電動汽車域控制器發展分析與未來展望

林 澍，陳宇鋒，黃麗軍

電動汽車域控制器發展分析與未來展望

林 澍1，陳宇鋒2，黃麗軍1

（1.福建開放大學 理工學院，福建 福州 350003；2.東南（福建）汽車工業有限公司，福建 福州 350100）

隨著汽車電子電氣架構（EEA）的加速演變，各大車企紛紛推出自主研發的電動汽車電氣架構。作為架構核心的域控制器更是進入了飛速發展階段。文章通過調研國內外域控制器發展背景，梳理過渡化發展現象，對現階段域控制器集中向和融合向的發展方向進行分類分析，舉例論證各自的關鍵技術，歸納域控制器的優勢特點。并結合當下電氣架構的演變階段，提出對未來發展趨勢的思考。

電動汽車；域控制器；電氣構架；未來趨勢

隨著汽車電子應用的爆炸式增長，汽車電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）逐年遞增，傳統的分布式汽車電子電氣架構（Electrical Electronic Architecture, EEA）已經不能適應汽車智能化的進一步進化。2007年開始，德爾福、博世等行業陸續提出了全新的EEA，誕生了采用一個或者幾個“中央大腦”來統領全車的ECU的設計思路[1]，而這個“大腦”被稱作域控制器。其具有輕量化、高效率、低成本等優勢，而且相比傳統汽車，電動汽車與域控制技術有著更為優秀的相性，可謂應時而生。一方面是因為電動汽車新四化（電動化、網聯化、智能化、共享化）的實現要求搭載更多電子傳感器，對整車供電能力的要求大大提高，而動力電池作為能源核心與ECU一脈同源，更切合未來EEA的發展路線。另一方面，相比于傳統的發動機驅動系統，電驅系統的底層邏輯層次分明，控制變量中的狀態參數更少，適配于“中央集權”的域控化模式。因此，近年來電動汽車的域控化應用不斷落地，已經進入了快速上升期。

1 國內外發展背景

國外汽車企業在域控制技術方面領先一步。2017年博世公布了EEA戰略圖，將整車EEA劃分為三個大階段、六個小階段，分別為分布式（包括模塊化，功能集成）、域集中（包括集中化、域融合）、中央集中式（包括區域控制-中央計算、車載云計算），令域控制器發展初步形成了行業共識[2]。2012年特斯拉推出Model S，將功能域劃分為動力域、底盤域、車身域，高級駕駛輔助系統（Advanced Driving Assistance System, ADAS）模塊橫跨動力域和底盤域；2017年推出的Model3突破了功能域的框架，實現了中央計算+區域控制器框架，整車僅需要使用三個域控制器，集中度進一步增強[3]。大眾推出ID系列汽車，在開發三大功能域（車輛控制域、智能駕駛域、智能座艙域）的同時，仍舊保留了大量的ECU模塊，屬于折中的應用嘗試。

國內的企業后來居上，2019年華為率先提出了由分布式網絡+域控制器構成的CC架構，稱其能讓汽車真正走向智能網聯汽車[4]。2021年4月，比亞迪發布了e平臺3.0，將整車上百個ECU集成為4大域控制器，按照比亞迪的說法，其將啟發整個行業，是下一代電動車真正的搖籃。2022年天際汽車集成了整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）與電池管理系統（Battery Management System, BMS），成功實現了動力域控制器（VCU& BMS Unit, VBU）的量產，獲得了可觀的市場占有率。目前，電動汽車域控制器的發展正迎來新的浪潮，但關于此內容相關的綜述分析尚有空白。本文先對分布式——域集中過渡階段的發展做出梳理總結，再對現在所處的域集中階段開展分類分析：從博世總結的經典五域入手，劃分集中化與融合向兩個小階段，分別選取合作方東南汽車提供的VBU與自動駕駛域控制器作為特例說明，總結域控制器的優勢所在，最后指出未來可能的發展趨勢，旨在對電動汽車電控領域產生指明作用，促進域控制技術的進步。

2 電動汽車域控制器過渡化發展

隨著ECU的增加，早期“一對一”的分布式電子電氣架構已經逐步被淘汰。但在探索初期，如何從分布式過渡到域集中式，業界并沒有形成系統的設計理念。大多延續著升級模塊，深化集成的分布式EEA思路，做出了很多突破性的嘗試，最后伴隨著技術的進步，才逐步邁進下一階段的EEA。

