動(dòng)力系統(tǒng)的下一步發(fā)展

　　盡管電動(dòng) 汽車和混合動(dòng)力汽車一路高歌猛進(jìn)，傳統(tǒng)的汽油和柴油動(dòng)力汽車在未來許多年內(nèi)仍將是市場的主流。預(yù)計(jì)到 2023 年，傳統(tǒng)動(dòng)力汽車仍將在全球輕型汽車產(chǎn)量中占據(jù) 85% 份額，如下圖所示。

　　但是，這并不意味著汽車的 動(dòng)力系統(tǒng)控制要求將會(huì)一成不變。 汽車制造商和他們的供應(yīng)商正面臨著日益嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放控制要求。在近期發(fā)生的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放丑聞之前，這種情況就早已出現(xiàn)，只不過現(xiàn)在更加嚴(yán)格。

　　這導(dǎo)致汽車廠商需要更多、更復(fù)雜的后處理技術(shù)，而過去未采用后處理技術(shù)的車輛也需要安裝后處理系統(tǒng)。為了確保這類后處理系統(tǒng)能夠妥善工作，我們顯然需要更加復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)控制。事實(shí)上，梅賽德斯從 2014 年起就已經(jīng)開始為某些搭載汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的車型安裝微粒 過濾器，例如 W222 S500。該公司表示，今后將隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的升級逐步擴(kuò)大微粒過濾器的使用范圍。

　　與后處理技術(shù)的改進(jìn)一樣，控制策略也正變得更加復(fù)雜，越來越多的廠商開始采用基于模型的控制而不是相對簡單的圖位控制技術(shù)。向基于模型的控制轉(zhuǎn)變通常意味著更高的處理要求。某些情況下可以使用特定的加速器 IP，但是更常見的方法是直接通過處理器內(nèi)核為基于模型的控制提供支持。這就需要 浮點(diǎn)支持;而為了確保高效執(zhí)行，還有必要引入某些特定的數(shù)學(xué)運(yùn)算來幫忙。

　　雖然電動(dòng)汽車在全球汽車產(chǎn)量中所占的份額依然相對較小，但是毫無疑問，隨著排放指標(biāo)的趨緊以及汽車廠商陸續(xù)推出更加高性價(jià)比和出色的產(chǎn)品，這個(gè)份額必將獲得顯著的增長。

　　研究公司Strategy Analytics的研究表明，各類電動(dòng)汽車的產(chǎn)量在汽車總產(chǎn)量中所占的份額預(yù)計(jì)將從 2016 年的 5% 提高到 2023 年的 15%。

　　按動(dòng)力系統(tǒng)類型劃分的輕型汽車產(chǎn)量

　　混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車的總產(chǎn)量預(yù)計(jì)將從 2015 年的330 萬輛增長到 2020 年 1160 萬輛，復(fù)合年均增長率超過 28%。這個(gè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)動(dòng)力汽車 1.6% 的年均增長率，也大大高于汽車總產(chǎn)量 3.3% 的年均增長率。預(yù)計(jì)到 2023 年，電動(dòng)汽車的市場需求將進(jìn)一步增長到 1700 萬輛以上。

　　電動(dòng)汽車有很多不同的類型。按照它們的電動(dòng)化程度，可以大致分為：

　　輕度混合動(dòng)力汽車—— 電動(dòng)機(jī)功率通常低于 15 kW，僅用于提供扭矩輔助而不具備純電力驅(qū)動(dòng)功能。 在所有混合動(dòng)力汽車類型中，這個(gè)類別的增速排名第二，2015 年到 2020 年的復(fù)合年均增長率達(dá)到 45%。這個(gè)增速在很大程度上有賴于 48V 技術(shù)的成功引進(jìn)。這種 48V 輕度混合動(dòng)力汽車預(yù)計(jì)將在歐洲市場獲得極大發(fā)展，因?yàn)楦鞔笃噺S商正在積極開發(fā)性價(jià)比更高的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來取代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　全混合動(dòng)力汽車——電動(dòng)機(jī)功率通常高于 30 kW，能夠在沒有內(nèi)燃機(jī)協(xié)助的情況下獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車。 這類汽車配備的電池通常很小，因此純電動(dòng)續(xù)航里程常常只有幾公里。這個(gè)類別的增速最慢，2015 年到 2020 年的復(fù)合年均增長率僅為 8%——但是仍然大大高于 3.3% 的整體市場增速。這個(gè)細(xì)分市場目前最受歡迎也最為成熟(例如豐田普銳斯)，因此要繼續(xù)增長也較為困難。另外，有一部分需求將向插電式混合動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)移。

