汽车电动化和智能化技术进展

发布于2022-09-26

汽车技术演进

汽车作为当今世界最具代表性的工业化产品和人类主要的移动出行工具，与我们的日常生活息息相关。随着新能源和信息技术的快速进步，汽车行业正在经历新一轮的变革。汽车行业正在从机械化向电动化、网联化、智能化和共享化演进 ^[1,2]。为了减少化石能源消耗，改善空气质量和提高居民健康水平，汽车动力系统正在从内燃机驱动向纯电驱动过渡，向绿色、低碳和环保的新能源方向发展。电动化的驱动方式可以实现更高的能源效率。与此同时，电动汽车的普及为汽车智能化的发展提供了坚实基础（动力电池能够提供各种电子设备所需的电力）。而智能化的发展，如智能座舱以及自动驾驶，极大地提升了用户驾乘体验，也提高了电动车的产品品质，从而促进了电动化的进一步普及。

汽车技术的数次演进要从100多年前汽车的诞生说起：^[3]

• 汽车机械化技术革命（19世纪末至1920年）：受益于第 1次工业革命（机械化革命），蒸汽机、内燃机相继发明，使得搭载内燃机的汽车应运而生。内燃机汽车拓展了人类的出行半径，也极大提升了人们出行的灵活性和便捷性。

• 汽车电气化技术革命（约从1920年至1970年）：受益于第2次工业革命（电气化革命），汽车内燃机和变速器等主要部件的自动化水平不断提升，汽车操作得到了简化。电气化水平的提升使汽车生产制造也出现了革命性变化，汽车被大规模生产制造出来，成为最普遍的大众交通工具。
• 汽车信息化技术革命（约从1970 年至2000年）：受益于第3次工业革命（信息化革命），信息化推动了汽车科技水平的提升。当前汽车控制系统几乎全由电子控制装置实现，并在提高经济性、动力性、可靠性、舒适性和排放控制等方面起到了显著作用。先进计算机技术的发展和应用大幅提升了汽车的性能和品质。
• 汽车智能化技术革命（2000初至今）：在以新一代信息和通信、大数据、人工智能等为特征的第 4次工业革命（智能化革命）的影响下，以人工智能为核心的产业群初见端倪。在此影响下，汽车可以最大程度实现自动化，成为新的移动终端，将人、车、路、信息等融为一 体，无人驾驶将成为现实。

当前，在降低能耗和应对气候变化等多重因素的驱动下，许多国家都在支持电动汽车产业的发展，全球电动车市场呈现强劲的增长态势。根据中国乘联会的数据，2021年中国乘用车市场新能源汽车渗透率已经高达14.83%，并且逐月递增，这标志着汽车产业已迈入一个崭新时代 ^[4]。另一个趋势则是智能化。现今在中国市场售价10万元以上的电动车普遍同时搭载了ADAS（高级驾驶辅助系统）功能模块与智能座舱，这成为相关产品赢得用户认同的关键因素。 随着新能源、车联网、人工智能等一系列新技术在汽车领域的广泛应用，汽车智能化革命将在新一轮科技创新与现代产业升级中发挥至关重要的作用。

汽车电动化及关键技术

汽车的电动化，或者说新能源化，已经成为世界各国和车企的共识。电动车利用来源多样化的电能取代传统化石能源，不但可以显著提高能源转化效率，还有助于减少温室气体排放、改善空气质量、降低噪声污染。电动车的类型主要包括纯电动车、油电混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车以及燃料电池汽车等。图1所示为纯电动汽车的主要部件。电动车的三电系统是指电池、驱动电机以及电控系统，这也是电动车区别于燃油车最核心的技术系统。三电系统也是电动车成本的主要组成部分。

图1 纯电动汽车主要部件^[5]

在电动车的整个平台架构中，整车控制器(VCU)、电机控制器(MCU)和电池管理系统(BMS)是最重要的核心技术 ^[6]，对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响。

1）整车控制器（VCU）

VCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元，其功能类似于燃油车的发动机控制器。VCU通过采集加速踏板、挡位、制动踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图，向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令, 以实现汽车的正常行驶。VCU通过对车辆状态 (车速、温度等) 信息进行实时监测，并通过显示仪表显示出来。VCU不但能够连续监视整车电控系统，进行故障诊断并及时进行相应的安全保护处理，还能对车载附件进行控制管理。

2）电机控制器（MCU）

MCU是新能源汽车特有的功率电子单元。它接收VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。MCU通过直流变压器（DC-DC Converter）把动力电池的直流电能转换为电动机所需的高压交流电、并驱动电机输出机械能。同时，MCU具有电机系统故障诊断保护和存储功能。MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组成。

