發布日期：2022-07-14 點擊率：38
考慮到汽車市場固有的成本壓力,未來勢必將引入更多的中國本土汽車制造商。而隨著中國汽車電子的擴展和成熟,我們預計中國本土制造商的需求將會大幅增長。本文邀請了業界資深技術專家對未來汽車領域的發展作綜述性的預測,試圖為工程師們提供宏觀性參考。
功率器件將有較大發展機會,但仍須謹慎評估電氣和熱性能
汽車對功率產品的需求正在全方位擴展。幾年前,汽車中的功率器件大多數都是55V到60V的MOSFET,主要用于汽車的動力傳動系統。現在的汽車則采用20V到600V的功率器件。對于動力轉向及制動這類應用,開發工程師正在尋找具有低導通阻抗的高性能低壓溝道型MOSFET,以降低汽車的功耗。壓電噴射或高強度照明等其它應用需要100V到200V的功率器件和驅動器。而點火IGBT和混合動力電動汽車在使用300V到1000V以上的IGBT。
電動動力轉向讓汽車設計人員能夠改變駕駛者對車輛的感覺。由于提供軟件的不同,相同的系統通過控制可以感覺起來像大型的豪華轎車或緊湊敏捷的跑車。這就要求將幾年前的完全液壓式控制系統改為低阻抗的電機控制系統。在線圈上開關點火應用中,汽車的每個汽缸都有專用的點火線圈,每個線圈帶有高壓點火IGBT。這樣,汽車就不再需要既昂貴又頻生可靠性問題的高壓點火線了。通過改變點火系統的架構,并在線圈中采用電子產品,引擎控制模塊可以獲得更多的關于點火質量和時序的實時信息。
從功率半導體供應商的角度來看,車用電子產品行業最大的技術挑戰是處理汽車日益增長的功率需求。而隨著汽車中的電子產品越來越多,熱量已經成為一個令人頭痛的問題。與此同時,系統日趨小型化,而良好的散熱能力越來越難實現。
以上述的點火線圈為例,點火IGBT位于塑料線圈中,沒有機械散熱器可用。這樣,線圈就被直接安置在靠近排氣管的汽缸上面。這些IGBT的額定工作溫度為175度。相關挑戰在于額定熱量一般與功率半導體器件的大小有關。因此,先進的技術可以生產出尺寸更小的芯片,這些器件的熱阻會更高,芯片尺寸縮小,瞬態功率處理能力降低。于是,不同于采用了最新最小IC技術的復雜控制芯片,功率器件的電氣和熱性能必須不斷地被評估。
飛兆認為,對中國而言,本土汽車市場潛力巨大,尤其是在功率產品方面。推動這一領域發展的是座椅、車窗、車鏡和方向盤調節等電機驅動產品的高速增長。以座椅為例,電動座椅可有多達12個電機,每個都需要1個H橋(即4個晶體管)來控制。加上在寒冷的冬季為座椅加熱用的電子產品,這的確相當吸引功率半導體供應商。汽車中采用電機控制或螺旋管驅動器的應用在大幅增長,比如汽車頂篷、抬頭顯示器(heads up display)、行李箱和油箱蓋開關、可伸縮天線、車鏡、車鎖、頭燈定位、雨刷等等,可以列出一長串。因此,從短期來看,車身電子將是汽車功率產品領域一個急速發展的方向。
除了車身電子外,下一個熱門應用領域預計是旨在節能的代用燃料系統,比如電動或混合動力電動汽車。盡管這些代用燃料和混合動力車輛與日俱增,但仍然只占總體汽車市場的一小部分。故而,即使具有增長潛力,但要讓大多數汽車都采用電力牽引控制尚需一段時日。
所以就目前而言,近期內增長的車用功率電子產品將是電機、螺線管驅動器和控制器。
尋求與應用匹配的網絡協議,進一步推進汽車性能
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汽車電子架構師所面臨的最重大挑戰之一是,如何能使汽車中日益增多且種類繁多的電子控制模塊(ECM)以有成本效益的方案連接起來。
車身電子改善了汽車乘客的舒適性和安全性。為了讓汽車制造商生產出使人們更愉快駕駛的更為智能、可靠和安全的交通工具,推進車身控制電子的發展是至關重要的。通過簡化其操作并且把駕駛員從分心的“一心二用”行為中解放出來,車身電子改進了汽車的安全性因素。
單一的網絡協議不能滿足整個汽車寬范圍的應用要求。汽車電氣系統所面臨的挑戰在于:在目標預算內定義合適的網絡協議以實現所渴望的性能。因此,所選擇的網絡協議必須與合適的應用匹配,在此,對價格/性能的各種要求要進行調整。汽車架構師一旦完成定義,向維持在成本預算內挑戰就是嵌入式系統設計工程師必須滿足的要求。
