AD和ADAS计算系统将为软件定义车辆带来哪些先进功能与挑战

March 19, 2025

Fanny Hu

发布于2025-03-19

自动驾驶 (AD) 和高级驾驶辅助系统 (ADAS) 等汽车业发展大趋势，给设计师带来了诸多挑战，包括从传统电子控制单元 (ECU)^[1]转向域控制单元 (DCU)^[2]，并进一步加快采用中央通信单元 (CCU) 和分区控制单元 (ZCU)。^[3]根据麦肯锡未来出行中心的数据^[4]，采用分区计算的下一代电气/电子 (E/E) 架构已被市场采用，预计2023年至2030年的年复合增长率 (CAGR) 将达到44-45%。在同一时间段内，DCU的使用价值将增加至4400万美元（图1）。

图1：汽车计算单元市场（百万美元）（图源：麦肯锡未来出行中心）

为每个功能系统分配一个控制单元的传统域电气架构正逐渐被区域化方法所取代；^[5]这种演变从根本上来说有四个驱动因素：

促进安全的无线 (OTA) 更新：大量ECU会导致更新方面的瓶颈和复杂性问题，从而带来安全性、可靠性和合规性方面的挑战。域或分区架构提供的整合解决方案，对于更新失败时的回滚也具备重要意义。
模块化和协作式硬件和软件：模块化和协作式硬件和软件能够缩短开发周期，实现更快的重新设计并加速上市。
增加芯片整合和集成：通过整合多个ECU的功能，区域控制器实现了芯片整合和集成。同时，更小的节点尺寸也提高了功率效率。新兴的“片上系统”(SoC) 设计将多个中央处理单元 (CPU)、存储器和专用硬件 (HW) 加速器子系统集成在一起，毫无疑问，这意味着用于区域控制器的新型SoC基于16nm及以下的节点尺寸。
降低线束复杂度：由于区域控制器作为输入/输出 (I/O) 聚合器，通常安装在汽车的机械结构上，因此它们能够降低线束的复杂度，从而促进标准化，支持生产过程的自动化，并降低对员工技能的需求，进而降低成本。考虑到现代汽车中线束成本通常占电子电气架构总预算的20%，这一优势非常显著。

近年来，自动驾驶电动汽车的研发引起了研究人员和工程师的极大关注。^[6]许多变化正在彻底改变汽车的EE架构，从而带来自动驾驶和相关挑战。自动驾驶汽车必须能够感知环境并在无需人为干预的情况下安全行驶。^[7]美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 定义了从无自动化到全自动化五个不同级别的自动驾驶。^[8]

对于较高级别的自主驾驶，车辆必须使用多个传感器（如LiDAR、摄像头、GPS等）感知周围环境。根据传感器输入，车辆必须实时定位、做出决策并采取行动。这些传感器旨在提高驾驶安全性，被称为感知能力。另一方面，自动驾驶系统能够处理传感数据、做出决策并向制动器、转向装置等执行器发出指令，被称为具有认知能力，如表1和图2所示。

表1: 较高自主驾驶级别的信息收集和决策制定的高级步骤（图源：贸泽电子）

图2：使用聚合物电容器的汽车布局策略（图源：国巨集团旗下公司KEMET Electronics）

AD计算系统可分为计算、通信、存储、安全/隐私和电源管理几个部分。^[9]

为提高自主水平所做的不懈努力极大地增强了自动驾驶计算系统的能力。根据良凯等人的研究^[9]，当今“先进”的自动驾驶计算系统包括七项性能指标、九项关键技术和十一项开放挑战。

随着自动驾驶水平的提升，为获取周围环境数据而安装的传感器数量必须相应增加。随着传感器数量的增加，SoC处理的数据量也会增加，执行数据处理的主半导体器件的功耗也会增加。这种演变增加了功耗，以优化认知“大脑”的感知和决策能力。

DCU内部原理图包含：

与传感ECU通信的收发器电路
处理数据并做出决策的SoC
各种存储器（DDR/闪存）
根据SoC评估的信息控制驾驶的微控制器MCU
DC/DC转换器电源电路，可在不同电压轨（<1V、3.3V、5V 等）下运行各种功能

DCU/ZCU/CCU上的SoC电压较低，仅为1V，电流通常大于25A，这就要求元件具有大电流、低损耗、小型化、高频率运行和高精度（电压）的能力。

DC/DC转换器通常采用T598聚合物电容器进行输入端降噪，以及输出端平滑/去耦。通常，输入端采用T598D476M025ATE060 (EIA 7343-31 47uF25V, 60mΩ) ，而输出端采用T598D477M2R5ATE006 (EIA 7343-31 470uF2,5V, 6mΩ) 进行平滑/去耦。为了进一步满足未来需求，KEMET现已推出用于下一代输入降噪的原型样品，包括用于电容扩展的T598D107M025ATE050 (EIA 7343-31 100uF25V, 50mΩ) 和用于优化输出平滑的T598D687M2R5ATE006 (EIA 7343-31 680uF2,5V, 6mΩ)。

T598系列的主要优势包括高电容、低电滚降、频率和温度稳定性、低ESR、高纹波，以及延长使用寿命等，可满足支持高数据处理速度和操作而增加的功耗需求。

结语

随着汽车行业不断向更高水平的自动驾驶发展，T598系列等钽聚合物电容器的可靠性和性能对于确保这些精密系统的安全性、效率和寿命至关重要。钽聚合物电容器具有低ESR、高电容以及在各种温度和频率下的优异稳定性，因此非常适合支持先进自动驾驶系统不断增加的功耗和数据处理需求。

本文由Cristina Mota-Caetano为KEMET Electronics（国巨集团旗下公司）撰写，经授权转载于此。

作者简介

Cristina Mota-Caetano
钽质产品事业部产品管理技术产品市场总监Director Technical Product Marketing - Product Management – Tantalum BU
KEMET Electronics，国巨集团旗下公司
Cristina Mota-Caetano在钽电容器技术和产品营销领域拥有27年的经验，担任钽业务部的全球技术产品营销负责人。她拥有材料科学教育背景，在研发、产品组合管理、产品定位和需求创造方面经验丰富。