，要具备多传感器融合、定位、路径规划、决策控制、无线通讯、高速通讯的能力，要完成包含图像识别、传感器数据处理等诸多功能，因此要完成大量运算，域控制器一般都要匹配一个核心运算力强的处理器，能够提供自动驾驶不同级别算力的支持，目前业内有NVIDIA、华为、瑞萨、NXP、TI、Mobileye、赛灵思、地平线等多个方案。

自动驾驶技术目前是全球科技行业最前沿的方向。L1到L2+级别的辅助驾驶技术和功能已经日趋成熟，搭载ADAS功能和应用的很多车型开始进入大规模量产。可以遇见L1/L2级别ADAS功能的市场渗透率将快速提升，而L3/L4级别自动驾驶系统仍处于小规模原型测试阶段。

当今的自动驾驶行业，中国市场绝对是主力。今年中国L2的搭载量预计突破80万，中国品牌占据绝大部分份额。未来中国市场ADAS功能的渗透率还将持续快速提高，中低端汽车所配置的ADAS功能将逐步增多。根据艾瑞咨询研究报告显示，预计2025年ADAS功能在乘用车市场可以达到65%左右的渗透率。L3级别的高速自动领航HWP功能和L4级别的AVP自动泊车功能，目前车型渗透率较低，未来提升空间较大。

图2-4 中国ADAS功能市场渗透率预测

ADAS域控制器正在从过去的分布式系统架构演变到域集中式架构。过去一套ADAS系统，要有好几个独立的ECU才能实现，比如车道偏移和交通识别ECU、前向碰撞预警ECU、泊车辅助ECU等。现在有了功能强大的集中式ADAS域控制器后，一个域控制器就实现了所有功能。系统的软硬件复杂度大大降低，可靠性也得到了提高。

目前业内提供ADAS域控芯片平台的有NVIDIA、华为、瑞萨、NXP、TI、Mobileye，以及国内本土的地平线和黑芝麻等多个方案。下表2-2总结了全球主要ADAS域控制器厂商及其客户和伙伴信息。

表2-2 全球主要ADAS域控制器厂商信息

域控制器发展趋势

域控制器的兴起对传统的汽车MCU厂商造成了极大的挑战，“因为MCU使用量将大大减少，传统的MCU产品其演进路线将不复存在”。

在分布式ECU时代，计算和控制的核心是MCU芯片，传输的基础核心是基于传统的CAN、LIN和FlexRay等低速总线。但在域控制器时代，高性能、高集成度的异构SoC芯片作为域的主控处理器，将成为域控制器的计算与控制的核心芯片。而汽车TSN（Time-Sensitive Network）以太网因为具有高带宽、实时和可靠的数据通信能力等特点，必将成为整车通信的核心基础设施，尤其是域主控处理器之间的通信主干网。

下面我们来简单分析一下域控制器以及核心的主控处理器的一些关键技术和趋势。

3.1 高性能

总的来说，对算力的需求提升一直是域控制器核心芯片发展的主要推动力。一方面原本由多个ECU完成的功能，现在需要依靠单一的域主控处理器来完成，并且还需要管理和控制所连接的各种传感器与执行器等。比如：底盘、动力传动系统和车身舒适电子系统的域主控处理器，其算力需求大约在10000DMIPS-15000DMIPS左右。

图2-5 汽车域控制器对CPU DMIPS算力的需求预测

新的智能汽车，除了要更多的与人交互外，更需要大量的对环境进行感知，这就需要计算和处理海量的非结构化数据，因此座舱域和自动驾驶域都要求高性能的CPU，比如就座舱仪表的CPU算力而言，它其实跟一部高端智能手机的CPU算力差不多，约为50000DMIPS左右。此外，为了支持L2辅助驾驶功能或者更高级别的自动驾驶功能，需要运行很多视觉DNN模型算法，这就又额外需要上百TOPS的AI算力。

所以，各芯片厂商总是会尽量使用更先进的制程工艺、更先进的CPU核于与NPU核来尽量提高域主控芯片的CPU核心性能与NPU性能。

3.2 高异构性

伴随着AI技术在视觉领域的应用，基于视觉的自动驾驶方案逐渐兴起，这就需要在CPU的基础上加装擅长视觉算法的GPU芯片，从而形成“CPU+GPU”的解决方案。不过，“CPU+GPU”组合也并非最优解决方案，因为 GPU 虽然具备较强的计算能力，但成本高、功耗大，由此又逐步引入了FPGA和 ASIC 芯片。

总体来看，单一类型的微处理器，无论是 CPU、GPU、FPGA还是ASIC，都无法满足更高阶的自动驾驶需求，域控制器中的主控芯片会走向集成“CPU+xPU”的异构式 SoC（xPU 包括 GPU/FPGA/ASIC等），从而能较好的支撑各种场景的硬件加速需求。

3.3 高集成度

从功能层面上，域控制器会整合集成越来越多的功能。比如动力系统域可能把发动机的控制、电机控制、BMS、车载充电机的控制组合在一起。有些主机厂甚至直接一步到位，将底盘、动力传动以及车身三大功能域直接整合成一个“整车控制域（Vehicle Domain Controller，VDC）”。

要支持这些功能的整合，作为域控制器的大脑，域主控处理器SoC就需要集成尽可能多的接口类型，比如：USB、Ethernet、I2C、SPI、CAN、LIN以及FlexRay等等，从而能连接和管理各种各样的ECU、传感器和执行器。