早期研究者嘗試改進車輛平臺，將底盤件、動力系統、ECU等集成化，形成域集中化管理。曾經的輪轂/輪邊電機技術就有受此思想的影響。輪轂/輪邊電機汽車技術將電驅系統集成到輪轂中，充分利用驅動橋的布置空間。此設計方案結構上高度集成，驅動輪自成一域，獨立控制，形成類似中央計算平臺+區域控制器的中央架構。但輪轂電機壽命難以保證，并會對車輛的操控性和舒適性產生影響，最后未成為主流的發展方向[5]。

后來漸漸從硬件平臺轉向模塊集成，利用高性能計算單元可以大量減少線束拓撲與ECU數量，整合后的邏輯控制易于管理。例如早期主流的“三合一”電驅系統，其集成電機、電控、減速器（變速箱）三者，對電動汽車的域控化發展有著深遠的影響。“三合一”系統依據位置就近布置線束，使得接口、電橋電路等也獲得簡化，降低了成本，并能有效提升電驅系統的功率密度和控制效率[6]。更為關鍵的是，“三合一”帶來了輕量化，帶來了節能效應，使得電動汽車的續航里程大幅延長。眾多車企發現了“三合一”的巨大優勢，在此基礎上，比亞迪、華為紛紛推出了“多合一”集成控制器，而域控制器與域集中式EEA也順勢得到了廣大的關注。

硬件架構的優勢仍不是最后一根稻草。隨著5G、以太網絡、環境感知等技術的進步，空中下載（Over The Air, OTA）技術令車內信息孤島的悲劇被完全杜絕，以軟件為核心的車載平臺開始建立，憑此技術特斯拉在軟件常用常新方面持續領先。接著自動駕駛與智能座艙技術應運而生，帶來了全新的汽車時代的同時，也帶來了更為龐大的數據與嚴苛的算力需求。而域控制器算力集中，配合以太網等網絡信息技術可以輕松解決上述問題，為新時代軟件應用的發展創造了條件。至此EEA硬件架構、軟件架構、通信架構三方面的升級路線被確立，域集中式EEA開始成為車企下一步的發力重點。是集成化、輕量化和網絡信息化大力加速了域控制器的過渡化發展。

3 電動汽車域控制器現狀分析

博世、大陸等Tier1提出了經典的五域劃分，分別為動力域、底盤域、座艙域/智能信息域、自動駕駛域和車身域。早期階段，域控制器可分為性能型域控制器與集成型域控制器兩種[7]。隨著EEA的演變，電動汽車的五域按照各自的特點主要形成兩種方向：一種是功能域集中化方案，仍著力于功能域的模塊集成與性能升級，但區別于早期分布式的集成控制器，從原本控制器簇的就近集成，逐漸轉向以功能域為中心的導向集成；另一種是異域融合或者跨域協調的方案。即把兩個或者多個集成化域控制器合并為一個控制器，或者是開放異域的數據接口做集中控制。文章為便于論述，文中將上述兩者分別簡稱為集中向與融合向。

3.1 以動力域為代表的集中向

新能源五域中動力域、底盤域以及車身域，由于本身有著較深的傳統汽車結構烙印，在未出現突破性的技術革命前，一方面依舊延續早期分布式控制器的模塊集成與性能升級；另一方面，在架構上會進行一定的集中化調整，即把傳統的從控降階，進行算力轉移，集中在主控上，改造出更為“中央集權”的域中心控制器。本文以合作方東南汽車提供的某動力域控制器VBU為例，對集中向域控制器展開說明。

電動汽車的動力域控制器是一種智能化的動力總成管理單元，一般以整車控制器VCU為核心，協調BMS或者電機控制器（Motor Control Unit, MCU）。動力域受三電架構束縛較大，距離下一個階段，即跨域融合，尚處于輕度融合的狀態。當下依舊將對于功能域本身的優化和挖掘作為主流的發展形勢。另外，集中向的域控化發展路線，有益于主機廠的產業鏈升級。究其原因有二：一方面是由于主機廠在動力域等傳統域的改造上，有著傳統汽車的知識沉淀與經驗積累，屬于優勢延伸，能以最低代價保持長久的競爭力；另一方面也得利于域控制器的集中演算模式，對外圍電附件的依賴性較小，可以大幅減少外包開發的時間與成本。如今不少主機廠已經打破傳統的合作模式，逐漸走上了自主研發的新道路。