　　插電式混合動(dòng)力汽車和全混合動(dòng)力汽車類似，也配備功率強(qiáng)大的電動(dòng)機(jī)，但是電池的尺寸大很多，并且可以使用外部 電源充電，因此純電動(dòng)續(xù)航里程也長很多。這類汽車提供了“一舉兩得”的方案：純電動(dòng)續(xù)航里程可滿足日常通勤需求，而借助汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的續(xù)航里程(以及快速加油)則可實(shí)現(xiàn)長途旅行。這個(gè)類別的增速將最快，2015 年到 2020 年的復(fù)合年均增長將達(dá)到 54%。因此，插電式混合動(dòng)力汽車的產(chǎn)量預(yù)計(jì)將在 2020 年超越全混合動(dòng)力汽車。

　　純電動(dòng)汽車并不搭載汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)類別的增速可以排到第三位，2015 年到 2020 年的復(fù)合年均增長將超過 34%，盡管目前的基數(shù)還非常小。若要實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)增速，各大汽車廠商還需要推出新車型。未來一段時(shí)間內(nèi)，成本和續(xù)航里程將繼續(xù)成為制約這類汽車推廣的因素。

　　動(dòng)力系統(tǒng)處理器是持續(xù)增長的巨大市場

　　動(dòng)力系統(tǒng)版圖的改變，加上傳統(tǒng)動(dòng)力汽車面臨的排放和油耗壓力，共同推進(jìn)了人們對動(dòng)力系統(tǒng)控制器以及 嵌入式處理器的需求。同時(shí)，采用內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車需要對這兩套系統(tǒng)進(jìn)行控制，還需要通過復(fù)雜的算法來決定兩個(gè)動(dòng)力來源的功率輸出比例，以滿足駕駛員對于動(dòng)態(tài)扭矩的需求。 電池管理系統(tǒng)也需要對(通常為鋰離子)電池組的充電/放電和熱管理進(jìn)行監(jiān)督和控制。除此之外，插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車還需要配備車載充電器控制器，因此光是動(dòng)力系統(tǒng)可能就需要6個(gè) 32 位 微控制器。

　　即便是概念上較為簡單的純電動(dòng)汽車，它的控制策略也可能非常復(fù)雜：

　　電動(dòng)機(jī)通常需要同時(shí)應(yīng)對加速和減速的扭矩需求，因?yàn)檫@類汽車通常采用再生制動(dòng)技術(shù)。

　　某些車型還安裝多臺(tái)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)更高的性能水平。負(fù)責(zé)扭矩矢量控制和前/后扭矩分配的動(dòng)態(tài)控制元件也需要得到管理和控制。

　　除了所有這些性能要求，市場對功能安全的要求也越來越高。駕駛員對扭矩輸出的直接控制越來越少，因此必須確保電動(dòng)機(jī)在任何條件下都能作出預(yù)判并安全響應(yīng)。

　　另外，自 2011 年 ISO 26262 《道路車輛功能安全》標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，所有汽車應(yīng)用領(lǐng)域?qū)δ馨踩闹匾暢潭纫沧兊迷絹碓礁?。關(guān)于功能安全對動(dòng)力系統(tǒng)的意義，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電池管理系統(tǒng)可以作為一個(gè)例子。特斯拉電動(dòng)汽車采用大型 90kWh 鋰電池組，它所攜帶的能量相當(dāng)于 77 公斤 TNT 炸藥。雖然這個(gè)數(shù)字小于傳統(tǒng)動(dòng)力汽車油箱內(nèi)攜帶的能量，但是正確地進(jìn)行電池的熱管理和充電管理(由電子控制單元負(fù)責(zé))對于確保安全行駛來說的確至關(guān)重要。

　　半導(dǎo)體廠商需要在這方面提供支持，包括具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)(例如雙核鎖步、ECC 內(nèi)存保護(hù)和 總線)和設(shè)計(jì)流程(例如為 IEC 61508 / SIL 3、ISO 262626 / ASIL D 提供安全手冊和支持)。

　　動(dòng)力系統(tǒng)控制需要克服的最后一個(gè)難題是控制的集中化趨勢。目前市場上的高端車型配備 100 多個(gè)獨(dú)立電子控制單元。在動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部，為基本的內(nèi)燃機(jī)控制、氣門控制(例如 BMW Valvetronic 系統(tǒng))、變速箱控制以及混合動(dòng)力汽車的牽引電動(dòng)機(jī)/變頻器/電池配備獨(dú)立的控制器是常見的做法。不少汽車廠商開始尋求將多項(xiàng)控制功能整合到數(shù)量較少但是功能更強(qiáng)大的電子控制單元中，尤其是在豪華車市場。這類控制器可能是多處理器設(shè)備，每一個(gè)處理器可能配備多個(gè)內(nèi)核并運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序。運(yùn)行多套操作系統(tǒng)并通過管理程序?qū)崿F(xiàn)任務(wù)虛擬化的能力將變得日益重要，不僅針對信息娛樂領(lǐng)域，也包括所有汽車應(yīng)用領(lǐng)域。