3.4 硬件虚拟化

对硬件虚拟化技术的需要主要来自两方面：（1）硬件资源的分区与隔离；（2）支持混合安全等级。

原本需要多个ECU实现的多个功能都整合到域控制器上后，势必会导致域控制器的软件更为复杂，这势必会导致整个软件系统的出错概率增加、可靠性下降。而且多个应用混合运行在同一个操作系统上，经常会出现故障传播（Failure Propagation），也就是一个应用出现问题后，会使得整个系统底层软件和硬件都处于紊乱状态，从而导致其它原本正常的应用也会开始出现故障。因此通过硬件虚拟化技术对硬件资源进行分区（Partition），使得各个功能对应的软硬件之间互相隔离（Isolation），以此保证整个系统的可靠性。

另一方面，在汽车电子系统中，通常不同的应用其对实时性要求和功能安全等级要求都不同。例如，根据ISO 26262标准，汽车仪表系统与娱乐信息系统属于不同的安全等级，具有不同的处理优先级。汽车仪表系统与动力系统密切相关，要求具有高实时性、高可靠性和强安全性，要求运行在底层实时操作系统上（比如QNX）。而信息娱乐系统主要为车内人机交互提供控制平台，追求多样化的应用与服务，以Linux和Android为主。为了实现混合安全等级的应用，实现不同的操作系统运行在同一个系统上，这就需要虚拟化技术的支持。

车载硬件虚拟化技术的核心是Hypervisor，它是一种运行在物理服务器和操作系统之间的中间层软件，可以允许多个不同虚机上的操作系统和应用共享一套基础物理硬件。当系统启动时，首先运行Hypervisor，由它来负责给每一台虚拟机分配适量的内存、CPU、网络、存储以及其它硬件资源等等（也就是对硬件资源进行分区），最后加载并启动所有虚拟机的客户操作系统。

一句话总结一下基于Hypervisor的优点：它提供了在同一硬件平台上承载异构操作系统的灵活性，同时实现了良好的高可靠性和故障控制机制, 以保证关键任务、硬实时应用程序和一般用途、不受信任的应用程序之间的安全隔离，实现了车载计算单元整合与算力共享。

3.5 ISO 26262功能安全

功能安全是汽车研发流程中非常关键的要素之一。随着系统复杂性的提高，来自系统失效和随机硬件失效的风险日益增加。ISO 26262标准制定的目的就是更好的规范和标准化汽车全生命周期中的功能安全管理和要求，包括：概念阶段、系统研发、硬件研发、软件研发、生产和操作过程、售后等环节，尤其重点在产品设计阶段如何定义和实现功能安全的目标。

载汽车功能安全标准ISO26262-5 2018 “产品开发：硬件层面附录D”中对处理器单元的诊断覆盖率推荐的安全技术措施中，双核锁步(dual-core lockstep)、非对称冗余和编码计算是三种典型的硬件冗余技术措施。除此之外，硬件BIST、软硬件Self-Test技术、ECC等也是常见的提高处理器安全特性的设计措施。

图2-6 ISO26262标准中的功能安全芯片设计技术

双核锁步CPU是一种CPU冗余技术，在一个芯片中包含两个相同的处理器，一个作为master core，一个作为slave core，它们执行相同的代码并严格同步，master可以访问系统内存并输出指令，而slave不断执行在总线上的指令（即由主处理器获取的指令）。slave产生的输出，包括地址位和数据位，发送到比较逻辑模块，由master和slave总线接口的比较器电路组成，检查它们之间的数据、地址和控制线的一致性。检测到任何总线的值不一致时，就会发现其中一个CPU 上存在故障，但不会确定是哪个CPU故障。

这种CPU架构使得CPU自检独立于应用软件，不需要执行专门的指令集自检，实际运行的软件指令在每个时钟都进行比较，只需要测试软件用到的CPU资源，但这种架构不会对内存和总线进行检测，需要增加单独的检测方法以避免两个CPU的共模故障。

3.7 网络卸载引擎

汽车网络会存在多种通信总线。骨干网未来势必会基于TSN以太网来构建，但是从域主控处理器到ECU或者传感器之间的通信则仍然是基于传统的车载低速总线，比如：CAN、FlexRay等。域主控处理器作为域控制器的核心，是所有ECU和传感器通信的汇聚中心。因此如果要依靠CPU的算力来完成不同总线间的协议转换，以及跨域通信的网络包处理的话，势必会占用宝贵的CPU算力资源。

因此基于硬件来实现网络协议转换处理的网络卸载引擎，对于各个域（包括中央网关）的域主控处理器是非常重要的技术。

3.7 Security引擎

连接性（Connectivity）是汽车智能化发展的一个很重要的趋势，未来的汽车一定会像今天的手机一样随时保持连接到互联网中。因此如何阻止未经授权的网络访问，以保护汽车免于受到黑客的攻击，对未来的智能汽车而言就会变得极为重要。下一代硬件安全模块（Hardware Security Module，HSM）正在成为下一代车载网络通信的重要基础设施之一。

HSM对于完全的安全车载通信（Secure Onboard Communication，SecOC）是必不可少的。HSM能确保所接收到的数据的真实性，防止攻击者绕过相关的安全接口，入侵车载网络。

