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極氪汽車 | 智能電動汽車永遠在線系統(tǒng)分析與研究

2021-11-25 17:30:25·  來源：電動學堂  作者：彭方強  
　
文章來源：1.極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司2.吉利汽車研究院（寧波）有限公司1前言積極應對碳達峰、碳中和這場硬仗大考，是新能源汽車以及整個新能源產業(yè)
文章來源：1.極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司2.吉利汽車研究院（寧波）有限公司
1前言
積極應對碳達峰、碳中和這場硬仗大考，是新能源汽車以及整個新能源產業(yè)不可推卸的重大責任。發(fā)展新能源汽車已被確定為推進節(jié)能減排的重點，其中一方面是推進新能源汽車技術創(chuàng)新，特別是推進電動化與網聯(lián)化、智能化并行發(fā)展。
據(jù)麥肯錫調研，61%的中國消費者會因為智能網聯(lián)系統(tǒng)而更換汽車品牌。智能網聯(lián)技術不僅在駕駛模式下給用戶帶來安全、舒適、便利，通過降低交通事故率，提高道路通行效率促進節(jié)能減排，而且在非駕駛模式也拓展了豐富的功能場景，如遠程實時視頻查看、遠程數(shù)據(jù)訪問、整車哨兵模式等，對整車電子電氣架構和整車電源管理帶來了很大的挑戰(zhàn)，如何在當前電子電氣架構中開發(fā)集成這些功能并滿足電源消耗的目標，減輕用戶續(xù)航里程焦慮，還能快速響應用戶功能請求，提升用戶功能體驗。
智能電動汽車永遠在線指的是車輛隨時可以通過智能終端被用戶訪問；這里的永遠在線功能從工作類別分為兩類：一類是功能激活的同時，系統(tǒng)持續(xù)耗電，直到關斷為止。如哨兵模式開啟后，車載攝像頭和相關控制器在運行，持續(xù)監(jiān)測周圍環(huán)境中的危險因素。國外某主流車型自2019年初推出哨兵模式以來，因其為用戶避免了在車輛停放期間的意外損失，所以深受國內外用戶一致好評，有數(shù)據(jù)顯示：哨兵模式開啟6h，消耗10km的續(xù)航里程；另一類是開啟后系統(tǒng)等待激活，系統(tǒng)能耗與用戶開啟頻率相關，當任務結束后，系統(tǒng)又進入休眠，直到下次功能被再次激活。除以上兩類功能外，將來是否還有其余功能場景需要永遠在線？答案是肯定的，如地下智慧停車場，車輛通過近場通信與智慧城市大腦交互，可以解決沒有4G/5G信號區(qū)域智慧物聯(lián)網控制，所以未來的功能拓展和部署也需要考慮。
2永遠在線系統(tǒng)組成及原理
永遠在線系統(tǒng)總體包含車輛端永遠在線功能子系統(tǒng)、TSP（Telematics Service Provider）云端、智慧城市大腦和智能終端四大部分，如圖1所示。其中智能終端通過4G/5G信號與TSP云端通信，并將控制指令下發(fā)到車輛，車輛執(zhí)行指令后，將狀態(tài)信號通過TSP云端反饋到智能終端。而智慧城市大腦則是通過NFC、RFID、藍牙、WIFI等協(xié)議與車輛進行通信，再將處理的信息傳給TSP云端，移動智能終端直接與TSP云端進行通信交互，如智慧停車場的車輛托管模式、定時、托管服務等。

2.1系統(tǒng)組成