本文的VBU控制器由合作方東南汽車與天津易鼎豐動力公司共同研發，已投入東南汽車EV400與EV500兩款車型的功能性實驗使用。下面是改造方案的設計過程與最終定型的系統架構概述。

3.1.1動力域控制器改造方案

動力域的集中向改造重點在于對主控制器進行硬件升級，對低效模塊開展功能集成與算力資源再分配，原電池包電氣拓撲圖如圖1所示。

圖1 原電池包電氣拓撲圖

提升原主控制器VCU的硬件資源配置。根據域集中化架構理論，對原有的VCU控制器運算處理能力進行全面升級設計，配置行業領先的英飛凌Aurix系列TC234-32位芯片，并添加獨立的控制器局域網（Controller Area Network, CAN）總線收發節點至5路以上，豐富高低邊驅動/模擬數字信號接口等。

對總布置進行撥冗改造，實現狀態監測功能的轉移。優先將簡化布置的工作重心放在PACK內部。一方面對控制器結構件進行“瘦身”，對控制器支架，低壓走線，傳感器布點等進行拓撲優化。另一方面，對電氣部件進行集成，原BMS為分布式架構，需將BMS的主板與從板電池單體站點控制器（Cell Site Controller, CSC）降階，替換為VBU的功能子版塊資源管理部件（Resource Management Unit, RMU），使其代替BMS的部分職能。由低算力低成本電壓溫度平衡控制單元（Voltage Temperature Balance Unit, VTBU）集中處理電芯Cell的狀態信息，圖2為改造后搭載動力域控制器的電氣拓撲圖。

圖2 VBU系統電氣拓撲圖

3.1.2VBU系統架構概述

搭載VBU后，電池系統內部連接以及功能示意圖如圖3所示，VBU實物圖如圖4所示。

圖3 電池系統內部連接以及功能示意圖

圖4 VBU實物圖

VTBU和RMU布置于電池包內，VBU布置于電池包外，VTBU負責采集電池單體電壓和溫度，為原有電壓采集傳感器與溫度采集傳感器的集成。VTBU通過菊花鏈的方式與RMU進行通訊，RMU負責高壓采集、絕緣計算、繼電器控制電流采集等功能，職能上代替原有從板CSC以及BMS部分功能。RMU和VBU之間通過CAN通訊，VBU采用高性能芯片，實現控制域的算力集中，執行整車VCU和BMS的一些核心算法和控制。對外采用和整車一致的CAN通訊模式，保持與其他控制器對接的可能。

3.2 以自動駕駛域為代表的融合向

自動駕駛域和座艙域是現階段承載電動汽車現代化、智能化、個性化的關鍵所在，相比其他域更注重軟件層面的開發應用。因兩者有著大量感知信息與實時數據交互，對控制芯片的處理性能有一定要求，一般不符合需要硬件改造的集中向發展。隨著特斯拉的異域融合架構+自定義軟件平臺大獲成功，融合向成為另一種主流的發展方向，它既能保留集中向的優勢，又不導致整車物料成本的增加，目前正處于發展的上升期，已有更近一步向中央計算平臺EEA靠攏的趨勢。自動駕駛的實現需要多域融合，乃至區域融合，如華為的CC架構就明確指出了兩種高深度高集成的融合域，分別為智能駕駛與智能座艙，CC架構基于物聯網視角的特殊架構讓人看到了自動駕駛域的潛在可能。因此，本文選取自動駕駛域作為融合向的代表展開說明。

3.2.1自動駕駛域與底盤域融合

在自動駕駛四大關鍵技術中，運動控制技術依賴底盤域實現，為了追求自動駕駛實現的更深層化，快捷化，減少不必要的響應過程，兩者的域融合勢在必行。

現階段兩者的融合主要依托于線控底盤技術，此技術的核心是省去傳統的機械傳動結構，利用電信號代替機械液壓部件向執行機構傳遞作動信息，更契合電動汽車EEA的發展。如圖5所示，整個融合域中，由自動駕駛域的環境感知傳感器系統負責車-路-人信息的獲取，對數據進行計算整合后，通過CAN網絡發給域控制器，轉成動力學信息過渡給線控底盤，以實現最終的整車控制[8]。按照傳統底盤的作動性，線控系統分成四個子系統，分別是線控驅動、線控轉向、線控制動、線控懸架。其中線控轉向與線控制動被認為是實現自動駕駛的核心技術，又以線控制動的實現難度最高。