基于硬件的安全模块主要解决两个问题：

1. 密钥泄漏问题：如果密钥存储在应用程序的代码或数据中，很容易被泄漏。所以有必要增加一个硬件模块，专门存储密钥。
2. Crypto算法加速：通过内核来直接进行加密或解密运算会占用大量CPU算力资源。因此，有必要通过硬件模块来进行加密解密算法的加速。

SHE（Secure Hardware Extension）标准是由奥迪和宝马公司合作制定的、针对硬件安全模块HSM的规范，它主要包括密码模块的硬件、硬件软件接口。这个规范已被广泛接受，很多针对汽车行业的微处理器都支持这个规范。

3.8 面向服务的软件架构SOA

ECU原先运行的软件大多数是按照Classic AutoSAR规范开发的软件系统，其中的应用软件一般都是静态调度（Static Scheduling）模式的，也即在系统运行时，程序中不同功能的函数按照事先定义好的排序文件依次调用、逐个运行。静态调度的优点是资源分配问题都是事先安排好的，车辆量产后就不会再改变，每个功能对应的函数代码具体运行时间也被提前锁定，是确定性的。因此这种设计对于汽车上很多对功能安全要求苛刻的场景是非常适合的。比如：决定安全气囊是否打开的功能函数就是固定地每隔几毫秒运行一次，以便紧急情况下可以及时打开。

承载计算和控制的底层硬件从分散的多个ECU集中到多核、异构的高性能域主控处理器后，相应的软件也会从分散向集中、从简单向复杂、从静态向动态进化。下图2-7显示了以后汽车域控制器上的典型软件架构：

图2-7 域控制器上基于空分虚拟化技术的典型软件架构

• 操作系统层：最底层利用Hypervisor虚拟化技术对硬件资源进行分区(partition)，从而可以在每个虚机运行不同的操作系统。比如在上图中，虚机VM1中运行兼容POSIX实时操作系统标准（比如PSE 52）的RTOS，RTOS上通常要承载功能安全相关的应用和服务；虚机VM2中运行Linux这种完全POSIX标准的分时操作系统，上面通常运行管理相关的功能和服务；虚机VM3中运行的可能是原来在ECU上运行的Legacy应用。
• 中间件层：操作系统是不做任何与“车”特定相关工作的。为了让域主控处理器在汽车场景下使用，需要有很多软件或者中间件用于让域控制器满足汽车的电源管理标准、网络管理标准以及诊断标准等；车载域控制器需要比一般工业嵌入式系统有更高的可靠性要求，这样就需要在计算机OS基础上再附加对存储和通讯等各方面的安全保护和容错机制；同时，位了让车载域控制器能够在整车EE架构下运行，还需要提供时钟同步、日志跟踪以及服务管理和发现等功能。Adaptive AutoSAR规范定义了运行在Linux或者完全兼容POSIX 1003.1标准RTOS上的这一层与“车”相关的中间件标准；而传统运行在POSIX子集的RTOS或者BareMetal模式的中间件规范则由Classic AutoSAR标准定义。
• 应用层：上层应用基于AutoSAR标准的中间件来进行开发。随着汽车智能化和网联化相关的功能越来多，上层应用软件也越来越复杂。位了降低单个应用的整体复杂性，我们可以借鉴互联网的面向服务架构（SOA）的软件设计思想，将一个复杂应用拆分多个服务。每个服务实现得尽可能小，尽量实现成无状态方式的服务，以利于整个系统的开发、测试和软件重用。服务与服务之间通过事件或者消息总线（发布/订阅工作模式）来进行通信，并降低互相之间的耦合度。通过服务配置来管理服务之间的依赖性、服务的部署和启动，以及服务的健康状态检测等。

汽车以太网给车载系统通信带来一个革命性的变化，在中央计算式汽车EE架构下，整个车载系统可以被看作是一个分布式网络系统：中央计算平台是一个小型服务器集群，区域计算平台是边缘计算节点。在互联网或者大型分布式系统中，SOA架构设计理念已经被广泛使用了。因此当IP网络技术被广泛应用于汽车后，很多在互联网或者分布式计算中已经很成熟的软件技术，自然会被借鉴到新的汽车软件架构设计中来，比如：RPC技术、事件/消息总线、RESTful API设计等。

大型互联网数据中心中的服务器集群动辄几百、上千台服务器，每秒百万、千万级别的并发。车载系统尽管可以被看作是一个分布式网络系统，但是它却没有互联网大型服务器系统的高并发特征，相反，它更注重通信的实时性和可靠性。

车载系统在物理上是向集中式发展的，也就是原来通过多个分散ECU来实现的功能，渐渐集中到几个主要的高性能域控制器上。因此，尽管在软件设计上，我们会尽量按照SOA的思路拆分成一个一个小的服务，但是这些服务在部署上其实是集中式的。鉴于这种物理部署上的“集中”与运行时的“分布式”并存的特点，因此我们可以通过一系列技术手段来优化服务与服务之间的通信延迟（比如：通过共享内存技术）。这是车载分布式系统与互联网强调高并发特性的分布式系统之间另一个显著的差别。

4.

