2023年中国汽车冗余系统行业概览：智能汽车的安全防线（摘要版）

观点摘要 目前中国已经进入自动驾驶的快速增长时期，预计到2023年。自动驾驶全等级渗透率预计能达到93%，其中L3及以上级别自动驾驶渗透率将达到31%。在自动的不断渗透且逐步向高级别转移的趋势下，汽车对自动驾驶系统的依赖性愈发高，因此对各关键功能部件的故障容错空间越来越小。 汽车各核心系统的冗余成为了当下实现高阶自动驾驶的重要配套。 本文将从感知冗余、定位冗余、决策冗余、执行冗余、电源冗余、信号冗余六个板块分别进行分析，剖析各个板块目前发展现状和未来趋势方向。 感知冗余能够实现多场景感知互补 单个传感器可能会受到特定环境或区域限制，比如摄像头难以在黑暗环境中感知，激光雷达难以在恶劣天气中应用，实现多重冗余可以x保障在各种场景下都能够有传感器处于正常工作状态。 定位系统冗余面临长期维护成本问题 在定位系统冗余中，高精地图和GNSS-RTK的成本除了本身的硬件搭载成本之外，需要定期对地图和数据进行实时更新，而长期高昂的运营成本是车企自身难以承担的，而这笔费用若折合向消费者收取未必能够受到消费市场的认同。因此，定位系统及整车厂商在不断推动零部件降本的同时也要进行冗余取舍。 国产企业需要加快步伐抢占执行冗余市场 执行冗余包括制动冗余和转向冗余两个部分：其中博世在制动冗余中占据绝对龙头，拿森等国产企业开始发力追赶，但市占率相差甚远；而在转向冗余还未实现大规模量产的当下，传统Tier1转向系统厂商已经开始进行线控冗余转向布局，而国产企业在传统转向系统市场并不占优，在转向冗余的未来布局中竞争力不大。 自动驾驶对汽车冗余系统的需求 自动驾驶发展逐渐朝着高级别渗透，L3及以上级别在2023年预计能达到31%，在实现L3级别以上的自动驾驶后汽车对系统故障的容错性更小，需要冗余系统来实现安全保障 自动驾驶分级及驾驶行为责任主体 自动驾驶分级 L0 L1 L2 L3 L4 L5 自动驾驶的技术与需求发展 根据SAE和GB认定的自动驾驶技术划分规则，主要可以将其分为L0-L5六个级别。从主要驾驶操作主体来看：L0-L1的主要操作仍由驾驶员完成，而系统只能够完成碰撞预警、部分场景的车道保持等简单行为，而从L2级别开始，车辆能够实现在特定场景下的自动驾驶行为，并且随着级别的增加，实现自动驾驶的应用场景也不断丰富。而当行车脱离系统设定的运行环境，汽车会自动要求被接管，因此在L4以下级别，驾驶员仍需随时待命准备接管车辆。 从当前在售新车的自动驾驶搭载率情况，我们可以看出两个重要趋势，其一为自动驾驶的整体渗透率实现上升，从2022年的70%上升至93%，其二为渗透率呈现朝高阶驾驶转移的趋势，2023年L3及以上自动驾驶的渗透率预计将达到31%，较前一年时间能够上升10%。而高阶自动驾驶渗透率的提升意味着车辆对系统的依赖度上升，对系统安全性能和接管保障的可靠性要求也提升了，这些要求催生了冗余系统的搭载需求。 汽车感知冗余（1/3）-不同类型传感器的功能及需求量 汽车感知冗余系统主要由超声波雷达、摄像头、毫米波雷达、激光雷达几种不同类型传感器构成，它们彼此之间能够互相补充对方的限制性场景，共同实现汽车系统的全面感知 各类传感器功能简述 一般安装于汽车前后保险杠及汽车侧面，用于测量障碍物并发出预警指令，有效探测距离通常小于5米。其测距的方法简单，成本低，主要应用于驻车辅助、自动泊车辅助等功能。 超声波雷达 一般安装于车前、车后、车身两侧、底盘等位置，可实现360°全景环视，为驾驶员提供周围环境信息，帮助驾驶员了解路况、提升行驶安全性，其技术成熟，价格相对便宜。主要应用于车道偏离预警、车距监测、车道保持等功能。 视觉感知摄像头 一般安装于前后保险杠，其覆盖区域呈扇形，探测距离最远可达 250m ，主要优势为适应能力强，在雨、雪等恶劣天气下可正常工作。