3）电池管理系统（BMS）

BMS监测电池组的工作状态，实时采集电池的端电压、温度充放电电流以及电池总电压，估算出电池的安全状态、电化学状态等，防止或避免电池过放电、过充电、过温等异常状况出现。BMS还负责漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量（SoC）、放电功率，报告电池劣化程度（SoH）和剩余容量（SoC）状态，并根据电池的电压、电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程，以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通信。

汽车电子电气架构的发展

电子电气架构是由车企定义的一套整合方式，该架构把汽车中的各类传感器、电子控制单元（ECU）、线束拓扑和电子电气分配系统完美地整合在一起，完成运算、动力和能量的分配，实现整车的各项智能化功能 ^{[7, 8]}。

图2 博世对电子电气架构发展的阶段划分 ^[9]

图2 所示为Bosch对电子电气架构发展的阶段划分，总共分为6个阶段：模块化阶段、功能集成阶段、中央域控制器阶段、跨域融合阶段、车载中央电脑和区域控制器、车载云计算阶段。目前汽车行业主流的架构是功能域架构，大部分车企实现了功能域的集成。

传统汽车的电子电气架构都是分布式的。车辆各功能由不同的单一ECU控制，每个ECU都是通过CAN总线和LIN总线连接，车辆功能的实现是靠ECU的累加实现的。在此过程中，主体架构不变，仅在末端增加功能。随着电子化的进程，现在汽车里的ECU数量迅速增加，这种累加式的电子化使得分布式电子电气架构不堪重负。汽车电动化和智能化的快速发展，对芯片数据处理、运算速度、通讯、软件开发、通讯带宽以及传输速率的要求不断提高，这使得分布式架构不再适应智能化的需求。由此，汽车电子电气架构正在发生根本性变化，逐渐从传统的分布式架构进化为域集中式架构。

域控制器(DCU, Domain Control Unit) 通过处理能力更强的多核CPU/GPU芯片，可以相对集中地控制每个“域”，从而取代传统的分布式电子电气架构 ^[10]。“域”根据功能对汽车电子控制系统进行划分，核心部件域控制器负责复杂计算和大部分控制任务。按照典型的分类方法，可以分为动力总成系统，底盘控制系统，车身控制系统，车载信息娱乐系统（智能座舱）以及ADAS高级辅助驾驶系统五个主要的“域”， 如图3所示。每个“域”凭借DCU强大的计算能力以及丰富的软件接口，可以将功能集中到DCU当中，从而实现功能的集成化，能够大大优化整车电子电气线路，大幅减少通信线束，从而降低整车零部件成本。域集中式架构可以将传感器与处理器分开，传感器和 ECU 不再一对一，更容易管理且可以减少 ECU 的数量。同时，域控制器集中了汽车算力，提高了算力利用率。

图3 电子电气架构域控制器示例 ^[11]

汽车智能化及其关键技术

汽车智能化是汽车作为交通工具和工业产品的机械化、电气化、信息化再到智能化的发展和升级。在智能化阶段，汽车搭载先进传感器、控制器、执行器等零部件，通过车载传感系统和信息终端与人、车、路等实现智能信息交换，使车辆具备智能环境感知、决策、执行能力，能够自动分析车辆行驶的安全及危险状态，并使车辆按照人的意愿到达目的地，最终实现替代人来操作的目的 ^[12]。《智能汽车创新发展战略》^[13] 也给出了智能汽车的定义：通过搭载先进传感器、控制器、执行器等装置，运用信息通信、互联网、大数据、云计算、人工智能等新技术，具有部分或完全自动驾驶功能，由单纯的交通运输工具逐步向智能移动空间转变的新一代汽车。因此智能汽车通常也被称为智能网联汽车、自动驾驶汽车、无人驾驶汽车等。

汽车智能化技术涉及多领域技术交叉，主要有单车智能化关键技术以及车辆与外界的信息交互 （车辆群体智能以及人-车-路-云协同智能）关键技术。所涉及到的具体功能和关键技术包括行驶环境和车辆状态感知、驾驶行为预测与决策、行驶轨迹规划、关键线控执行机构、车辆运动控制、车辆多目标智能控制、电子电器架构、人机交互、智能计算平台、专用芯片与模块、车载信息交互、信息安全、测试评价方法与技术标准等。同时，还包括支撑这些技术实现的一系列高精度传感器、激光雷达、毫米波雷达、各种功能和用途等硬件以及各种人工智能算法和软件等。