小结

域集中式EE架构会是未来相当长一段时间占主要地位的汽车EE架构，域控制器作为域集中式EE架构的核心，会在整个汽车产业链中占据越来越重要的地位。其相应的芯片和硬件方案、操作系统和算法等将会成为整个产业链各上下游厂家的争夺焦点。

深度分析整车控制域现状与发展

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动力总成（Powertrain）系统是车辆的重要组成部分，它负责从车辆的储能单元进行能量转换，也即生成动力，然后将动力传送给车辆的驱动系统，从而驱动车辆行驶前进。

尽管传统燃油的内燃机车（ICEV）与电动汽车（Electric Vehicle）有着完全的不同的动力总成设计和部件，但从Powertrain架构上来看依然可以分为“储能系统”和“驱动系统”两大主要部分。EV使用动力电池取代了油箱来储能，相应地也增加了“电池管理系统（Battery Management System, BMS）”。同时EV采用了“电机(Motor)”取代内燃机引擎（Engine）来驱动车辆，因此“电机控制器（Inverter）”代替了“发动机控制器（Engine Control Unit，ECU）”。

对于ICEV车辆来说，从驾驶意图的获取到能源供给，再到能量的转化，几乎都是由发动机控制器ECU来完成的。而对于EV来说，类似的功能则由“整车控制单元VCU（Vehicle Control Unit，也称为电控单元）”来完成。VCU可以被视作电车的动力总成系统的主控单元，负责根据驾驶员意图、车辆运行状态以及整车控制策略，经过计算分析然后给各部件发出相应的控制命令，以实现电车的高性能安全行驶。因此也有人把VCU比喻成EV的“小脑”。

电机、电池和电控（也就是俗称的“三电”系统）构成了电动汽车的整车控制系统。狭义上的电控就是指整车控制器VCU，但是广义上的电控系统往往指由电机、电池和VCU组成的整车控制系统。

整车控制系统按照执行任务的层级可以分为“决策层”、“协调层”和“执行层”等，这三个层级构成了一个闭环控制系统。决策层由驾驶员构成；整车控制器VCU作为协调层根据车辆实时状态和决策层的指令对驾驶员的操作目的做出合理判断；整车控制器VCU将控制指令发送给执行层，由执行层执行相应控制命令。

下图4-1是一个纯电动汽车的典型整车控制系统的结构图。

如上图所示，整车控制系统以电控VCU为核心，通过CAN总线指挥储能系统、电机系统等关键的总成部件执行相应的上下电动作以及扭矩指令，最终完成整车的行驶运行。

整个控制系统也分为低压部分和高压部分，并由HV-LV DC/DC变换器完成高压到低压的转换。低压部分完成车辆控制器供电和信号采集通讯任务；高压部分通过高压线束将动力电池的电能传输到空调系统、电机等高压供电设备，实现动力电能的传输。

逆变器（Inverter，也即电机控制器），是纯电汽车动力性能的决定性部件之一。它从整车控制器获得整车的扭矩需求，从动力电池包获得电能，经过自身逆变器的调制，获得控制电机所需要的电流和电压，提供给电机，使得电机的转速和转矩满足满足整车行驶的需求。

VCU是电动汽车的核心部件，车辆的驾驶平顺性、能耗经济性以及运行可靠性等都与VCU息息相关。下图4-2是从VCU视角抽象的电控系统主要功能示意图，它获取驾驶意图和车辆运行状态作为输入信息，匹配驾驶需求，制定合理的功率输出和能量回收策略，并通过CAN总线或LIN总线将控制命令输出给其余Powertrain控制器。

备注：上图中的MCU代表的是Motor Control Unit，指包括逆变器在内的电机控制器单元。TCU代表Transmission Control Unit，指变速器控制单元。

具体而言，VCU通常需要实现以下6个方面的功能：

（1）获取驾驶意图和车辆运行状态：VCU必须能够采集“油门踏板信号”、“刹车踏板信号”、“档位手柄位置信号”等模拟量信号来判断驾驶员或者ADAS系统的驾驶意图。另外还需要采集“车速信号”、“电机转速”等频率信号，以及通过CAN总线采集的其它控制器信号，比如：电机输出扭矩、变速箱档位、电池荷电状态（SOC）等，通过计算和分析得出车辆运行状态信息。

（2）Powertrain控制：VCU最重要的功能就是根据驾驶员的驾驶意图和车辆实时状态，按照设定的控制程序向相应的powertrain子系统发送控制信号，从而控制整车行驶。比如：当驾驶员踩下加速踏板时，VCU向电机控制单元发送电机输出转矩信号，电机控制系统控制电机按照驾驶员的意图输出扭矩（Torque）。

VCU对扭矩的动态控制是影响整车行驶舒适性的关键因素。主要包括模式切换过程中的扭矩协调，以及换挡过程中VCU与自动变速器控制系统（Transmission Control Unit，TCU）之间的协调控制。模式切换过程与换挡过程均为高度瞬态过程，可能引起电机目标扭矩的突变，引起动力系统输出的动力不平稳。

（3）能量管理策略：VCU采用良好的能量管理策略，提高电池的能量使用效率，对于提升电动汽车的续航里程是至关重要的。能量管理策略包括整车控制、整车能量分配、制动能量回收等方面。

