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极氪汽车 | 智能电动汽车永远在线系统分析与研究
2021-11-25 17:30:25· 来源：电动学堂 作者：彭方强
文章来源：1.极氪汽车（宁波杭州湾新区）有限公司2.吉利汽车研究院（宁波）有限公司1前言积极应对碳达峰、碳中和这场硬仗大考，是新能源汽车以及整个新能源产业
文章来源：1.极氪汽车（宁波杭州湾新区）有限公司2.吉利汽车研究院（宁波）有限公司
1前言
积极应对碳达峰、碳中和这场硬仗大考，是新能源汽车以及整个新能源产业不可推卸的重大责任。发展新能源汽车已被确定为推进节能减排的重点，其中一方面是推进新能源汽车技术创新，特别是推进电动化与网联化、智能化并行发展。
据麦肯锡调研，61%的中国消费者会因为智能网联系统而更换汽车品牌。智能网联技术不仅在驾驶模式下给用户带来安全、舒适、便利，通过降低交通事故率，提高道路通行效率促进节能减排，而且在非驾驶模式也拓展了丰富的功能场景，如远程实时视频查看、远程数据访问、整车哨兵模式等，对整车电子电气架构和整车电源管理带来了很大的挑战，如何在当前电子电气架构中开发集成这些功能并满足电源消耗的目标，减轻用户续航里程焦虑，还能快速响应用户功能请求，提升用户功能体验。
智能电动汽车永远在线指的是车辆随时可以通过智能终端被用户访问；这里的永远在线功能从工作类别分为两类：一类是功能激活的同时，系统持续耗电，直到关断为止。如哨兵模式开启后，车载摄像头和相关控制器在运行，持续监测周围环境中的危险因素。国外某主流车型自2019年初推出哨兵模式以来，因其为用户避免了在车辆停放期间的意外损失，所以深受国内外用户一致好评，有数据显示：哨兵模式开启6h，消耗10km的续航里程；另一类是开启后系统等待激活，系统能耗与用户开启频率相关，当任务结束后，系统又进入休眠，直到下次功能被再次激活。除以上两类功能外，将来是否还有其余功能场景需要永远在线？答案是肯定的，如地下智慧停车场，车辆通过近场通信与智慧城市大脑交互，可以解决没有4G/5G信号区域智慧物联网控制，所以未来的功能拓展和部署也需要考虑。
2永远在线系统组成及原理
永远在线系统总体包含车辆端永远在线功能子系统、TSP（Telematics Service Provider）云端、智慧城市大脑和智能终端四大部分，如图1所示。其中智能终端通过4G/5G信号与TSP云端通信，并将控制指令下发到车辆，车辆执行指令后，将状态信号通过TSP云端反馈到智能终端。而智慧城市大脑则是通过NFC、RFID、蓝牙、WIFI等协议与车辆进行通信，再将处理的信息传给TSP云端，移动智能终端直接与TSP云端进行通信交互，如智慧停车场的车辆托管模式、定时、托管服务等。
2.1系统组成
车辆端永远在线功能关联到整车较多子系统，如智能驾驶子系统，负责环境侦测和识别、图像的录制；信息娱乐子系统，负责视频存储、播放和报警声音播放；车联网子系统，包含通信模组、各类智能天线等，负责车端和TSP云端进行通信；高、低压能源子系统，负责电源供给和管理。永远在线功能激活后，这些子系统都要持续工作，所以导致耗电量较大，参与工作的电器零部件有：高低压电源、DC-DC转换器、车载智能互联终端、网关、集成式娱乐主机、智能驾驶控制器、车内外摄像头、相关传感器和线束等。
2.2系统原理
智能电动汽车永远在线系统集车联网技术、通信技术、数据采集技术及传感技术于一体，通过安装在车内、车外摄像头和行车记录仪中的重力传感器，来感知车辆环境异常级别，从而录制车内、车外视频，并发出警报提示，同时也提醒车主。永远在线功能主要分以下3类。
2.2.1远程车辆控制类
通过智能终端App中的远程服务实现，即向车辆进行远程控制信号发送，车联网平台身份验证成功后，车端应用程序接收到控制信号后执行，并响应其控制的过程，同时被控制端还会将执行结果通过车联网平台反馈给控制端的App，如通过手机远程开启空调，车端开启空调后，手机App端会显示空调状态被打开。