从消费者的角度来讲，汽车智能化主要代表着智能座舱、自动驾驶和基于面向服务架构（SOA，Service-Oriented Architecture）的各类定制化服务。智能座舱的主要功能包含图形交互、语音交互，再配以手势/面部识别及生物体征检测，作为人车交互的窗口，在汽车智能化中起到关键作用。智能座舱作为用户最容易感知的智能化体验，能够迅速提升产品差异化竞争力，目前正成为消费者购车和用车体验的关键决策因素。智能座舱是智能化的驾乘空间，为用户/乘客提供更加丰富的车载信息娱乐服务以及更加智能化的车内人机交互体验。目前智能座舱已进入商业化阶段。

自动驾驶方面，行业发展将会经历高级辅助驾驶(L2及以下)和高级别自动驾驶(L3及以上)两个阶段; 人工智能技术已经开始应用于自动驾驶中的环境感知、决策规划以及控制执行领域。随着人工智能技术的快速发展，自动驾驶可以实现更加复杂的功能以及全场景应用覆盖。相比智能座舱，自动驾驶技术的落地任重而道远，尤其是L3及以上级别的高级自动驾驶。一方面，自动驾驶软硬件技术开发难度大，成本高；另一方面，软硬件设备的不足带来新的行车安全问题，已发生的多起与自动驾驶失效相关的交通事故，一度引发行业信任危机。另外，监管与相关法规仍需完善。

在智能服务方面，基于SOA的汽车软件架构，使未来的车企能够向用户提供全生命周期的软件服务，包括售后的后市场服务、出行服务以及更多元化的社交娱乐及生活服务。

未来发展趋势

从全球汽车市场来看，各国和主流车企对电动车的认可度逐步提高，不断推出新能源汽车发展规划，促使电动化渗透率同步增加，预计2025年全球汽车市场电动化率将达到25%。汽车智能化的发展与电动化相互依赖：电动化的普及要靠智能化来拉动，汽车只有更加智能，才能成为市场的卖点；汽车电动化为智能化提供强大的电力支撑，智能化技术的最佳载体是电动化平台。在可预见的未来，电动化和智能化会加速融合。

由此可见，未来的汽车将有以下发展趋势：

1）新能源汽车相对于传统燃油车继续保有先天优势，随着续航能力及电池技术的进一步提升，新能源汽车将有广阔的发展前景，市场占有率也会进一步提高。

2）软件定义汽车（SDV） 成为行业的共识，软件及计算能力将成为汽车智能化的核心。

3）电子电气架构升级：E/E 硬件架构向域集中/中央集中式演进；软硬件架构解耦带动汽车软件架构向SOA演进，硬件更加标准化、软件可移植；通讯架构将由CAN 总线转向车载以太网。

4）作为汽车智能化的先行者，智能座舱的设计成为未来汽车发展和创新的关键，同时也是实现产品/品牌差异化，吸引潜在用户的一个重要因素。随着车联网技术、5G通讯技术以及人工智能技术的发展，基于智能座舱的人机交互体验正在被重新定义，交互设计将结合更多场景，提供更丰富的交互体验。

5）智能汽车将逐步从单车智能向车路协同发展。车联网将定位技术、通信技术、互联网技术以及传感器技术有机结合，提供的路端信息能够协助智能汽车进行驾驶决策。

参考文献

[1] https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202103181473301768_1.pdf?1616135919000.pdf

[2] http://www.iaceexpo.com/news.asp?id=1501

[3] http://www.evinchina.com/newsshow-2155.html

[4] https://www.163.com/dy/article/H82LSS1L0519AU4N.html

[5] https://afdc.energy.gov/vehicles/how-do-all-electric-cars-work

[6] https://cxymm.net/article/sinat_40003796/125238615

[7]https://img3.gelonghui.com/pdf/0fabc-29411fc6-271e-4cf1-a3e7-39f71de44824.pdf

[8] https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202103181473301768_1.pdf?1616135919000.pdf

[9] V. M. Navale, K. Williams, A. Lagospiris, M. Schaffert, and M.- A. Schweiker, “(R)evolution of E/E architectures,” SAE International Journal of Passenger Cars-Electronic and Electrical Systems, vol. 8, no. 2, 282–288, 2015 https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2015-01-0196/

[10] http://www.chebrake.com/tech/2022/06/24/24295.html

[11] 

R. Ostadian, J. Ramoul and A. Biswas, "Emadi A.: Intelligent Energy Management Systems for Electrified Vehicles: Current Status Challenges and Emerging Trends", IEEE Open Journal of Vehicular Technology, 2020 https://ieeexplore.ieee.org/document/9172102

[12] https://www.163.com/dy/article/HCT9QI23051193U6.html

[13] https://www.gov.cn/hudong/2018-01/07/5254108/files/8ab10c5379a848908d4791121adb58fc.pdf