• 整车控制相关的能量管理策略是指日和合理地分配电机的输出扭矩，在满足驾驶员的需求扭矩和整车动力性的前提下，维持电机和电池组的效率在一个良好的范围内，从而达到高效、节能的目的。
• 整车能量分配是指对整车各部件使用能量进行优化。纯电动汽车有很多用电设备，包括电机和空调设备等。整车控制器可以对能量进行合理分配优化，来提高纯电动汽车的续驶里程。例如当动力电池组电量较低时，整车控制器发送控制指令关闭部分起辅助作用的电气设备，将电能优先保证车辆的安全行驶。
• 制动能量回收控制：纯电动汽车的电机可以工作在再生制动状态，对制动能量进行回收利用是纯电动汽车和传统能源汽车的重要区别。VCU根据行驶速度、驾驶员制动意图和电池组状态进行综合判断后，对制动能量回馈进行控制。如果达到回收制动能量的条件，整车控制器向电机控制单元发送控制指令，使电机工作在发电状态，将部分制动能量储存在动力电池组中，提高车辆能量利用效率。

（4）整车通讯网络管理：整车控制器作为整车控制系统的通讯中心节点，负责信息的组织、信息优先权的动态分配和传输、网络状态的监管及故断与处理。

（5）车辆状态检测与显示：VCU需要实时监测车辆的各种运行状态信息，比如：通过 CAN 总线通信获得车速、电池剩余电量、电机转速、电流等关键的车辆运行数据，并将它们发送给仪表盘显示系统，便于驾驶员准确掌握车辆整体运行状况完成相应操作。

（6）故障检测与诊断：正常情况下，VCU对整车运行状态进行实时监控。但是当发生故障时，必须及时报警，产生、存储和发送相应的故障码，根据故障等级的不同迅速采取相应的安全处理措施，确保车辆安全行驶。除了故障检测之外，VCU也需要实现故障状态下的保护功能，也就是按照出现的故障类别对整车进行保护，紧急状态下才去必要的措施进行安全保护，以防止极端情况的发生。

1.1.1 VCU的硬件组成

VCU硬件由主控芯片以及周边的时钟电路、复位电路、预留接口电路和电源模块等组成最小系统。在最小系统以外，一般还配备数字信号处理电路，模拟信号处理电路，频率信号处理电路，通讯接口电路（包括CAN通讯接口和RS232通讯接口）。如下图4-3所示：

• 开关信号包括：钥匙信号、档位信号、充电开关、制动信号等；
• 模拟信号包括：加速踏板信号、制动踏板信号、电池电压信号等；
• 频率信号包括：比如车速传感器的电磁信号，等等。
• 输出信号一般用于控制接触器等部件。

1.1.2 VCU的车辆驱动控制策略

驱动控制策略简而言之就是在特定的模式下采用最佳的特定转矩进行合理配置，从而最大限度地省电能，发挥出电动汽车的经济用性。这是整车控制策略的核心重点。

驱动控制策略将汽车运行模式分为以下几种，按照不同的运行模式采取不同的驱动控制策略：

1. 起步模式：整车控制器在完成对电动汽车的上电自检后，如果采集到驾驶员加速踏板信号，开始计算电机转矩，发送扭矩需求给电机控制单元。然后电机控制单元控制电机启动使电动汽车平稳起步。如果检测到动力电池组电量低于安全值，发送报警信号提醒驾驶员采取相应措施。

2. 正常驱动模式：指车辆处于正常运行状态，包括加速和倒车等模式。在这个模式下，VCU持续监测哥哥电气系统的状态参数（比如：电流、电压和温度等），以及车辆自身的行车状态参数（比如：车速、滑移率等），识别驾驶员意图，按照加速踏板的开度和开度变化率等，计算所需要的电机驱动扭矩和动力电池的输出功率等。最后，将这些输出发送给电机控制器单元等。当驾驶员挂入倒档时，倒档信号传入VCU，车辆进入倒档模式，此时需要VCU输出一个扭矩来平稳倒车。

3. 制动模式：当制动踏板被踩下后，进入制动模式。VCU分析制动踏板的开度和开度变化率，以及车速和车辆自身的车型参数，来推算所需的制动力矩，然后指挥制动控制器，做出最合理的制动力矩分配方案，以及是否优先启动ABS主导制动过程等。最终安全有效地实现驾驶员的制动意图。纯电动汽车区别于传统内燃机动力汽车的主要特点是可以对制动能量进行回收，即在制动过程中采用合理的制动能量回馈控制策略使电机工作在发电状态，对部分制动能量进行回收利用，提高车载能量利用效率。

4. 安全保护模式：保护模式非常重要，VCU需要确保电动汽车在驱动系统出现不同级别故障时采取不同的安全措施，以保证行驶安全。电动汽车在行驶过程中可能出现的故障按照严重程度被分成几个等级：1）故障等级低的，通常给驾驶员提示告警；2）故障等级高的，会强制车辆段时间内停车；比如：系统绝缘故障。3）中间等级的故障，通常会对车辆运行状态进行限制，但不会强制停车。比如：电池电量SOC低于30%，限速行驶。此时的动力电池系统，已经无法输出额定功率，而只能以一个较小的功率工作。

5. 充电模式：当VCU监测到充电枪与车辆充电插座物理连接确认后，辅助电源上电，相互发送握手报文并完成绝缘检测。外部充电机与BMS进行参数协商确认。充电机发送充电机最大输出能力报文给BMS，以确认是否可以以最大能力充电，若不可，则BMS发送电池包的最大接受能力。进入正式充电模式后，在此过程中，充电机和BMS实时互相发送状态信息，BMS周期性发送需求参数。