除線控技術外，冗余措施與容錯控制也是兩域融合的關鍵之一。自動駕駛的安全性是設計中不可忽視的一環。在設計自動駕駛的域控制器時，往往會加入冗余措施以及對應的容錯控制。當下主流的Tier1主要采用冗余措施，一種是設置兩套完全獨立的執行系統，具有單獨的執行功能，在執行層面互相互補，除非兩者同時失效，否則必定有一個系統幸存，并保有一定程度的容錯能力，如博世在面對安全要求較高的制動系統即采用此種冗余措施[9]。另一種是在感知系統或者控制器中設置備份功能，當原有的主控制器失效時，備份功能依舊能保證車輛的自動駕駛處于可控的安全階段，并維持一段時間，堅持至車輛完全脫離失效風險，如聯合汽車電子有限公司就將其融入域控制器的功能中[10]。

圖5 自動駕駛與底盤融合域示意圖

3.2.2自動駕駛域與座艙域

自動駕駛的實現需要人-車-路三者的共同作用，與駕駛員息息相關的座艙域是不可缺少的重要一環。如今不少的自動駕駛控制器已經開放了座艙域的接口，成為自動駕駛控制器發展的又一風向標；并且近來已經有相關的強制性法規出臺，要求車企持續開展自動駕駛人車交互的研究工作[11]。兩域的融合應用旨在提升用戶體驗的同時，保障自動駕駛的功能安全與智能化，也是域控化技術實現的一大挑戰。

作為五域中最具“活力”的兩個域，兩域的融合過程讓人們對于舊應用有了很多新認知。駕駛員監控系統（Driver Monitor System, DMS）就是其中之一。DMS集成了許多先進的傳感技術，例如頭部追蹤，眼動追蹤，呼吸信號采集、心率信號采集等。從上述的技術成分不難看出，早期DMS的問世更多的是為了監控駕駛的注意力分散或者疲勞駕駛情況，但隨著自動駕駛技術的興起，業內對于DMS的應用有了新的認識。由于目前的自動駕駛技術依然停留在L2—L4階段，駕駛員依舊是駕駛責任的主體，實現車輛對人類駕駛行為的監控就十分必要，而DMS技術恰好可以用于劃分“人機共駕”和“人工接管”的場景界限。例如在L3的ADAS中，駕駛員可能因為過分依賴自動駕駛的可靠性，注意力分散，處于劣質甚至脫離駕駛行為，此時DMS就開啟聲光報警，起到監控提醒的作用；另一方面當駕駛員處于疲勞駕駛、酒駕毒駕等異常駕駛狀態時，自動駕駛域控制器也可以通過接受DMS傳達的艙內信息，進行適時的警告，開展針對的駕駛限制乃至徹底接管駕駛行為，避免事故的發生[12]。

圖6 L3自動駕駛DMS應用示意圖

當然，新技術的創新推動才是融合向發展的主旋律。電動汽車座艙域整合了整車感知能力，構建了一個多功能的計算機控制平臺，可以實現“人-車-路”的信息互聯。相比于“車對人”單向的DMS，信息互聯對于自動駕駛域的功能增強更為主動，屬于“人對車”的雙向交互，對用戶而言的現實價值更為突出。

首先，電動汽車的座艙域中已經形成了一套高效的交互控制系統，觸摸控制，手勢控制，語音控制，HUD甚至未來的腦電模式，都將為自動駕駛功能的人機交互服務。包括自動駕駛前端的開啟關閉，調整參數，資源共享等，都可以通過座艙域控制器融合實現，可以說從一定程度上釋放了駕駛員的雙手，極大優化了用戶的駕駛體驗。此外，5G時代的高調降臨，帶來了車用無線通信技術（Cellular-Vehicle To Everything, C-V2X）技術，此技術的問世意味著座艙域的通信能力被徹底解放，相當于人們的“第二部手機”[13]，可以與車內外任何相關的實體單位進行通信交互，令在多種應用場景下與其他實體的識別成為可能，方便自動駕駛控制器的決策，以最終實現例如碰撞預警，主動避障，智能泊車等多樣化的自動駕駛功能。未來更自由的用戶介入，令自動駕駛功能都有了用戶個性化訂制的潛在可能。