車輛端永遠在線功能關聯(lián)到整車較多子系統(tǒng)，如智能駕駛子系統(tǒng)，負責環(huán)境偵測和識別、圖像的錄制；信息娛樂子系統(tǒng)，負責視頻存儲、播放和報警聲音播放；車聯(lián)網子系統(tǒng)，包含通信模組、各類智能天線等，負責車端和TSP云端進行通信；高、低壓能源子系統(tǒng)，負責電源供給和管理。永遠在線功能激活后，這些子系統(tǒng)都要持續(xù)工作，所以導致耗電量較大，參與工作的電器零部件有：高低壓電源、DC-DC轉換器、車載智能互聯(lián)終端、網關、集成式娛樂主機、智能駕駛控制器、車內外攝像頭、相關傳感器和線束等。
2.2系統(tǒng)原理
智能電動汽車永遠在線系統(tǒng)集車聯(lián)網技術、通信技術、數(shù)據(jù)采集技術及傳感技術于一體，通過安裝在車內、車外攝像頭和行車記錄儀中的重力傳感器，來感知車輛環(huán)境異常級別，從而錄制車內、車外視頻，并發(fā)出警報提示，同時也提醒車主。永遠在線功能主要分以下3類。
2.2.1遠程車輛控制類
通過智能終端App中的遠程服務實現(xiàn)，即向車輛進行遠程控制信號發(fā)送，車聯(lián)網平臺身份驗證成功后，車端應用程序接收到控制信號后執(zhí)行，并響應其控制的過程，同時被控制端還會將執(zhí)行結果通過車聯(lián)網平臺反饋給控制端的App，如通過手機遠程開啟空調，車端開啟空調后，手機App端會顯示空調狀態(tài)被打開。
2.2.2遠程車輛數(shù)據(jù)類
通過智能終端和車載集成式主機之間的數(shù)據(jù)進行查看、上傳和下載，包含照片、視頻、音樂、文檔、小說等內容，智能終端傳輸可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到車載娛樂主機，車載娛樂主機也可以將數(shù)據(jù)傳輸給智能終端，包括實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)包含遠程實時視頻、拍照等，非實時數(shù)據(jù)包含歷史視頻、集成式娛樂主機存儲的多媒體視頻等。如遠程視頻實時查看，用戶通過智能終端，請求實時查看車內遺留物品、車周邊環(huán)境狀況查看，方便尋車或查看車輛泊出的阻擋情況，此功能需要激活車內、車外攝像頭，通過布置在車內外攝像頭進行遠程實時視頻查看。
2.2.3遠程車輛監(jiān)控類
遠程車輛監(jiān)控類如哨兵模式，其原理主要是通過前視攝像頭，左、右兩側攝像頭和后視攝像頭持續(xù)開啟，利用自身無畸變，通過深度學習，實現(xiàn)被檢測的物體與車輛距離的準確識別，可以根據(jù)車輛周圍發(fā)生不同類型的潛在威脅而做出對應級別的報警反應，分為警惕模式和警報模式。
警惕模式下，當檢測到行人靠近車輛特定值時，觸發(fā)“警惕”狀態(tài)。該狀態(tài)下，車內屏幕會亮起警告標識，警告接近者此時車內視頻正在錄制，且車外雙閃燈也會閃爍，車主此時會在移動端App接到觸發(fā)提醒。
警報模式則是利用整車本身防盜系統(tǒng)防盜機制做觸發(fā)報警，當檢測到車輛遭受碰撞，車門被強行打開，車玻璃被破壞，觸發(fā)“警報”狀態(tài)。該狀態(tài)下，不僅視頻在錄制，同時車輛安全警報被激活，車內中控屏的亮度會增加，并以最大音量播放汽車音響系統(tǒng)的音樂。而且還可以推送信息給車主，車主可實時查看，也可歷史查看該視頻信息。
3當前系統(tǒng)存在的問題
如上述2.1節(jié)所述，永遠在線功能關聯(lián)到整車較多子系統(tǒng)和控制器，相關子系統(tǒng)耦合度高、控制復雜，如視頻傳輸，功能體驗要求，其需求是高帶寬和低時延。
3.1系統(tǒng)的網絡架構