2.2.2远程车辆数据类
通过智能终端和车载集成式主机之间的数据进行查看、上传和下载，包含照片、视频、音乐、文档、小说等内容，智能终端传输可以将数据发送到车载娱乐主机，车载娱乐主机也可以将数据传输给智能终端，包括实时数据和非实时数据。实时数据包含远程实时视频、拍照等，非实时数据包含历史视频、集成式娱乐主机存储的多媒体视频等。如远程视频实时查看，用户通过智能终端，请求实时查看车内遗留物品、车周边环境状况查看，方便寻车或查看车辆泊出的阻挡情况，此功能需要激活车内、车外摄像头，通过布置在车内外摄像头进行远程实时视频查看。
2.2.3远程车辆监控类
远程车辆监控类如哨兵模式，其原理主要是通过前视摄像头，左、右两侧摄像头和后视摄像头持续开启，利用自身无畸变，通过深度学习，实现被检测的物体与车辆距离的准确识别，可以根据车辆周围发生不同类型的潜在威胁而做出对应级别的报警反应，分为警惕模式和警报模式。
警惕模式下，当检测到行人靠近车辆特定值时，触发“警惕”状态。该状态下，车内屏幕会亮起警告标识，警告接近者此时车内视频正在录制，且车外双闪灯也会闪烁，车主此时会在移动端App接到触发提醒。
警报模式则是利用整车本身防盗系统防盗机制做触发报警，当检测到车辆遭受碰撞，车门被强行打开，车玻璃被破坏，触发“警报”状态。该状态下，不仅视频在录制，同时车辆安全警报被激活，车内中控屏的亮度会增加，并以最大音量播放汽车音响系统的音乐。而且还可以推送信息给车主，车主可实时查看，也可历史查看该视频信息。
3当前系统存在的问题
如上述2.1节所述，永远在线功能关联到整车较多子系统和控制器，相关子系统耦合度高、控制复杂，如视频传输，功能体验要求，其需求是高带宽和低时延。
3.1系统的网络架构
车辆架构正朝着以通用计算平台为基础、面向服务架构的方向发展，但当前大多数OEM整车电子电气架构都处于分布式电子电气架构。如图2所示，博世公司提出的渐进式电子电气架构，蓝框内分布式架构，逻辑处理分布在不同的控制器内，各控制器间逻辑耦合度高，在此架构上开发的永远在线子系统与子系统间，控制器与控制器间信号接口多且复杂，如图3所示，功能存在整体唤醒整车网络的可能性，这会导致工作电流大，耗电量增加，影响车辆续航。且分布式架构通信链路较长，ECU底层代码兼容性差、代码冗余、代码复用性差、维护更新困难。
3.2能耗管理&复杂系统
电动汽车能耗直接关联到续航里程，所以应设立系统能耗目标，降低能耗总体策略：①降低系统的复杂度，简化系统；②减少系统内工作ECU的数量，减少唤醒；③降低工作ECU的功耗需求；④提高DC-DC的转化效率。
当前电动汽车电源是由高压动力电池组和12V低压辅助电池组成，由于传统燃油车的蓄电池除了维持整车熄火后暗电流的消耗，同时还要保证停放一段时间后整车能够提供起动机瞬间启动的大功率需求。而纯电动汽车12V辅助蓄电池并不需要提供启动机大功率请求，只需要满足车辆休眠后暗电流消耗为主，同时考虑到辅助蓄电池充放电循环寿命，一般选择45Ah的铅酸蓄电池或锂离子电池，车辆低压用电器由DC-DC转换器和低压蓄电池并联供电。而45Ah的低压电池不足以维持系统长时间运行，所以需要整车高压上电，来为低压系统提供充足的能源。这时高压能源域控制器也会参与，进行智能补电或是直接供电。
3.3关键零部件启动时间
永远在线系统启动时间会直接影响到用户体验，当前车辆集成式娱乐主机里的安卓系统冷启动时间长（通常15~25s），而录制视频、文件均存储在集成式娱乐主机的硬盘中，所以如何缩短系统启动时间，提高用户体验也是开发好永远在线系统的关键所在。
4永远在线系统架构模型
永远在线系统架构模型包含硬件架构、软件架构、车辆永远在线功能、TSP云端和智能终端等，如图4所示。
4.1硬件架构
永远在线系统硬件架构包括车辆硬件和电子硬件。车辆硬件含整车控制、环境感知、自动驾驶和智能座舱以及传感器、执行器、天线、显示屏、摄像头等；电子硬件含各类SOC、MCU、以太网Switch等。
4.2软件架构
