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特斯拉电子架构与冗余安全设计研究报告

一、特斯拉电子架构演进

1.1 从分布式架构到中央计算平台

特斯拉作为电动汽车和自动驾驶技术的先驱，其电子电气架构(E/E架构)经历了从分布式向集中式的重要转变。特斯拉的E/E架构率先达到中央计算平台架构阶段，完成了从"功能机"到"智能机"的转变，即转为面向通用计算的"智能机"设计：以区控制器的形式协同不同功能域之间的信息决策万方。

Model 3是特斯拉电子架构变革的标志性车型，它开创了中央域控制架构的雏形，被行业认为在电子电气架构方面领先传统车企6年以上知乎。Model 3的电子电气架构分为四大部分：

• CCM(中央计算模块)
• BCM FH(前车身控制模块)
• BCM LH(左车身控制模块)
• BCM RH(右车身控制模块)

其中CCM整合了自动驾驶和信息娱乐系统两大域，而区控制器则划分为前车身、左车身、右车身控制器，并由CCM进行统一处理、决策，协调各域之间的操作控制万方。

1.2 特斯拉中央计算平台的架构特点

特斯拉的中央计算平台采用了模块化设计，座舱域和智驾域虽然物理上集成在一个大的域控制器中，但在内部仍保持一定的独立性。特斯拉最新电脑是用在特斯拉最高端的Model S Plaid或者最新的Semi卡车上，采用水冷散热方式，水冷板在中间，两边分别是座舱和智驾PCB电子发烧友。

座舱域一块PCB板包含了仪表显示娱乐控制、网关、音频功放、Tbox等系列集成在内。Tbox设计成可插接的小PCB板，插接在上面座舱PCB板上，考虑了硬件兼容更换来实现满足不同地区的网络制式。另外座舱PCB板上面通过16通道的ePCI连接GPU模块来支持丰富的高性能显示电子发烧友。

另一块PCB板则是特斯拉FSD智驾域，这个属于特斯拉智驾控制域HW3.0，和当前Model 3和Y上的没有差异。座舱域和智能驾驶域通过千兆以太网连接通讯电子发烧友。

特斯拉比较巧妙地把所有车辆上比较现代符合IT思维的高性能计算通讯单元融合集成，同时考虑不同地区通讯制式单独设置可插拔TBOX PCB版，另外可以考虑不同版本或者升级GPU也设置可插拔的GPU PCB板，体现了电脑板模块化可拓展思路电子发烧友。

二、车载以太网技术与实时数据传输

2.1 特斯拉车载以太网技术规格

特斯拉采用车载以太网作为高速数据传输的骨干网络，以支持自动驾驶系统对大带宽、低延迟的需求。在特斯拉高端车型上，相关以太网芯片已经达到40-50片，随着汽车智能化的不断演进，未来在L4/L5级别自动驾驶汽车中搭载量还将进一步增长到80-120片华强电子网。

在价格上，目前车载百兆以太网芯片平均单价在1-2美元，千兆以太网芯片单价在4-5美元，在下游旺盛需求的带动下，目前行业整体呈良好的量价齐升趋势华强电子网。

特斯拉AP3.0（FSD版）域控制器中使用的以太网交换器主要是Marvell的88EA6321，这是一个针对汽车EAVB的7口以太交换机，有两个IEEE10/100/1000BASE-T/TX/T接口，两个RGMII/xMII接口或一个GMII接口，2个SGMII/Serdes接口，1个RGMII/xMII接口电子工程世界。

2.2 实时数据传输支持能力

特斯拉车载以太网的带宽和实时性对支持自动驾驶系统至关重要。车载以太网是一种连接在车内的电子单元新型局域网技术，在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s甚至1Gbit/s的数据传输速率，可以同时满足汽车行业的低功耗、带宽分配、低辐射及低延迟等方面的要求电子发烧友。

特斯拉车载以太网主要由MAC（介质访问控制）、PHY（物理接口收发器）组成，与传统以太网不同，车载以太网固定为全双工通信方式，出于对汽车启动时间的考虑而没有引入自动协商机制电子发烧友。

在特斯拉当前的电子电器架构中，车载以太网多是在局部需要高带宽的P2P channel使用，比如Gateway和导航之间传输流媒体信息，Gateway和ADAS控制器之间传输高精度地图，Tbox和gateway之间的信息传输。当然最主要的是提升OTA的速度电子发烧友。