毫米波雷达是高级驾驶辅助 系统（ADAS）的核心传感器，主要应用于自动紧急制动、自适应巡航控制等功能。 毫米波雷达 主要被布局在车顶、车头中网等区域，具备高探测精度，可以精准地得到外部环境信息，探测距离在300米以内，但其成本高昂，且难以在恶劣天气下发挥效果，主要应用于辅助汽车规划路线、行驶过程中同步建图等功能。 激光雷达 各级别自动驾驶搭载传感器数量 单位：个合计 超声波传感器 摄像头 毫米波雷达 激光雷达 L1 4-8 1-3 1-3 6-14 L2 8-12 3-11 1-3 14-26 L3 8-12 3-11 5-7 17-34 L4 8-12 3-14 5-7 18-35 L5 8-12 3-14 5-7 20-37 感知冗余系统的核心是各类型传感器的性能互补和在不同场景下的传感器应用。在不同级别的自动驾驶中，由于车辆智能化程度及需求的功能范围不同，对传感器的类型和数量也都各不相同，以激光雷达为例，在L2及以下级别的自动驾驶车辆上，由于行驶状况绝大多数情况下仍在驾驶者的掌控之内，有其他几个传感器的冗余足以满足其需求，而在L3及以上级别的自动驾驶中需要完成特定情况下的完全自动驾驶，因此传感器需要覆盖尽可能多的感知情境，增加一层冗余来实现事故率的降低。 感知冗余由雷达感知和视觉（摄像头）感知两大方向共同实现：视觉感知最大的缺点仍是摄像头在黑暗环境中感知受限，精度及安全性有所下降，因此在黑暗环境中的感知功能实现需要雷达感知来补充。而在雷达感知中：超声波雷达一般应用于倒车辅助场景下，由于其作用距离短、传送速度慢，难以应用于其他精度要求更高的场景；毫米波雷达是当前阶段下自动驾驶的核心传感器，由于探测距离较远，且抗恶劣天气干扰能力较强，应用场景也相对较多，其中包括自动跟车、变道辅助、自适应巡航、紧急制动等L1-L2级别的重要功能；激光雷达作为这些雷达传感器中当前成本最高的，可帮助实现3D环境实时建模等高精度功能。 汽车定位冗余（1/2）-定位冗余的各部分情况简述 定位冗余主要分为绝对定位和相对定位两个层面，实现多层次冗余将导致汽车生产成本的增加，如何权衡成本和性能实现最优解将成为汽车厂家当前进行抉择的主要问题 定位系统的冗余实现 汽车GNSS：通过获取卫星和基站信息确定汽车定位，但精度有限，易受地理环境干扰 绝对定位 IMU惯性导航：IMU传感器可以帮助惯性导航系统获取载体的位置和姿态信息 高精地图：可以准确表达道路的空间位置和各要素相对关系 相对定位 雷达+视觉传感器：感知道路标识、周边物体、家属环境，以便自动驾驶系统做出调整 单位：元 定位冗余各部分的单车搭载价值量均价对比（以L2级别车型为例） 4000 3500 2800 3000 汽车GNSS IMU惯性导航高精地图传感器 2000 2000 1200 1000 随着车路协同和自动驾驶的发展阶段不断推进，对定位系统要求精度也不断提高。因此，定位冗余系统集结了绝对定位和相对定位两个层面的定位功能，用高精地图提供超视距路况信息，用GNSS提供基于导航卫星的全局定位信息，用惯性导航提供不依赖于环境的定位信息，同时由多重传感器实现道路感知。从成本上看：2022年GNSS+IMU的组合量产价值量最高可达1000美元，但随着规模化量产有望在2025年降至500美元；对于高精地图而言，虽然硬件搭载成本仅在1000元左右，但后续的地图更新成本体现在用户订阅费用上可达到500元/月甚至更高。从性能上体现，更多重级别的冗余能够为汽车实现更高精度、更多场景的定位功能：GNSS+IMU的卫惯组合可以实现85%左右的场景覆盖，GNSS+IMU+感知与地图的融合高精度定位系统可以实现97.5%的覆盖率。 