充电结束，其判别条件根据BMS的不同设置而有所不同，一般做法，充电最后恒压阶段，电流衰减到一个设定值或者设定的倍率，即认为电池包已经充满，充电过程可以结束。充电过程中，任何一方发生故障，比如过温、过流等，充电机都会发出报警，根据故障等级的不同，有的直接终止，有的等待人为处理。

动力电池包是电动汽车唯一的动力来源。对电池组进行有效管理是电动汽车整车能量管理的核心。电池管理系统（BMS）是整车控制系统中负责进行电池管理的控制单元，因此也是整车能量管理系统的重要组成部分。VCU通过CAN总线与BMS进行通讯，实施对动力电池组的有效控制；另一方面也通过CAN总线从BMS中获取动力电池组的当前状态信息，为整车的能量控制策略提供基准参考。

一个“动力电池包（Battery PACK）”通常由几个“电池模块（Battery Module）”组成。电池模块也简称为“模组”，我们通常把多个“电芯（Battery Cell）”用同一个外壳框架封装在一起，通过统一的边界与外部进行联系时，这就组成了一个模组。“电芯（Battery Cell）”是动力电池的最小单位，也是电能存储单元。如下图4-4所示：

图4-4 动力电池的“电芯-模组-电池包”的组成关系

BMS系统通常由电池控制器单元（Battery Control Unit，BCU）和电池管理单元（Battery Management Unit，BMU）组成。电池模组中的BMU主要任务包括：负责采样模组中的电芯的电压，执行电芯的电压平衡，采样和管理电芯的温度，通过CAN总线跟外部其余相关单元进行通讯等。而BCU的主要任务包括：测量电池包的总电压、总电流和绝缘状态等，管理充电和放电，评估电池荷电状态SOC/SOH/SOP值，此外它也是VCU与电池包之间的通讯中介桥梁。如下图4-5所示：

图4-5 VCU与BMS系统

BMS需要实现的主要功能包括以下几点：

• 对电池信息进行采集：准确采集电池包的总电流、总电压、最高单体电压、最高温度、电池包荷电状态SOC（State Of Charge），以及电池包荷电健康状态SOH（State Of Health）等参数数据。并将电池包的这些信息通过CAN总线通信网络发送给整车控制器VCU。
• 进行电池SOC估算。整车控制器VCU在进行整车能量管理时，必须考虑动力电池包的状态。电池剩余电量SOC是衡量电池状态的重要指标，表示电池当前剩余电量与额定电量的比值。如何根据电池的端电压，充放电电流，内阻等参数对电池剩余容量进行估计是电池管理系统研究的关键问题之一。
• 对电池包进行充放电控制：对电池包进行充放电控制对于保证电池包安全工作，防止电池过度充放电有着重要意义。整车控制器通过对电池管理系统的控制实现电池的充放电转换。
• 对电池包进行均衡控制：动力电池包里不同电芯单体间的不一致性是固有的，为了延长电池的使用寿命，电池管理系统需要提供均衡措施尽量减小单体电池之间的差异。对动力电池包进行均衡控制对提高电池使用寿命有着重要意义。
• 故障诊断及处理：动力电池包的运行环境非常恶劣复杂，一旦出现故障必然会导致电池性能的下降，情况严重会导致电池报废甚至爆炸。因此，电池管理系统必须具备及时预防故障和及时处理故障的能力。动力电池包可能出现的故障主要有：过充、过放、过温、过流、容量过高、容量过低等。电池管理系统的故障诊断及处理是实现电池组安全工作的重要保障。

电机控制器（Motor Control Unit，MCU)和驱动电机共同组成了电机系统。电机控制器接收来整车控制器VCU的需求扭矩和目标车速等信息，然后通过里面的单片机控制IGBT 模块进行动态扭矩矢量控制，以控制电机将电池包的电能转化成机械能。

电机控制器主要由中央控制模块、功率模块、驱动控制模块以及各种传感器等组成。

• 中央控制模块包括：PWM波生成电路、复位电路、传感器信号处理电路、交互电路等。中央控制模块的两大功能：1）对外，通过IO接口获取整车上其他部件的指令和状态信息。对内，把翻译过的指令传递给逆变器驱动电路，并检测控制效果。
• 功率模块：电机控制器的主体是“逆变器（Inverter）”。逆变器对电机电流电压进行控制。经常选用的功率器件主要有MOSFET或者IGBT等。
• 驱动控制模块：它的作用是将中央控制模块的指令转换成对逆变器中可控硅的通断指令，并作为保护装置，具备过压、过流等故障的监测保护功能。
• 传感器：包括电流传感器、电压传感器、温度传感器、电机转轴角位置传感器等。

整车控制域的芯片主要是以各种MCU芯片为主，强调低功耗设计、控制实时性以及ASIL-D等级的功能安全等特性，软件上则主要以AutoSAR CP平台为主。传统汽车电子厂商（包括瑞萨、TI、NXP和Infineon等）都有丰富的针对整车控制器的MCU芯片方案。这里介绍一下NXP的S32系列MCU芯片。

