电动汽车域控制器发展分析与未来展望

林 澍，陈宇锋，黄丽军

电动汽车域控制器发展分析与未来展望

林 澍1，陈宇锋2，黄丽军1

（1.福建开放大学 理工学院，福建 福州 350003；2.东南（福建）汽车工业有限公司，福建 福州 350100）

随着汽车电子电气架构（EEA）的加速演变，各大车企纷纷推出自主研发的电动汽车电气架构。作为架构核心的域控制器更是进入了飞速发展阶段。文章通过调研国内外域控制器发展背景，梳理过渡化发展现象，对现阶段域控制器集中向和融合向的发展方向进行分类分析，举例论证各自的关键技术，归纳域控制器的优势特点。并结合当下电气架构的演变阶段，提出对未来发展趋势的思考。

电动汽车；域控制器；电气构架；未来趋势

随着汽车电子应用的爆炸式增长，汽车电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）逐年递增，传统的分布式汽车电子电气架构（Electrical Electronic Architecture, EEA）已经不能适应汽车智能化的进一步进化。2007年开始，德尔福、博世等行业陆续提出了全新的EEA，诞生了采用一个或者几个“中央大脑”来统领全车的ECU的设计思路[1]，而这个“大脑”被称作域控制器。其具有轻量化、高效率、低成本等优势，而且相比传统汽车，电动汽车与域控制技术有着更为优秀的相性，可谓应时而生。一方面是因为电动汽车新四化（电动化、网联化、智能化、共享化）的实现要求搭载更多电子传感器，对整车供电能力的要求大大提高，而动力电池作为能源核心与ECU一脉同源，更切合未来EEA的发展路线。另一方面，相比于传统的发动机驱动系统，电驱系统的底层逻辑层次分明，控制变量中的状态参数更少，适配于“中央集权”的域控化模式。因此，近年来电动汽车的域控化应用不断落地，已经进入了快速上升期。

1 国内外发展背景

国外汽车企业在域控制技术方面领先一步。2017年博世公布了EEA战略图，将整车EEA划分为三个大阶段、六个小阶段，分别为分布式（包括模块化，功能集成）、域集中（包括集中化、域融合）、中央集中式（包括区域控制-中央计算、车载云计算），令域控制器发展初步形成了行业共识[2]。2012年特斯拉推出Model S，将功能域划分为动力域、底盘域、车身域，高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistance System, ADAS）模块横跨动力域和底盘域；2017年推出的Model3突破了功能域的框架，实现了中央计算+区域控制器框架，整车仅需要使用三个域控制器，集中度进一步增强[3]。大众推出ID系列汽车，在开发三大功能域（车辆控制域、智能驾驶域、智能座舱域）的同时，仍旧保留了大量的ECU模块，属于折中的应用尝试。

国内的企业后来居上，2019年华为率先提出了由分布式网络+域控制器构成的CC架构，称其能让汽车真正走向智能网联汽车[4]。2021年4月，比亚迪发布了e平台3.0，将整车上百个ECU集成为4大域控制器，按照比亚迪的说法，其将启发整个行业，是下一代电动车真正的摇篮。2022年天际汽车集成了整车控制器（Vehicle Control Unit, VCU）与电池管理系统（Battery Management System, BMS），成功实现了动力域控制器（VCU& BMS Unit, VBU）的量产，获得了可观的市场占有率。目前，电动汽车域控制器的发展正迎来新的浪潮，但关于此内容相关的综述分析尚有空白。本文先对分布式——域集中过渡阶段的发展做出梳理总结，再对现在所处的域集中阶段开展分类分析：从博世总结的经典五域入手，划分集中化与融合向两个小阶段，分别选取合作方东南汽车提供的VBU与自动驾驶域控制器作为特例说明，总结域控制器的优势所在，最后指出未来可能的发展趋势，旨在对电动汽车电控领域产生指明作用，促进域控制技术的进步。

2 电动汽车域控制器过渡化发展

随着ECU的增加，早期“一对一”的分布式电子电气架构已经逐步被淘汰。但在探索初期，如何从分布式过渡到域集中式，业界并没有形成系统的设计理念。大多延续着升级模块，深化集成的分布式EEA思路，做出了很多突破性的尝试，最后伴随着技术的进步，才逐步迈进下一阶段的EEA。