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CAN提供多個主控層,以支持對智能冗余系統的開發。在這種類型的網絡中,如果一個網絡的節點有缺陷,那么,網絡仍然能夠發揮作用。消息通過網絡廣播,然后所有的節點都接收到該消息,并能夠讀該消息,以確定這個消息是否與它們有關且是否要采取任何行動。在這種環境中必須確保數據完整性,因為系統的所有節點都采用相同的信息。數據完整性還通過誤碼檢測機制以及有缺陷消息的重發機制獲得支持。
LIN協議是一種用于較小汽車網絡的整體通信概念。其規范覆蓋了對協議和物理層的定義、以及對用于開發工具和應用軟件的接口的定義。在車輛的開關、智能傳感器和傳動裝置等應用中,無需CAN的帶寬和通用性,LIN就能夠提供有成本效益的通信網絡。這種通信網絡協議是基于SCI(UART)數據格式,采用一主/多從的概念,各個節點采用單線12V總線和時鐘同步,不需要穩定的時基。
由于LIN面向低端應用,兩個因素是關鍵的:與CAN相比,每一個節點的通信成本必須進一步大幅度降低；不需要CAN的性能、帶寬和通用性。LIN較之于CAN的主要成本節約源自于:單線傳輸；因硬件或軟件在芯片中,實現成本低；在從節點中不必采用晶體或陶瓷諧振器。
隨著汽車中ECM數量的日益增加,汽車電子系統架構師將不斷面臨的挑戰在于,要為“網絡化”的汽車環境創造一種“最具有成本效益的網絡”,這樣才能推進汽車性能的提高。
汽車網絡系統重要性升級,一體化整車網絡勢在必行
經過多年的發展與完善,汽車網絡技術目前已經成為各主流汽車廠商的基礎技術構成。各企業的網絡協議標準定義了企業級物理層、數據鏈路層、傳輸協議、應用層和故障診斷規范。不僅如此,為了保證遵守此協議的軟件的高質量和短的開發周期,整車廠商通常還規定了在開發汽車電子產品時必須使用由專業軟件供應商提供的協議棧軟件、相關的開發工具,以及必須遵守的開發和測試流程。擁有網絡協議、協議棧、測試標準和相關的流程可以使企業在產品開發、供應商開發、產品外包、內部培訓等方面變得更加高效、易于控制和管理。
隨著汽車電子技術的發展和市場競爭的加劇,目前在轎車上通常有不止一個電控單元(ECU)用于監測和控制各子系統。在汽車電子發展的早期,這些ECU都是各自獨立工作的。這樣就比較容易劃分各子系統的功能,比如動力總成、底盤、車身和娛樂。典型的是發動機管理和變速器控制屬于動力總成,ABS屬于底盤,空調、中控門鎖和座椅屬于車身；收音機和DVD則屬于娛樂和多媒體系統。
隨著軟件和硬件技術的發展,尤其是隨著總線技術的引入,比如在上世紀90年代初出現的CAN總線系統,標志著ECU發展的第二階段。汽車電子網絡技術不僅加快了新技術的應用,同時節約了成本。比如,多個ECU可以共用一個傳感器發出的信號,而無需復雜昂貴的接線。由于可以通過網絡實現廣泛的數據共享,新功能的增加更加容易,實現成本更加低廉。當前汽車電子功能的多樣化和快速增長都與汽車網絡技術的廣泛應用密切相關。得益于汽車網絡技術的支持,現代汽車電子系統實現了低成本、高度靈活和可裁減性。
目前整個汽車電子系統通常由3~5個網絡構成,它們通常由動力總成網絡(高速網絡)、舒適系統網絡(中低速網絡)和信息娛樂系統網絡(多媒體網絡)構成。它們由網關實現互連,構成一體化整車網絡。在高端技術方面,以Flexray總線為代表的時間觸發總線技術的發展成熟將促進與安全相關的轉向控制等功能的發展。在低端,LIN總線應用將更加廣泛,會出現更多集成了傳感器/執行器/LIN的價格低廉的節點。
中國主流汽車廠商已經認識到汽車網絡系統的重要性和它對企業汽車電子系統的重要支撐作用。有些廠商已經在組織建立自己的網絡協議標準。就像國際知名汽車廠商通用和福特公司一樣,它們通常委托專業公司完成協議制定工作以確保協議專業、完整和全面。
恒潤科技通過對國際標準和行業標準的學習分析,以及與知名整車廠商的合作,在協議制定、培訓、協議棧開發、網絡測試方面已有多年的實踐經驗,專業的服務將有助于中國汽車廠商組建企業的基礎網絡平臺。
本文由高級助理編輯趙娟整理