3.3 現狀總結分析

綜上分析兩種域控化方案，在傳感器執行器逐漸標準化、成本降低的今天，兩種方案并無明顯的孰優孰劣，還是需要根據開發目標和所處的功能域，具體情況具體分析。但通過上述案例，筆者將域控制器的優勢特點歸納如下：一是簡化整車電氣架構，提高系統穩定性與安全性，如動力域的VBU控制器；二是廣泛的節約物料成本和縮短開發周期，易于后期的升級開發；三是擴寬了開發者的視野，橫向技術的融合自由度大幅提升，如：線控技術、DMS、互聯技術都得到了良好的拓展應用。

4 汽車域控制器發展趨勢

4.1 未來創新發展戰略

區域控制器與中央計算機的集中化方案會漸入佳境。隨著芯片技術的進步，控制器功能將越發強大，之前以功能為導向的域劃分會逐漸被淘汰。實際上，現如今域的邊界劃分已經越發模糊，域的定義在因車而異。例如華為的CC架構（3個中央控制域：智艙、智駕、整車），以特斯拉為代表的物理區域（前車身域、左車身域、右車身域）都是EEA的跨越性產物，可見條件已經初步成熟。大多數車企未來也在向中央電腦-區域控制器的階段靠攏。

車載云計算階段并非可望而不可即。5G通信技術的快速發展讓華為的CC架構中已經出現了云端處理器的概念，相信在不遠的將來6G或者7G的到來，一定會讓域控制器發生巨大的變革。筆者認為到時自動駕駛域、座艙域、動力域（電控和電池通信方面）三域將率先享受到第一波的技術紅利，迎來突破性的發展。

未來可能會出現因“車”制宜的域控制器設計理念。現在域劃分已不再明顯，未來域的融合還會加速，從經典五域到現在的三域乃至未來的中央大腦。筆者認為功能域在不斷整合過程中，也可有所側重，根據不同的開發目標傾斜算力資源，類比現在各種的駕駛模式，運動車輛可以加強動力域底盤域的功能控制，智能車輛著力提升自動駕駛域與智能座艙域的科技感，真正做到私人訂制，因“車”制宜。

4.2 面臨的挑戰

未來的域控制器會負責更多的傳感器與控制單元，會面臨更為龐大的數據運算，對于汽車廠商而言，最大的挑戰是如何將上述軟硬件整合一體，并具有可靠的魯棒性。筆者認為一方面ECU的運算能力，或者說芯片技術有待進一步的突破。另一方面，可以考慮從車載以太網入手，替代LIN/CAN通訊，加快網絡協議與通信速率的升級應用。并且可以思考從設計階段因“車”制宜，做好域的劃分或者融合，對多個域的關鍵技術提前整合，達到最佳的設計效果。

5 結語

近年來隨著新技術的爆發式增長，汽車電子電氣架構在不斷加速演變，使得域控制器的研究開發越來越受重視，已經成為電動汽車創新發展的又一關鍵開拓點。本文首先對域控制器發展的過渡階段做出梳理總結，再對現階段的域集中控制器進行分類分析，并提煉了域控制器的優勢所在，引發了對未來域控制技術發展趨勢的思考。目前的域控制器發展大體延續博世提出的EEA演變路線，但此路線并不是絕對的，隨著未來科技的進步，域的劃分將更為大膽，其控制器將更為高效智能，沒有人可以保證它的發展不會跳出我們的認知。期望本文能為當下域控制器技術的研究升級提供一定的參考價值。

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Development Analysis and Future Prospects of Electric Vehicle Domain Controller

LIN Shu1, CHEN Yufeng2, HUANG Lijun1

( 1.College of Technology, The Open University of Fujian, Fuzhou 350003, China;2.Fujian Southeast Motor Company Limited, Fuzhou 350100, China )

With the accelerated evolution of electrical electronic architecture (EEA), major car companies have launched their own electric vehicle electrical architectures. The domain controller, which is the core of the architecture, has entered a stage of rapid development. This paper investigates the development background of domain controllers at home and abroad, sorts out the phenomenon of transitional development, classifies and analyzes the development direction of domain controllers in the concentrated and converged direction at this stage, demonstrates their key technologies with examples, and summarizes the advantages and characteristics of domain controllers. Combined with the evolution stage of the current electrical architecture, the thinking on the future development trend is put forward.

Electric vehicle; Domain controller; Electrical architectures; Future trend

U469.72

A

1671-7988(2023)11-207-06

林澍（1993－），男，碩士，助教，研究方向為電動汽車、智能汽車技術，E-mail:linshu_1993@163.com。

福建省中青年教師教育科研項目：基于某電動汽車的動力域控制器研究與開發（JAT210686）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.039