動(dòng)力系統的下一步發(fā)展

　　盡管電動(dòng) 汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)一路高歌猛進(jìn)，傳統的汽油和柴油動(dòng)力汽車(chē)在未來(lái)許多年內仍將是市場(chǎng)的主流。預計到 2023 年，傳統動(dòng)力汽車(chē)仍將在全球輕型汽車(chē)產(chǎn)量中占據 85% 份額，如下圖所示。

　　但是，這并不意味著(zhù)汽車(chē)的 動(dòng)力系統控制要求將會(huì )一成不變。 汽車(chē)制造商和他們的供應商正面臨著(zhù)日益嚴格的燃油經(jīng)濟性和尾氣排放控制要求。在近期發(fā)生的柴油發(fā)動(dòng)機排放丑聞之前，這種情況就早已出現，只不過(guò)現在更加嚴格。

　　這導致汽車(chē)廠(chǎng)商需要更多、更復雜的后處理技術(shù)，而過(guò)去未采用后處理技術(shù)的車(chē)輛也需要安裝后處理系統。為了確保這類(lèi)后處理系統能夠妥善工作，我們顯然需要更加復雜的動(dòng)力系統控制。事實(shí)上，梅賽德斯從 2014 年起就已經(jīng)開(kāi)始為某些搭載汽油發(fā)動(dòng)機的車(chē)型安裝微粒 過(guò)濾器，例如 W222 S500。該公司表示，今后將隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機的升級逐步擴大微粒過(guò)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雜，越來(lái)越多的廠(chǎng)商開(kāi)始采用基于模型的控制而不是相對簡(jiǎn)單的圖位控制技術(shù)。向基于模型的控制轉變通常意味著(zhù)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(jiàn)的方法是直接通過(guò)處理器內核為基于模型的控制提供支持。這就需要 浮點(diǎn)支持;而為了確保高效執行，還有必要引入某些特定的數學(xué)運算來(lái)幫忙。

　　雖然電動(dòng)汽車(chē)在全球汽車(chē)產(chǎn)量中所占的份額依然相對較小，但是毫無(wú)疑問(wèn)，隨著(zhù)排放指標的趨緊以及汽車(chē)廠(chǎng)商陸續推出更加高性?xún)r(jià)比和出色的產(chǎn)品，這個(gè)份額必將獲得顯著(zhù)的增長(cháng)。

　　研究公司Strategy Analytics的研究表明，各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)量在汽車(chē)總產(chǎn)量中所占的份額預計將從 2016 年的 5% 提高到 2023 年的 15%。

　　按動(dòng)力系統類(lèi)型劃分的輕型汽車(chē)產(chǎn)量

　　混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)的總產(chǎn)量預計將從 2015 年的330 萬(wàn)輛增長(cháng)到 2020 年 1160 萬(wàn)輛，復合年均增長(cháng)率超過(guò) 28%。這個(gè)速度遠遠超過(guò)傳統動(dòng)力汽車(chē) 1.6% 的年均增長(cháng)率，也大大高于汽車(chē)總產(chǎn)量 3.3% 的年均增長(cháng)率。預計到 2023 年，電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)需求將進(jìn)一步增長(cháng)到 1700 萬(wàn)輛以上。

　　電動(dòng)汽車(chē)有很多不同的類(lèi)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(chē)—— 電動(dòng)機功率通常低于 15 kW，僅用于提供扭矩輔助而不具備純電力驅動(dòng)功能。 在所有混合動(dòng)力汽車(chē)類(lèi)型中，這個(gè)類(lèi)別的增速排名第二，2015 年到 2020 年的復合年均增長(cháng)率達到 45%。這個(gè)增速在很大程度上有賴(lài)于 48V 技術(shù)的成功引進(jìn)。這種 48V 輕度混合動(dòng)力汽車(chē)預計將在歐洲市場(chǎng)獲得極大發(fā)展，因為各大汽車(chē)廠(chǎng)商正在積極開(kāi)發(fā)性?xún)r(jià)比更高的汽油發(fā)動(dòng)機來(lái)取代柴油發(fā)動(dòng)機。