2.1 S32K3系列MCU芯片

NXP S32K3是基于ARM Cortex-M7内核所打造的、可支持ASIL-D级别功能安全的系列家族MCU芯片产品。它的设计应用场景包括：电机控制器、车身控制器、BMS等整车控制域中各种控制器单元。S32K3强调芯片架构的伸缩性，支持单核、双核和锁步（Lockstep）核等不同内核配置，以灵活适应各种不同场景的需求。

图4-6 NXP S32K3家族MCU

下面是S32K3 MCU的芯片特性：

• ARM Cortex-M7内核，120-240 MHz运行频率，支持Lockstep模式。
• 512KB到8MB大小的Flash存储，支持ECC
• FOTA支持：A/B模式的固件升级机制，支持回滚机制
• 低功耗的运行与Standby模式，快速唤醒功能，时钟与电源门控设计
• BGA和MaxQFP封装，48-289 pin角。相比于标准的QFP封装，新的MaxQFP封装可以大大减小封装footprint。
• AEC-Q100可靠性认证：Grade 1 (-40 °C 到 +125 °C) 和Grade 2 (-40 °C to +105 °C)

(二) Safety、Security和外设接口特性：

• ISO 26262功能安全：最高可支持到ASIL-D级别
• 失效收集和控制单元（Fault Collection and Control Unit, FCCU）
• 硬件Watchdog，软件Watchdog计时器，时钟/电源/温度监控机制。
• NXP SafeAssure支持
• 硬件Security引擎（HSE）：ASE-128/192/256，RSA和ECC加密，Secure Boot，密钥导入和存储，侧信道保护机制，ISO 21434等。
• TSN以太网、I3C、CAN-FD、FlexIO（SPI/IIC/IIS等）、QSPI接口和串行Audio接口
• 专用的电机控制外设接口：enhanced Modular IO Subsystem(eMIOS), Logic Control Unit (LCU), TRGMUX, Body Cross-triggering Unit (BCTU), Analog to Digital Converter (ADC), and Analog Comparator (CMP)

图4-7 S32K3xx MCU Block Diagram

NXP也提供了完整的软件解决方案，可以极大降低客户开发车载控制器产品的难度，缩短产品开发周期。下图4-7是NXP S32K3的软件栈：

图4-8 S32K3xx MCU解决方案的软件栈

(一) 软件解决方案中的标准软件部分（产品级质量保证，且无需额外付费）包括：

• HSE固件：标准版本的HSE Firmware是可以升级的
• Real-Time Drivers（RTD）：覆盖所有MCU外设IP的实时驱动程序，ISO 26262 ASIL-D兼容，AutoSAR 4.4规范兼容。可以通过NXP S32的配置工具等进行配置。
• Safety Peripheral Drivers：跟S32K3芯片中的硬件功能安全特性相关的驱动程序，包括：BIST管理器、扩展MCU错误管理器（eMcem）等。
• IPC框架：核间通信和资源共享的Framework。比如：AutoSAR CP系统和非AutoSAR的RTOS软件之间，可以使用这一套基于共享内存的IPC框架来进行快速通信。

(二) 需要付费购买商业License的软件包括：

• 安全软件框架（Safety Software Framework，SAF）：主要包括支持失效检测的库程序，以及芯片启动时、运行时的单点失效处理和失效恢复程序库。基于SAF，用户更加便于开发满足既定功能安全目标的软件功能。
• 结构化的核心自检程序库（Structural Core Self-Test Library）：用于在运行时检测处理器核心中永久的硬件失效，可以高达90%的诊断覆盖率。
• HSE固件：OEM特定的定制版HSE固件
• AMMCLIB（Automotive Math and Motor Control Library）：NXP专利的、用于各种电机控制的算法数学库。这是车规级软件（SPICE Level 3和CMMI软件流程认证），包含MATLAB/Simulink模型以及相应的C代码库程序。
• BMS系统中的安全程序库：包含在BMS的参考设计中。

总结一下NXP S32K3系列MCU产品的竞争优势：

1. 优秀的可伸缩MCU平台：基于ARM Cortex-M系列内核，从单核、多核以及锁步核模式的配置，ASIL-D功能安全，以及低功耗设计。

2. 面向未来的芯片特性：HSE支持对称以及非对称加密算法，安全启动，密钥管理等。

3. 完整的软件SDK：SDK中内置免费的、车规级的基础系统软件，面向领域的上层应用软件参考设计，丰富的开发工具和专业的电机控制数学库算法等。

2.2 S32S系列微处理器

NXP S32S24和S32S247系列安全微控制器和微处理器，针对电动汽车中需要高安全可靠的车辆动力域控制器系统（Vehicle Dynamics Control System）和安全协处理器应用场景，支持最高等级的ASIL-D功能安全级别：

• 需要ASIL-D级别安全容错功能的车辆动力系统应用，比如：制动控制器、转向控制器和电机控制器等。
• 需要出色的性能、ASIL-D安全等级和存储能力的HEV/EV电控域控制器应用场景，以应对多种能力源的复杂能源管理问题。
• 高性能的安全协处理器，可用作主雷达、视觉和传感器融合处理器的安全检测器。