此外，特斯拉还通过车队遥测系统实现车辆数据的实时传输。车队遥测允许车辆将数据直接传输到服务器，无需轮询vehicle_data端点，这可以防止不必要的车辆尾流和电池消耗特斯拉开发者中心。在线时，车辆通过mTLS Web Socket连接将遥测数据流式传输到由合作应用程序托管的服务器，这是访问车辆数据的首选方法特斯拉开发者中心。

三、制动与转向冗余安全设计

3.1 制动系统冗余设计

特斯拉采用了博世iBooster（电子制动助力器）系统作为其制动系统的核心。在博世iBooster的设计中，虽然给了车企一定的自由度，但并没有完全放手。它保留了一道安全冗余：制动踏板信号可以在紧急状况下直接传递给iBooster控制器，确保刹车系统的稳定可靠有驾。

然而，特斯拉在电子电气架构上非常领先，也相当自信，于是取消了这条路径。特斯拉的做法是，无论何时何地，制动踏板信号都必须经过整车控制器，由ECU来判断如何分配动能回收强度和制动助力有驾。这种设计在某些情况下可能带来潜在风险，例如当系统发生故障时，车辆可能会误认为不是车主自己踩下刹车踏板，而是动能回收系统提供了很强的制动力。ESP为了维持车身姿态平衡，会向驱动电机提出"加速"的请求，来补偿和动能回收相反的动力有驾。

尽管如此，特斯拉的刹车系统仍然具有多重冗余保障机制：

1. ESP备份系统：当iBooster出现故障时，ESP系统可以接手提供紧急制动汽车之家。
2. 无助力紧急制动：即使在最极端情况下，驾驶员也能通过无助力的紧急制动系统来应对汽车之家。
3. P挡紧急制动：特斯拉Model Y车主手册中显示，紧急情况下，如果制动功能不正常，需要长按P挡才能停车有驾。

在博世构筑的L3级自动驾驶场景中，iBooster的作用相当于代替人类成为冗余系统，即便ESP失灵，iBooster仍然能够提供超快的制动反应和足够的制动力搜狐。

3.2 转向系统冗余设计

特斯拉申请了一项新线控转向系统专利，仅依靠电气或机电系统进行转向，消除了转向系统中机械连杆的使用金融界。这项新专利可提高效率，提供更好的转向配置，并设计不同的汽车座舱金融界。

特斯拉在专利申请的摘要中写道：车辆线控转向系统可控制车辆的横向运动。该系统包括一个带两个控制器的方向盘扭矩反馈执行器组件、一个带有两个区域隔离电机和控制器的前路轮转向执行器组件、两个独立的电源组件、独立接线束组件中的两个独立车辆通信网络，以及转向系统中每个节点之间的三个专用系统通信网络金融界。

该冗余组件是区域隔离的，这样当一个或多个组件发生故障时，常见故障原因不会危及系统。该系统可以包括差速器变速箱车轮执行器，以允许车轮的绝对位置。该系统还可以包括一组位置传感器组件，包括两个磁性传感器组件和一个电感式传感器组件金融界。在披露中，特斯拉声称其设计允许冗余，而无需机械转向系统作为备用金融界。

3.3 HW3双重冗余系统

特斯拉在其最新软件更新中，悄然激活了专为全自动驾驶设计的Hardware 3（HW3）的双重冗余系统，这一举措让自动驾驶的可靠性和安全性迈出了重要的一步汽车之家。

特斯拉的HW3计算机由两台独立的、各自运行的计算机组成，它们拥有各自的处理器、内存和存储资源。这种设计旨在为自动驾驶系统提供双重保障。一旦其中一台计算机出现故障，另一台可以立即接管，确保车辆的控制权不会因为系统的暂时故障而丢失汽车之家。

这一改变与特斯拉先前的策略形成对比，他们过去通常仅启用单个计算机。这次更新意味着，在FSD出现问题时，系统可以自动切换到冗余模式，从而确保自动驾驶功能的持续运行汽车之家。

四、安全等级评估与行业对比

4.1 安全等级评估

特斯拉的制动和转向冗余系统设计旨在满足高级别的功能安全要求。汽车制动系统对可靠性要求极高，必须留出足够的性能冗余，并且做好和主缸液压系统的匹配上海东方财富证券投资咨询有限公司。