　　全混合動(dòng)力汽車(chē)——電動(dòng)機功率通常高于 30 kW，能夠在沒(méi)有內燃機協(xié)助的情況下獨立驅動(dòng)汽車(chē)。 這類(lèi)汽車(chē)配備的電池通常很小，因此純電動(dòng)續航里程常常只有幾公里。這個(gè)類(lèi)別的增速最慢，2015 年到 2020 年的復合年均增長(cháng)率僅為 8%——但是仍然大大高于 3.3% 的整體市場(chǎng)增速。這個(gè)細分市場(chǎng)目前最受歡迎也最為成熟(例如豐田普銳斯)，因此要繼續增長(cháng)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(chē)轉移。

　　插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和全混合動(dòng)力汽車(chē)類(lèi)似，也配備功率強大的電動(dòng)機，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)續航里程也長(cháng)很多。這類(lèi)汽車(chē)提供了“一舉兩得”的方案：純電動(dòng)續航里程可滿(mǎn)足日常通勤需求，而借助汽油發(fā)動(dòng)機的續航里程(以及快速加油)則可實(shí)現長(cháng)途旅行。這個(gè)類(lèi)別的增速將最快，2015 年到 2020 年的復合年均增長(cháng)將達到 54%。因此，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的產(chǎn)量預計將在 2020 年超越全混合動(dòng)力汽車(chē)。

　　純電動(dòng)汽車(chē)并不搭載汽油或柴油發(fā)動(dòng)機。這個(gè)類(lèi)別的增速可以排到第三位，2015 年到 2020 年的復合年均增長(cháng)將超過(guò) 34%，盡管目前的基數還非常小。若要實(shí)現預計增速，各大汽車(chē)廠(chǎng)商還需要推出新車(chē)型。未來(lái)一段時(shí)間內，成本和續航里程將繼續成為制約這類(lèi)汽車(chē)推廣的因素。

　　動(dòng)力系統處理器是持續增長(cháng)的巨大市場(chǎng)

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

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

　　電動(dòng)機通常需要同時(shí)應對加速和減速的扭矩需求，因為這類(lèi)汽車(chē)通常采用再生制動(dòng)技術(shù)。

　　某些車(chē)型還安裝多臺電動(dòng)機來(lái)實(shí)現更高的性能水平。負責扭矩矢量控制和前/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(chǎng)對功能安全的要求也越來(lái)越高。駕駛員對扭矩輸出的直接控制越來(lái)越少，因此必須確保電動(dòng)機在任何條件下都能作出預判并安全響應。

　　另外，自 2011 年 ISO 26262 《道路車(chē)輛功能安全》標準發(fā)布以來(lái)，所有汽車(chē)應用領(lǐng)域對功能安全的重視程度也變得越來(lái)越高。關(guān)于功能安全對動(dòng)力系統的意義，電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的電池管理系統可以作為一個(gè)例子。特斯拉電動(dòng)汽車(chē)采用大型 90kWh 鋰電池組，它所攜帶的能量相當于 77 公斤 TNT 炸藥。雖然這個(gè)數字小于傳統動(dòng)力汽車(chē)油箱內攜帶的能量，但是正確地進(jìn)行電池的熱管理和充電管理(由電子控制單元負責)對于確保安全行駛來(lái)說(shuō)的確至關(guān)重要。