由于车辆实时性、安全性和扩展性的需求，无法用一个系统来满足所有的应用场景，所以在满足系统实时性和安全性要求时，还要求保证系统鲁棒性和扩展性。系统软件架构主要包括服务层、中间件、基础软件层。服务层包含各类服务，如自适应服务、应用服务、逻辑服务、智能场景引擎和互联服务；中间件则包含服务管理、网络管理、通信管理、更新管理和诊断；基础软件层包含操作系统和操作系统内核。
4.3TSP云端
TSP云端主要是为车辆和智能终端提供内容和流量转发服务，同时云端信息安全尤其重要，云端有安全通信信道，需要校验签名证书等，管理应用程序数据的生命周期，应对车端和智能终端的威胁分析，脆弱性评估和应急响应等，这里的TSP云端进行计算服务、存储服务、数据智能以及订阅服务、AI成长平台、安全和连接服务、OTA服务。
4.4智能终端和车辆功能的永远在线
智能终端主要包括用户计算机、服务器、ipad和手机等，通过App连接到TSP云端服务平台的安全通信通道，并校验签名证书等；车辆功能永远在线主要包括远程车辆控制类，如远程监控、远程车辆数据类，如远程数据访问、实时视频等；还有远程车辆监控类，如整车哨兵模式等以及未来拓展的永远在线功能。
5系统的改进-最小系统
如上述第3节分析，永远在线系统功能复杂，与原有车联网功能系统耦合度高，架构复杂，启动时间慢，如何改进系统？本节提出改进系统的网络架构和最小系统。
首先明确永远在线具体功能需求，将场景、人机交互、性能以功能需求为导向，明确最小系统的信号接口，将需求打散至各子系统中。
5.1改进系统的网络架构
采用中央计算平台与区域控制器结合的车辆集中式的网络架构，主干网使用高速以太网通信，为了满足车辆控制实时性的要求，核心网络采用如TSN等可靠协议通信，在其区域控制器下的局域网内，CAN、LIN、CANFD、GMSL、A2B等通信将会继续存在，局域网内仍以传统的信号方式进行通信，以降低成本，而在主干网中，将会以服务的方式进行数据交互。随着整车集成化的程度越来越高，越来越多的ECU的逻辑将会被吸收到区域控制器当中，不仅如此，区域控制器还集成了网关功能。如图5所示，永远在线系统是通过智能终端发送功能请求给TSP云端，TSP云端通过身份验证，验证成功后通过4G/5G信号将功能请求发送车载智能互联终端，车载智能互联终端再将收到的信息发送给车载计算平台，车载计算平台通过分析、决策、逻辑计算，并通知各域执行、控制，并将最后执行状态反馈给智能终端的过程。
5.2最小系统
为解决功耗影响，提出最小系统具有激活或保活永远在线功能的最小的硬件环境和软件环境，失活时系统能快速休眠，从而降低系统能耗；硬件最小系统主要由高低压电源、摄像头、传感器、区域控制器、中央计算平台、车载智能互联终端、TSP云平台和智能终端组成，具备快速唤醒和休眠机制。
5.3系统快速启动
改集成式娱乐主机安卓系统由冷启动变为热启动，降低保活控制器的能耗，利用SuspendtoRAM（挂起到内存）技术，电源在系统休眠后继续为内存供电，以确保数据不丢失，而其他设备均处于关闭状态，系统的耗电量很低（百毫安级），一旦被永远在线功能唤醒，马上从内存中读取数据并恢复到STR之前的工作状态。
6总结
永远在线创新的功能场景非常丰富，本文中分析了永远在线系统的组成和原理，对电子电器架构和整车电源管理带来的冲击，现阶段存在的问题，提出了集中式永远在线系统架构模型，集中式的永远在线系统拓扑图，并总结提出了：最小系统，系统快速启动方案，降低了原有系统的复杂度、耦合度，降低了能耗，缩短了系统的启动时间，得到如下结论。
1）从系统网络架构出发，相比其余永远在线方案通信链路短，安全性高，功能时延更短，提高了用户体验。
2）从能耗管理角度，相对于其余方案，本方案能耗更低，故对续航影响更小。
3）在永远在线功能激活过程中，整体功能激活的效率提升了，从原来的13~25s提升到5s以内，功能激活更加高效。
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