　　在 2016 年 6 月舉行的路德維希堡 汽車電子大會(huì)(Ludwigsburg Automobil Elektronik Kongress)上，與會(huì)者的演講和討論表明，BMW、梅賽德斯和奧迪都在追求未來汽車架構(gòu)的集中化策略。這項(xiàng)任務(wù)顯然難度很大，要從高度分散直接跨越到高度集中也是不太可能的事。由此看來，所謂的“域控制器”架構(gòu)類型將得到更加廣泛的采用。這種架構(gòu)將汽車上單個(gè)域(例如動(dòng)力系統(tǒng))內(nèi)的功能整合作為單個(gè)控制器來對待。

　　不久前，BMW 在一份關(guān)于推出自動(dòng)駕駛汽車平臺(tái)的聲明中對這個(gè)趨勢可能產(chǎn)生的結(jié)果作出了預(yù)測。BMW 認(rèn)為，這樣的汽車最終將只有兩個(gè)大型控制器：一個(gè)負(fù)責(zé)控制車輛，另一個(gè)負(fù)責(zé)控制信息娛樂平臺(tái)。這是一個(gè)長期趨勢，在 2020 年之前還不太可能對汽車市場造成什么影響。但是，半導(dǎo)體的投資周期很長，因此要滿足這些新的需求，現(xiàn)在就必須行動(dòng)起來。

　　在這些不斷變化且嚴(yán)苛的要求推動(dòng)下，到 2023 年，用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用程序的處理器市場規(guī)模預(yù)計(jì)將超過 10 億美元。這其中有大約 9% 的需求來自輕型汽車原裝應(yīng)用程序。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用程序?qū)μ幚砥鞯男枨?百萬美元)

　　在這些發(fā)動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用程序當(dāng)中，來自電動(dòng) 汽車動(dòng)力系統(tǒng)的處理器需求增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汽油和柴油動(dòng)力汽車。如上圖所示，到 2023 年，超過 37% 的發(fā)動(dòng)機(jī)控制處理器需求將來自電動(dòng)汽車。這個(gè)比例明顯高于電動(dòng)汽車 15% 的產(chǎn)量份額，因?yàn)椴簧匐妱?dòng)汽車都是混合動(dòng)力汽車，同時(shí)需要對汽油/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)/變頻器/電池進(jìn)行控制。

　　到 2020 年，一輛普通的純汽油驅(qū)動(dòng)汽車需要安裝價(jià)值約 7 美元的處理器來運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用程序。

　　如果是插電式混合動(dòng)力汽車，那么發(fā)動(dòng)機(jī)控制所需的處理器明顯價(jià)值更高，到 2020 年將超過 34 美元。

　　啟示

　　目前的動(dòng)力系統(tǒng)處理器大多采用專屬架構(gòu)，但是已經(jīng)有跡象表明未來將發(fā)生改變。所有為汽車產(chǎn)業(yè)服務(wù)的半導(dǎo)體廠商都面臨一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：如何投入巨額資金來升級現(xiàn)有的專屬架構(gòu)，好讓它們繼續(xù)為下一代動(dòng)力系統(tǒng)服務(wù)。需求總是在變化，何時(shí)/是否升級產(chǎn)品線將是決策的關(guān)鍵。如果能有一套現(xiàn)成的解決方案，既包括必要的安全特性，也提供安全相關(guān)應(yīng)用程序的流程/文件，那么將極大程度地縮短新設(shè)計(jì)的上市時(shí)間。

　　長期而言，隨著汽車控制的集中化程度越來越高，包括 BMW 在內(nèi)的部分汽車廠商已經(jīng)開始研究如何將所有重要的車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)集中到一個(gè)模塊當(dāng)中。這個(gè)過程將伴隨自動(dòng)化程度更高的汽車問世而得到完善。動(dòng)力系統(tǒng)控制技術(shù)正在從數(shù)量眾多的分散式控制盒，向數(shù)量更少、功能更強(qiáng)大的控制設(shè)備轉(zhuǎn)變。在這個(gè)背景之下，從各自為政的專屬架構(gòu)向統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)過渡似乎更有吸引力。