　　半導體廠(chǎng)商需要在這方面提供支持，包括具體的產(chǎn)品設計特點(diǎn)(例如雙核鎖步、ECC 內存保護和 總線(xiàn))和設計流程(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(chǎng)上的高端車(chē)型配備 100 多個(gè)獨立電子控制單元。在動(dòng)力系統內部，為基本的內燃機控制、氣門(mén)控制(例如 BMW Valvetronic 系統)、變速箱控制以及混合動(dòng)力汽車(chē)的牽引電動(dòng)機/變頻器/電池配備獨立的控制器是常見(jiàn)的做法。不少汽車(chē)廠(chǎng)商開(kāi)始尋求將多項控制功能整合到數量較少但是功能更強大的電子控制單元中，尤其是在豪華車(chē)市場(chǎng)。這類(lèi)控制器可能是多處理器設備，每一個(gè)處理器可能配備多個(gè)內核并運行多個(gè)應用程序。運行多套操作系統并通過(guò)管理程序實(shí)現任務(wù)虛擬化的能力將變得日益重要，不僅針對信息娛樂(lè )領(lǐng)域，也包括所有汽車(chē)應用領(lǐng)域。

　　在 2016 年 6 月舉行的路德維希堡 汽車(chē)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(lái)汽車(chē)架構的集中化策略。這項任務(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(lái)，所謂的“域控制器”架構類(lèi)型將得到更加廣泛的采用。這種架構將汽車(chē)上單個(gè)域(例如動(dòng)力系統)內的功能整合作為單個(gè)控制器來(lái)對待。

　　不久前，BMW 在一份關(guān)于推出自動(dòng)駕駛汽車(chē)平臺的聲明中對這個(gè)趨勢可能產(chǎn)生的結果作出了預測。BMW 認為，這樣的汽車(chē)最終將只有兩個(gè)大型控制器：一個(gè)負責控制車(chē)輛，另一個(gè)負責控制信息娛樂(lè )平臺。這是一個(gè)長(cháng)期趨勢，在 2020 年之前還不太可能對汽車(chē)市場(chǎng)造成什么影響。但是，半導體的投資周期很長(cháng)，因此要滿(mǎn)足這些新的需求，現在就必須行動(dòng)起來(lái)。

　　在這些不斷變化且嚴苛的要求推動(dòng)下，到 2023 年，用于發(fā)動(dòng)機控制應用程序的處理器市場(chǎng)規模預計將超過(guò) 10 億美元。這其中有大約 9% 的需求來(lái)自輕型汽車(chē)原裝應用程序。

　　發(fā)動(dòng)機控制應用程序對處理器的需求(百萬(wàn)美元)

　　在這些發(fā)動(dòng)機控制應用程序當中，來(lái)自電動(dòng) 汽車(chē)動(dòng)力系統的處理器需求增速遠遠高于傳統汽油和柴油動(dòng)力汽車(chē)。如上圖所示，到 2023 年，超過(guò) 37% 的發(fā)動(dòng)機控制處理器需求將來(lái)自電動(dòng)汽車(chē)。這個(gè)比例明顯高于電動(dòng)汽車(chē) 15% 的產(chǎn)量份額，因為不少電動(dòng)汽車(chē)都是混合動(dòng)力汽車(chē)，同時(shí)需要對汽油/柴油發(fā)動(dòng)機和電動(dòng)機/變頻器/電池進(jìn)行控制。

　　到 2020 年，一輛普通的純汽油驅動(dòng)汽車(chē)需要安裝價(jià)值約 7 美元的處理器來(lái)運行發(fā)動(dòng)機控制應用程序。

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

　　啟示

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

　　長(cháng)期而言，隨著(zhù)汽車(chē)控制的集中化程度越來(lái)越高，包括 BMW 在內的部分汽車(chē)廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)始研究如何將所有重要的車(chē)輛動(dòng)態(tài)控制系統集中到一個(gè)模塊當中。這個(gè)過(guò)程將伴隨自動(dòng)化程度更高的汽車(chē)問(wèn)世而得到完善。動(dòng)力系統控制技術(shù)正在從數量眾多的分散式控制盒，向數量更少、功能更強大的控制設備轉變。在這個(gè)背景之下，從各自為政的專(zhuān)屬架構向統一的標準架構過(guò)渡似乎更有吸引力。