車輛架構正朝著以通用計算平臺為基礎、面向服務架構的方向發(fā)展，但當前大多數(shù)OEM整車電子電氣架構都處于分布式電子電氣架構。如圖2所示，博世公司提出的漸進式電子電氣架構，藍框內分布式架構，邏輯處理分布在不同的控制器內，各控制器間邏輯耦合度高，在此架構上開發(fā)的永遠在線子系統(tǒng)與子系統(tǒng)間，控制器與控制器間信號接口多且復雜，如圖3所示，功能存在整體喚醒整車網絡的可能性，這會導致工作電流大，耗電量增加，影響車輛續(xù)航。且分布式架構通信鏈路較長，ECU底層代碼兼容性差、代碼冗余、代碼復用性差、維護更新困難。

3.2能耗管理&復雜系統(tǒng)
電動汽車能耗直接關聯(lián)到續(xù)航里程，所以應設立系統(tǒng)能耗目標，降低能耗總體策略：①降低系統(tǒng)的復雜度，簡化系統(tǒng)；②減少系統(tǒng)內工作ECU的數(shù)量，減少喚醒；③降低工作ECU的功耗需求；④提高DC-DC的轉化效率。
當前電動汽車電源是由高壓動力電池組和12V低壓輔助電池組成，由于傳統(tǒng)燃油車的蓄電池除了維持整車熄火后暗電流的消耗，同時還要保證停放一段時間后整車能夠提供起動機瞬間啟動的大功率需求。而純電動汽車12V輔助蓄電池并不需要提供啟動機大功率請求，只需要滿足車輛休眠后暗電流消耗為主，同時考慮到輔助蓄電池充放電循環(huán)壽命，一般選擇45Ah的鉛酸蓄電池或鋰離子電池，車輛低壓用電器由DC-DC轉換器和低壓蓄電池并聯(lián)供電。而45Ah的低壓電池不足以維持系統(tǒng)長時間運行，所以需要整車高壓上電，來為低壓系統(tǒng)提供充足的能源。這時高壓能源域控制器也會參與，進行智能補電或是直接供電。
3.3關鍵零部件啟動時間
永遠在線系統(tǒng)啟動時間會直接影響到用戶體驗，當前車輛集成式娛樂主機里的安卓系統(tǒng)冷啟動時間長（通常15~25s），而錄制視頻、文件均存儲在集成式娛樂主機的硬盤中，所以如何縮短系統(tǒng)啟動時間，提高用戶體驗也是開發(fā)好永遠在線系統(tǒng)的關鍵所在。
4永遠在線系統(tǒng)架構模型
永遠在線系統(tǒng)架構模型包含硬件架構、軟件架構、車輛永遠在線功能、TSP云端和智能終端等，如圖4所示。

4.1硬件架構
永遠在線系統(tǒng)硬件架構包括車輛硬件和電子硬件。車輛硬件含整車控制、環(huán)境感知、自動駕駛和智能座艙以及傳感器、執(zhí)行器、天線、顯示屏、攝像頭等；電子硬件含各類SOC、MCU、以太網Switch等。
4.2軟件架構
由于車輛實時性、安全性和擴展性的需求，無法用一個系統(tǒng)來滿足所有的應用場景，所以在滿足系統(tǒng)實時性和安全性要求時，還要求保證系統(tǒng)魯棒性和擴展性。系統(tǒng)軟件架構主要包括服務層、中間件、基礎軟件層。服務層包含各類服務，如自適應服務、應用服務、邏輯服務、智能場景引擎和互聯(lián)服務；中間件則包含服務管理、網絡管理、通信管理、更新管理和診斷；基礎軟件層包含操作系統(tǒng)和操作系統(tǒng)內核。
4.3TSP云端
TSP云端主要是為車輛和智能終端提供內容和流量轉發(fā)服務，同時云端信息安全尤其重要，云端有安全通信信道，需要校驗簽名證書等，管理應用程序數(shù)據(jù)的生命周期，應對車端和智能終端的威脅分析，脆弱性評估和應急響應等，這里的TSP云端進行計算服務、存儲服務、數(shù)據(jù)智能以及訂閱服務、AI成長平臺、安全和連接服務、OTA服務。
4.4智能終端和車輛功能的永遠在線
智能終端主要包括用戶計算機、服務器、ipad和手機等，通過App連接到TSP云端服務平臺的安全通信通道，并校驗簽名證書等；車輛功能永遠在線主要包括遠程車輛控制類，如遠程監(jiān)控、遠程車輛數(shù)據(jù)類，如遠程數(shù)據(jù)訪問、實時視頻等；還有遠程車輛監(jiān)控類，如整車哨兵模式等以及未來拓展的永遠在線功能。