早期研究者尝试改进车辆平台，将底盘件、动力系统、ECU等集成化，形成域集中化管理。曾经的轮毂/轮边电机技术就有受此思想的影响。轮毂/轮边电机汽车技术将电驱系统集成到轮毂中，充分利用驱动桥的布置空间。此设计方案结构上高度集成，驱动轮自成一域，独立控制，形成类似中央计算平台+区域控制器的中央架构。但轮毂电机寿命难以保证，并会对车辆的操控性和舒适性产生影响，最后未成为主流的发展方向[5]。

后来渐渐从硬件平台转向模块集成，利用高性能计算单元可以大量减少线束拓扑与ECU数量，整合后的逻辑控制易于管理。例如早期主流的“三合一”电驱系统，其集成电机、电控、减速器（变速箱）三者，对电动汽车的域控化发展有着深远的影响。“三合一”系统依据位置就近布置线束，使得接口、电桥电路等也获得简化，降低了成本，并能有效提升电驱系统的功率密度和控制效率[6]。更为关键的是，“三合一”带来了轻量化，带来了节能效应，使得电动汽车的续航里程大幅延长。众多车企发现了“三合一”的巨大优势，在此基础上，比亚迪、华为纷纷推出了“多合一”集成控制器，而域控制器与域集中式EEA也顺势得到了广大的关注。

硬件架构的优势仍不是最后一根稻草。随着5G、以太网络、环境感知等技术的进步，空中下载（Over The Air, OTA）技术令车内信息孤岛的悲剧被完全杜绝，以软件为核心的车载平台开始建立，凭此技术特斯拉在软件常用常新方面持续领先。接着自动驾驶与智能座舱技术应运而生，带来了全新的汽车时代的同时，也带来了更为庞大的数据与严苛的算力需求。而域控制器算力集中，配合以太网等网络信息技术可以轻松解决上述问题，为新时代软件应用的发展创造了条件。至此EEA硬件架构、软件架构、通信架构三方面的升级路线被确立，域集中式EEA开始成为车企下一步的发力重点。是集成化、轻量化和网络信息化大力加速了域控制器的过渡化发展。

3 电动汽车域控制器现状分析

博世、大陆等Tier1提出了经典的五域划分，分别为动力域、底盘域、座舱域/智能信息域、自动驾驶域和车身域。早期阶段，域控制器可分为性能型域控制器与集成型域控制器两种[7]。随着EEA的演变，电动汽车的五域按照各自的特点主要形成两种方向：一种是功能域集中化方案，仍着力于功能域的模块集成与性能升级，但区别于早期分布式的集成控制器，从原本控制器簇的就近集成，逐渐转向以功能域为中心的导向集成；另一种是异域融合或者跨域协调的方案。即把两个或者多个集成化域控制器合并为一个控制器，或者是开放异域的数据接口做集中控制。文章为便于论述，文中将上述两者分别简称为集中向与融合向。

3.1 以动力域为代表的集中向

新能源五域中动力域、底盘域以及车身域，由于本身有着较深的传统汽车结构烙印，在未出现突破性的技术革命前，一方面依旧延续早期分布式控制器的模块集成与性能升级；另一方面，在架构上会进行一定的集中化调整，即把传统的从控降阶，进行算力转移，集中在主控上，改造出更为“中央集权”的域中心控制器。本文以合作方东南汽车提供的某动力域控制器VBU为例，对集中向域控制器展开说明。

电动汽车的动力域控制器是一种智能化的动力总成管理单元，一般以整车控制器VCU为核心，协调BMS或者电机控制器（Motor Control Unit, MCU）。动力域受三电架构束缚较大，距离下一个阶段，即跨域融合，尚处于轻度融合的状态。当下依旧将对于功能域本身的优化和挖掘作为主流的发展形势。另外，集中向的域控化发展路线，有益于主机厂的产业链升级。究其原因有二：一方面是由于主机厂在动力域等传统域的改造上，有着传统汽车的知识沉淀与经验积累，属于优势延伸，能以最低代价保持长久的竞争力；另一方面也得利于域控制器的集中演算模式，对外围电附件的依赖性较小，可以大幅减少外包开发的时间与成本。如今不少主机厂已经打破传统的合作模式，逐渐走上了自主研发的新道路。