下图4-9是S32S系列处理器的功能模块图：

图4-9 S32S系列处理器的功能模块图

下面是S32S处理器的一些关键特性：

• 满足汽车可靠性和ISO 26262 ASIL-D功能安全的芯片设计。
• 总共8个基于ARM v8架构的Cortex-R52实时安全内核，支持双核锁步模式，其中4个核带有ARM NEON SIMD指令支持。最高运行频率可到800MHz，CPU算力最大可高达6K+ DMIPS。
• 大容量集成Flash闪存：至少为16MB，最大可达64MB
• 先进的Flash闪存更新功能：即时(On-the-Fly)无线（Over-the-Air）闪存更新功能，将处理器停机时间将为零。
• 基于ARM Cortex-R52内核的Hypervisor虚拟化支持：通过Hypervisor实现硬件资源的分区隔离，确保多个用户应用程序互相不影响。
• 功能安全：高级芯片失效检测与恢复机制，可以帮助用户检测、隔离和处理芯片失效，而无需系统停机。
• 硬件安全引擎HSE：用户可编程的HSE支持各种基于公钥和私钥的加密算法，旨在保护免于各种恶意的黑客网络攻击。
• AEC-Q100 Grade 1：-40 °C 到 +150 °C温度范围

基于NXP S32S系列安全微处理器，用户可以开发出集成度更高、更加智能的汽车动力域控制器产品。

当前汽车EE架构的发展趋势是从分布式ECU架构演进到域集中式架构。目前正在量产或即将量产的车型大部分都是基于域集中式EEA。特斯拉已经率先发展到“中央计算+区域”的EE架构，根据预测2025年后，国内大部分主机厂也将开始演进到中央计算+区域EE架构。部分领先的厂商明后年就会有基于“中央计算+区域”EE架构的车型量产落地。

正如图4-1所显示，经典的动力总成系统通常包含了“驱动电机”、“电机控制器”、“减速器”、“车载充电器”、“直流变换器”、“配电箱”、“整车控制器VCU”和“电池管理器”等八大部件。显然，相较于座舱域和自动驾驶域，整车控制域显得更为分散、集成度更低。在当前汽车域集中式EE架构的发展趋势下，整车控制系统朝着“集成化”和“域控化”演进是两大主流发展趋势。

（一）集成化

从最早的驱动电机、变速器和电机控制器“三合一”开始，这两年国内主机厂和动力总成Tier 1供应商陆续推出了集成化程度更高的“多合一”动力总成系统。集成化程度更高的好处是显而易见的，比如：可以大大减小电驱动系统的体积，降低系统的总重量；集成度更高也意味着降低生产成本；此外减重也可以反过来增加xEV的续航里程。

2021年9月在比亚迪最新发布的E平台3.0中，很重要的一个亮点就是动力总成部件的“八合一”集成化，将传统的八大部件深度融合集成到了一起。如下图4-10。高度集成化使得整体体积可以降低20%，重量减轻15%左右。

图4-10 比亚迪八合一电动动力总成系统

2021年7月，长安汽车发布第二代电驱动一体化系统，集成了整车控制器（VCU）、高压分线盒、电机控制器、直流变换器、充电机、电机、减速器七个部件，在综合性能方面较第一代的“三合一”（集成电机、电控、减速器）系统有显著的提升，体积减少5%、重量降低10%、功率密度提升37%、效率提升5%。

图4-11 长安第二代“七合一“电驱动一体化系统

（二）域控化

电驱动力系统的多合一集成化也带动了动力总成系统中原本分散的控制器单元朝着集中式的域控制器融合发展。性能更强劲的域控制器促进了从模块到系统的融合、再进一步到整体方案的融合。

比如比亚迪E平台3.0中的智能动力域控制器，将原来的VCU、BMS、电机控制器以及DC/DC和AC/DC的控制部分都集成到了动力域控制器平台上。

从目前国内外相关论文来看，以原有的VCU为基础，升级为成一个性能更强劲的汽车动力域控制器（Vehicle Dynamics Controller）平台，然后整合BMS、电机控制器、DC/DC和AC/DC相关的软硬件功能是一个趋势。如下图4-12所示，其中紫色的虚线箭头表示原来由单个ECU控制器实现的相应功能向性能更强劲的动力域控制器上迁移。

图4-12 原有控制器上的应用软件往动力域控制器上迁移与集成

在这种发展趋势下，原来最高频率不超过200MHz的MCU芯片显然不能提供动力域控制器所需的性能。也正因如此，NXP即将发布基于最新的Cortex-R52内核、运行频率可高达800MHz的S32S系列安全微处理器。S32S安全微处理器基于ARM-v8架构的R52内核还支持虚拟化技术，通过Hypervisor还能对集成到同一个平台上的不同应用软件做很好的隔离，以确保系统的安全可靠性。下图4-13是NXP最新发布的车规MCU产品线的路线图，可以看到面向应用复杂度越来越高的汽车动力域控制器场景，NXP将推出性能更强劲的MCU产品。

图4-13 NXP最新的MCU产品路线图

有了更高性能的动力域控制器平台，我们就可能尝试更复杂的模型预测控制算法，从而可以让VCU对需求扭矩做更好的控制，对动力电池能量的使用做更好的管理，提升电车的续航里程。

图4-14 通过对能量和扭矩的优化来提升电车的续航里程

新能源汽车市场已经进入到市场爆发的拐点，同时也进入到后补贴的时代。作为核心部件的电驱动力系统在整车成本、架乘体验、汽车安全、续航里程等方面起决定性因素，将是各大主机厂和Tier 1厂商研发投入的重点方向。

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最后

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