制动系统是安全系统，在整个L3和自动驾驶到来的时刻，除了双电源供电、通信和整个执行器的双冗余，对自动器的要求不止如此，还包括快速的响应能力m.ofweek.com。

特斯拉的制动系统设计虽然取消了博世iBooster原本保留的直接传递路径，但通过ESP备份系统、无助力紧急制动和P挡紧急制动等多重机制，仍然保持了较高的安全等级。然而，这种设计在某些极端情况下可能带来潜在风险，需要进一步的安全验证和优化。

4.2 与其他车企的对比

目前，具有NOH、NGP、NOP等高级别驾驶辅助功能的落地车型基本都配备了全冗余系统，如长城魏牌摩卡、蔚来的ET系列车型、理想L8/L7Max版本、沃尔沃EX90等知乎。

长城汽车在2020年发布六大冗余系统，包含感知冗余、控制器冗余、架构冗余、电源冗余、制动冗余、转向冗余，并于2021年5月首搭魏牌摩卡上市知乎。其中：

• 感知冗余采用多源异构传感器方案，L+R+V融合
• 控制冗余采用双控制器，全时运转、互为备份
• 制动冗余采用博世ESP+iBooster组合
• 转向冗余应用长城汽车旗下蜂巢转向研发的第三代智能转向产品，具备双绕组电机、双电机位置传感器、双CPU、双控制器
• 通信冗余采用双通讯架构，有三条独立物理通讯链路，互为支撑
• 电源冗余采用双电源供应、双回路的"双保险"设计知乎

沃尔沃EX90是其首款搭载安全冗余系统的量产车型，预计2024年年中在中国市场上市。其冗余设计包括：感知冗余、控制器冗余，以及在制动、转向、供电和通信上的充分冗余设计知乎。

相比之下，特斯拉的冗余设计更加注重软件层面的冗余，如HW3双重冗余系统，以及硬件层面的线控转向系统冗余。但在制动系统方面，特斯拉取消了博世iBooster原本保留的直接传递路径，这一点与其他车企的设计理念有所不同。

五、结论与展望

5.1 研究结论

通过对特斯拉电子架构与冗余安全设计的研究，我们得出以下结论：

1. 电子架构创新：特斯拉的电子架构从分布式向中央计算平台转变，通过CCM整合自动驾驶和信息娱乐系统两大域，并协调控制三个车身区域控制器，显著提升了系统效率和性能。其模块化设计和可拓展思路也为未来升级提供了便利。

2. 车载以太网技术：特斯拉采用高带宽、低延迟的车载以太网作为骨干网络，支持自动驾驶系统对实时数据传输的需求。在高端车型上，以太网芯片数量已达40-50片，未来还将进一步增长。

3. 冗余安全设计：特斯拉在制动、转向和计算系统方面都采用了冗余设计，如HW3双重冗余系统、线控转向系统的多重冗余组件等。但在制动系统方面，特斯拉取消了博世iBooster原本保留的直接传递路径，这一点值得关注。

4. 安全等级评估：特斯拉的冗余安全设计整体上满足了高级别的功能安全要求，但在某些极端情况下可能存在潜在风险，需要进一步的安全验证和优化。

5.2 未来展望

随着自动驾驶技术的不断发展，特斯拉的电子架构与冗余安全设计也将继续演进：

1. 架构进一步集中化：未来特斯拉可能会进一步推进电子架构的集中化，将更多的功能域整合到中央计算平台中，提升系统效率和性能。

2. 车载以太网升级：随着自动驾驶等级的提升，特斯拉可能会升级车载以太网技术，采用更高带宽、更低延迟的解决方案，如10Gbps甚至更高速率的以太网技术。

3. 冗余安全设计优化：特斯拉可能会进一步优化制动和转向系统的冗余设计，增强系统的安全性和可靠性，尤其是在极端情况下的表现。

4. 软硬件协同设计：未来特斯拉可能会更加注重软硬件的协同设计，通过软件算法和硬件冗余的结合，提升系统的整体安全性和可靠性。

通过本研究，我们深入了解了特斯拉在电子架构和冗余安全设计方面的创新和实践，为汽车行业的技术进步和安全提升提供了有价值的参考。未来，随着自动驾驶技术的不断发展，特斯拉的电子架构与冗余安全设计也将继续演进，为汽车行业树立新的标杆。