本文的VBU控制器由合作方东南汽车与天津易鼎丰动力公司共同研发，已投入东南汽车EV400与EV500两款车型的功能性实验使用。下面是改造方案的设计过程与最终定型的系统架构概述。

3.1.1动力域控制器改造方案

动力域的集中向改造重点在于对主控制器进行硬件升级，对低效模块开展功能集成与算力资源再分配，原电池包电气拓扑图如图1所示。

图1 原电池包电气拓扑图

提升原主控制器VCU的硬件资源配置。根据域集中化架构理论，对原有的VCU控制器运算处理能力进行全面升级设计，配置行业领先的英飞凌Aurix系列TC234-32位芯片，并添加独立的控制器局域网（Controller Area Network, CAN）总线收发节点至5路以上，丰富高低边驱动/模拟数字信号接口等。

对总布置进行拨冗改造，实现状态监测功能的转移。优先将简化布置的工作重心放在PACK内部。一方面对控制器结构件进行“瘦身”，对控制器支架，低压走线，传感器布点等进行拓扑优化。另一方面，对电气部件进行集成，原BMS为分布式架构，需将BMS的主板与从板电池单体站点控制器（Cell Site Controller, CSC）降阶，替换为VBU的功能子版块资源管理部件（Resource Management Unit, RMU），使其代替BMS的部分职能。由低算力低成本电压温度平衡控制单元（Voltage Temperature Balance Unit, VTBU）集中处理电芯Cell的状态信息，图2为改造后搭载动力域控制器的电气拓扑图。

图2 VBU系统电气拓扑图

3.1.2VBU系统架构概述

搭载VBU后，电池系统内部连接以及功能示意图如图3所示，VBU实物图如图4所示。

图3 电池系统内部连接以及功能示意图

图4 VBU实物图

VTBU和RMU布置于电池包内，VBU布置于电池包外，VTBU负责采集电池单体电压和温度，为原有电压采集传感器与温度采集传感器的集成。VTBU通过菊花链的方式与RMU进行通讯，RMU负责高压采集、绝缘计算、继电器控制电流采集等功能，职能上代替原有从板CSC以及BMS部分功能。RMU和VBU之间通过CAN通讯，VBU采用高性能芯片，实现控制域的算力集中，执行整车VCU和BMS的一些核心算法和控制。对外采用和整车一致的CAN通讯模式，保持与其他控制器对接的可能。

3.2 以自动驾驶域为代表的融合向

自动驾驶域和座舱域是现阶段承载电动汽车现代化、智能化、个性化的关键所在，相比其他域更注重软件层面的开发应用。因两者有着大量感知信息与实时数据交互，对控制芯片的处理性能有一定要求，一般不符合需要硬件改造的集中向发展。随着特斯拉的异域融合架构+自定义软件平台大获成功，融合向成为另一种主流的发展方向，它既能保留集中向的优势，又不导致整车物料成本的增加，目前正处于发展的上升期，已有更近一步向中央计算平台EEA靠拢的趋势。自动驾驶的实现需要多域融合，乃至区域融合，如华为的CC架构就明确指出了两种高深度高集成的融合域，分别为智能驾驶与智能座舱，CC架构基于物联网视角的特殊架构让人看到了自动驾驶域的潜在可能。因此，本文选取自动驾驶域作为融合向的代表展开说明。