汽车执行冗余（2/5）-制动冗余应用情况 由于许多厂商仍未实现One-Box产品的量产，目前Two-Box是冗余制动市场中的主流产品；在中国的线控制动市场中博世占据绝对龙头地位，而国产厂商也开始发力追赶国际前端技术 乘用车冗余制动系统整车搭载情况 制动系统方案 企业 产品 量产时间 应用车型举例 iBooster 1.0 iBooster 2.0 IPB EHB IBC IDB 保时捷918spyder、特斯拉ModelY、特斯拉Model3、本田CR-V、大众全系列电动车、大众全系列混动车 2013 Two-box 博世 荣威Ei5、极氪001、蔚来EC6、蔚来EC8、小鹏P7、小鹏G3、理想One、比亚迪E6 2019 Two-box 2019/2018/ One-box Two-box One-box One-box 比亚迪汉EV、凯迪拉克XT4/CT6、蔚来ES8哪吒V、江铃新能源、创维汽车 雪佛兰Silverado、凯迪拉克Escalade蔚来ET7 同驭采埃孚万都 长安Lumin、长安深蓝SL03、长安CS55Plus、北汽EC3、北汽EU7、比亚迪E2、比亚迪海鸥、欧拉闪电猫 拿森 N-booster 2018 Two-box 2019-2026年汽车制动系统One-box和Two-box占比情况 单位：% One box 75.81% Two box 85.28% 82.63% 79.50% 90% 71.46% 66.32% 60.00% 52.80% 60% 47.20% 30% 40.00% 33.68% 28.54% 24.19% 17.37% 20.50%2021 14.72% 0% 2019 2020 2022 2023E 2024E 2025E 2026E 预计直至2026年之前，Two-box都将在制动系统的产品格局中占据上风，究其原因主要是很多企业在技术层面难以实现One-box的集成化，One-box在2021年的占比仅为20.5%，在未来随着技术成熟和量产规模扩大，在2026年占比有望接近50%，实现与Two-box平分秋色。从当前整车厂的应用情况结合冗余制动市场来看，当前特斯拉、保时捷、本田等海外多个整车厂都选择了行业龙头博世制动系统产品的搭载，而目前中国乘用车搭载线控制动市场中，市场集中度较高，CR5达到了97%，而其中博世就占据了其中的90%左右，处于绝对的龙头地位。但与此同时，在自身技术研发与国产整车厂的支持下，同驭、拿森等国产企业也逐渐崛起，与长安、比亚迪、哪吒等自有品牌展开合作。未来在中国庞大的新车市场的支持下，将持续推动中国国产冗余制动产品市场不断增长，同时这些掌握行业前沿技术的企业也将为我国实现汽车产业链国有品牌的加快渗透提供支撑。 汽车电源冗余-外部监控加内部备份的组合 电源冗余的核心是备份电源的设置，在内部通过双向DC转换器的加成能够实现更稳定的冗余控制，甚至是不同级别电压的冗余实现，在外部可以通过智能电池感应器实现电池性能监控 电源冗余的定义 电源冗余主要指在自动驾驶车辆中设置备份电源，以确保在一个电源故障的情况下仍然能够提供电力供应，其旨在提高汽车电气系统的可靠性和稳定性，确保车辆的关键功能和系统能够持续运行。一般来说，若感应到主电源失效，备份电源将接管车辆并实现安全停车操作。 同时在外部，可以借助智能电池感应器进行电池状态的监测，其能够提供电池的状态信息，其中包括电池的电量（提前预知充电时间）、电压（保证其在合理范围内）、温度（确保其在正常工作范围内）、充放电速率（帮助用户优化充电和使用方式）等。及时地监测和管理电池状态能够帮助实现汽车的安全驾驶，并配合电源冗余在故障发生时进行第一时间的切换。 来自电源冗余系统内部的有效助力：双向降压-升压转换器 双向DC/DC转换器一般被设置在两个电池中间工作，可应用于为两边的其中任何一个电池充电，也可以让两个电池同时为同一个负载供电，当两个电池中的任何一个发生故障，控制器会及时监测到并将其与另一个正常运行的电池隔离，以便可以继续为负载供电而不会造成中断。 双向DC控制器模式简图