5系統(tǒng)的改進-最小系統(tǒng)
如上述第3節(jié)分析，永遠在線系統(tǒng)功能復雜，與原有車聯(lián)網功能系統(tǒng)耦合度高，架構復雜，啟動時間慢，如何改進系統(tǒng)？本節(jié)提出改進系統(tǒng)的網絡架構和最小系統(tǒng)。
首先明確永遠在線具體功能需求，將場景、人機交互、性能以功能需求為導向，明確最小系統(tǒng)的信號接口，將需求打散至各子系統(tǒng)中。
5.1改進系統(tǒng)的網絡架構
采用中央計算平臺與區(qū)域控制器結合的車輛集中式的網絡架構，主干網使用高速以太網通信，為了滿足車輛控制實時性的要求，核心網絡采用如TSN等可靠協(xié)議通信，在其區(qū)域控制器下的局域網內，CAN、LIN、CANFD、GMSL、A2B等通信將會繼續(xù)存在，局域網內仍以傳統(tǒng)的信號方式進行通信，以降低成本，而在主干網中，將會以服務的方式進行數(shù)據(jù)交互。隨著整車集成化的程度越來越高，越來越多的ECU的邏輯將會被吸收到區(qū)域控制器當中，不僅如此，區(qū)域控制器還集成了網關功能。如圖5所示，永遠在線系統(tǒng)是通過智能終端發(fā)送功能請求給TSP云端，TSP云端通過身份驗證，驗證成功后通過4G/5G信號將功能請求發(fā)送車載智能互聯(lián)終端，車載智能互聯(lián)終端再將收到的信息發(fā)送給車載計算平臺，車載計算平臺通過分析、決策、邏輯計算，并通知各域執(zhí)行、控制，并將最后執(zhí)行狀態(tài)反饋給智能終端的過程。

5.2最小系統(tǒng)
為解決功耗影響，提出最小系統(tǒng)具有激活或?；钣肋h在線功能的最小的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，失活時系統(tǒng)能快速休眠，從而降低系統(tǒng)能耗；硬件最小系統(tǒng)主要由高低壓電源、攝像頭、傳感器、區(qū)域控制器、中央計算平臺、車載智能互聯(lián)終端、TSP云平臺和智能終端組成，具備快速喚醒和休眠機制。
5.3系統(tǒng)快速啟動
改集成式娛樂主機安卓系統(tǒng)由冷啟動變?yōu)闊釂?，降低保活控制器的能耗，利用SuspendtoRAM（掛起到內存）技術，電源在系統(tǒng)休眠后繼續(xù)為內存供電，以確保數(shù)據(jù)不丟失，而其他設備均處于關閉狀態(tài)，系統(tǒng)的耗電量很低（百毫安級），一旦被永遠在線功能喚醒，馬上從內存中讀取數(shù)據(jù)并恢復到STR之前的工作狀態(tài)。
6總結
永遠在線創(chuàng)新的功能場景非常豐富，本文中分析了永遠在線系統(tǒng)的組成和原理，對電子電器架構和整車電源管理帶來的沖擊，現(xiàn)階段存在的問題，提出了集中式永遠在線系統(tǒng)架構模型，集中式的永遠在線系統(tǒng)拓撲圖，并總結提出了：最小系統(tǒng)，系統(tǒng)快速啟動方案，降低了原有系統(tǒng)的復雜度、耦合度，降低了能耗，縮短了系統(tǒng)的啟動時間，得到如下結論。
1）從系統(tǒng)網絡架構出發(fā)，相比其余永遠在線方案通信鏈路短，安全性高，功能時延更短，提高了用戶體驗。
2）從能耗管理角度，相對于其余方案，本方案能耗更低，故對續(xù)航影響更小。
3）在永遠在線功能激活過程中，整體功能激活的效率提升了，從原來的13~25s提升到5s以內，功能激活更加高效。
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