3.2.1自动驾驶域与底盘域融合

在自动驾驶四大关键技术中，运动控制技术依赖底盘域实现，为了追求自动驾驶实现的更深层化，快捷化，减少不必要的响应过程，两者的域融合势在必行。

现阶段两者的融合主要依托于线控底盘技术，此技术的核心是省去传统的机械传动结构，利用电信号代替机械液压部件向执行机构传递作动信息，更契合电动汽车EEA的发展。如图5所示，整个融合域中，由自动驾驶域的环境感知传感器系统负责车-路-人信息的获取，对数据进行计算整合后，通过CAN网络发给域控制器，转成动力学信息过渡给线控底盘，以实现最终的整车控制[8]。按照传统底盘的作动性，线控系统分成四个子系统，分别是线控驱动、线控转向、线控制动、线控悬架。其中线控转向与线控制动被认为是实现自动驾驶的核心技术，又以线控制动的实现难度最高。

除线控技术外，冗余措施与容错控制也是两域融合的关键之一。自动驾驶的安全性是设计中不可忽视的一环。在设计自动驾驶的域控制器时，往往会加入冗余措施以及对应的容错控制。当下主流的Tier1主要采用冗余措施，一种是设置两套完全独立的执行系统，具有单独的执行功能，在执行层面互相互补，除非两者同时失效，否则必定有一个系统幸存，并保有一定程度的容错能力，如博世在面对安全要求较高的制动系统即采用此种冗余措施[9]。另一种是在感知系统或者控制器中设置备份功能，当原有的主控制器失效时，备份功能依旧能保证车辆的自动驾驶处于可控的安全阶段，并维持一段时间，坚持至车辆完全脱离失效风险，如联合汽车电子有限公司就将其融入域控制器的功能中[10]。

图5 自动驾驶与底盘融合域示意图

3.2.2自动驾驶域与座舱域

自动驾驶的实现需要人-车-路三者的共同作用，与驾驶员息息相关的座舱域是不可缺少的重要一环。如今不少的自动驾驶控制器已经开放了座舱域的接口，成为自动驾驶控制器发展的又一风向标；并且近来已经有相关的强制性法规出台，要求车企持续开展自动驾驶人车交互的研究工作[11]。两域的融合应用旨在提升用户体验的同时，保障自动驾驶的功能安全与智能化，也是域控化技术实现的一大挑战。

作为五域中最具“活力”的两个域，两域的融合过程让人们对于旧应用有了很多新认知。驾驶员监控系统（Driver Monitor System, DMS）就是其中之一。DMS集成了许多先进的传感技术，例如头部追踪，眼动追踪，呼吸信号采集、心率信号采集等。从上述的技术成分不难看出，早期DMS的问世更多的是为了监控驾驶的注意力分散或者疲劳驾驶情况，但随着自动驾驶技术的兴起，业内对于DMS的应用有了新的认识。由于目前的自动驾驶技术依然停留在L2—L4阶段，驾驶员依旧是驾驶责任的主体，实现车辆对人类驾驶行为的监控就十分必要，而DMS技术恰好可以用于划分“人机共驾”和“人工接管”的场景界限。例如在L3的ADAS中，驾驶员可能因为过分依赖自动驾驶的可靠性，注意力分散，处于劣质甚至脱离驾驶行为，此时DMS就开启声光报警，起到监控提醒的作用；另一方面当驾驶员处于疲劳驾驶、酒驾毒驾等异常驾驶状态时，自动驾驶域控制器也可以通过接受DMS传达的舱内信息，进行适时的警告，开展针对的驾驶限制乃至彻底接管驾驶行为，避免事故的发生[12]。

图6 L3自动驾驶DMS应用示意图

当然，新技术的创新推动才是融合向发展的主旋律。电动汽车座舱域整合了整车感知能力，构建了一个多功能的计算机控制平台，可以实现“人-车-路”的信息互联。相比于“车对人”单向的DMS，信息互联对于自动驾驶域的功能增强更为主动，属于“人对车”的双向交互，对用户而言的现实价值更为突出。

首先，电动汽车的座舱域中已经形成了一套高效的交互控制系统，触摸控制，手势控制，语音控制，HUD甚至未来的脑电模式，都将为自动驾驶功能的人机交互服务。包括自动驾驶前端的开启关闭，调整参数，资源共享等，都可以通过座舱域控制器融合实现，可以说从一定程度上释放了驾驶员的双手，极大优化了用户的驾驶体验。此外，5G时代的高调降临，带来了车用无线通信技术（Cellular-Vehicle To Everything, C-V2X）技术，此技术的问世意味着座舱域的通信能力被彻底解放，相当于人们的“第二部手机”[13]，可以与车内外任何相关的实体单位进行通信交互，令在多种应用场景下与其他实体的识别成为可能，方便自动驾驶控制器的决策，以最终实现例如碰撞预警，主动避障，智能泊车等多样化的自动驾驶功能。未来更自由的用户介入，令自动驾驶功能都有了用户个性化订制的潜在可能。

3.3 现状总结分析

综上分析两种域控化方案，在传感器执行器逐渐标准化、成本降低的今天，两种方案并无明显的孰优孰劣，还是需要根据开发目标和所处的功能域，具体情况具体分析。但通过上述案例，笔者将域控制器的优势特点归纳如下：一是简化整车电气架构，提高系统稳定性与安全性，如动力域的VBU控制器；二是广泛的节约物料成本和缩短开发周期，易于后期的升级开发；三是扩宽了开发者的视野，横向技术的融合自由度大幅提升，如：线控技术、DMS、互联技术都得到了良好的拓展应用。

4 汽车域控制器发展趋势

4.1 未来创新发展战略

区域控制器与中央计算机的集中化方案会渐入佳境。随着芯片技术的进步，控制器功能将越发强大，之前以功能为导向的域划分会逐渐被淘汰。实际上，现如今域的边界划分已经越发模糊，域的定义在因车而异。例如华为的CC架构（3个中央控制域：智舱、智驾、整车），以特斯拉为代表的物理区域（前车身域、左车身域、右车身域）都是EEA的跨越性产物，可见条件已经初步成熟。大多数车企未来也在向中央电脑-区域控制器的阶段靠拢。

车载云计算阶段并非可望而不可即。5G通信技术的快速发展让华为的CC架构中已经出现了云端处理器的概念，相信在不远的将来6G或者7G的到来，一定会让域控制器发生巨大的变革。笔者认为到时自动驾驶域、座舱域、动力域（电控和电池通信方面）三域将率先享受到第一波的技术红利，迎来突破性的发展。

未来可能会出现因“车”制宜的域控制器设计理念。现在域划分已不再明显，未来域的融合还会加速，从经典五域到现在的三域乃至未来的中央大脑。笔者认为功能域在不断整合过程中，也可有所侧重，根据不同的开发目标倾斜算力资源，类比现在各种的驾驶模式，运动车辆可以加强动力域底盘域的功能控制，智能车辆着力提升自动驾驶域与智能座舱域的科技感，真正做到私人订制，因“车”制宜。

4.2 面临的挑战

未来的域控制器会负责更多的传感器与控制单元，会面临更为庞大的数据运算，对于汽车厂商而言，最大的挑战是如何将上述软硬件整合一体，并具有可靠的鲁棒性。笔者认为一方面ECU的运算能力，或者说芯片技术有待进一步的突破。另一方面，可以考虑从车载以太网入手，替代LIN/CAN通讯，加快网络协议与通信速率的升级应用。并且可以思考从设计阶段因“车”制宜，做好域的划分或者融合，对多个域的关键技术提前整合，达到最佳的设计效果。

5 结语

近年来随着新技术的爆发式增长，汽车电子电气架构在不断加速演变，使得域控制器的研究开发越来越受重视，已经成为电动汽车创新发展的又一关键开拓点。本文首先对域控制器发展的过渡阶段做出梳理总结，再对现阶段的域集中控制器进行分类分析，并提炼了域控制器的优势所在，引发了对未来域控制技术发展趋势的思考。目前的域控制器发展大体延续博世提出的EEA演变路线，但此路线并不是绝对的，随着未来科技的进步，域的划分将更为大胆，其控制器将更为高效智能，没有人可以保证它的发展不会跳出我们的认知。期望本文能为当下域控制器技术的研究升级提供一定的参考价值。

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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，硕士，助教，研究方向为电动汽车、智能汽车技术，E-mail:linshu_1993@163.com。

福建省中青年教师教育科研项目：基于某电动汽车的动力域控制器研究与开发（JAT210686）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.039