汽车行业发展趋势

联网汽车

随着电子产品的快速发展,如今的汽车正在快速从机械设备转变成车轮上的迷你数据中心。

在 130 年后,计算能力将取代驱动马力

在本文中,泰克的 Chris Martinez 和 Joern Hoepfner 概述了推动汽车革命的趋势。

在长达 130 的悠久历史中,汽车业从未经历过目前发生的革命。在电气化、自动化、连接性和移动性的推动下,制造商不得不重新评估迄今为止毋庸置疑的实践和技术:实际上,随着电子产品的快速发展,汽车正从机械设备转变成车轮上的迷你数据中心。

但是,汽车对电子控制系统的依赖时间远超大多数人的预期:批量生产的第一款电子燃油喷射系统为 Chrysler 电子喷射器,共有 35 辆汽车在 1958 年装备该电子喷射器。有趣的是,在这些早期先驱产品中,大多数均采用 4 腔化油器进行现场改装,这主要因为早期电子系统非常慢,难以满足“快速”燃油计量的需求。

如今,复杂的电子发动机管理系统不仅能控制燃油喷射和点火,还能在 Otto、Miller 和 Atkinson 间切换工作循环,最近,它们甚至使制造商实现对均质充量压缩点火发动机的极精确控制的商业化。

 

 

ADAS 正在催生网络要求

但是,汽车业正面临电子系统的新挑战,此项挑战是由电气化的稳定发展和高级驾驶辅助系统 (ADAS) 带来的,该系统正向全自动 5 级操作快速迈进。

“5 级自动化”一词由 SAE J3016 标准定义,其中介绍了如下六个自动化级别:

Battery-life图像来源:ITS International
零级:人类完全控制汽车,包括转弯、刹车和油门。基本保持驾驶路线。
一级:汽车可以自动完成微小驾驶操作,例如刹车。
二级:汽车至少自动实现两种功能,例如车道保持和巡航控制。在此阶段,驾驶员的双手不必放在方向盘上,双脚不必放在踏板上,但是,他们必须始终准备控制汽车。
三级:尽管此级仍然需要驾驶员,但是,他们不需像之前几级一样监测所处环境。
四级:根据交通部 (DOT) 的规定,符合此级的汽车“能够执行所有安全至上的驾驶功能并监测整个旅途的路况。”此操作仅限于特定区域(围有地理围栏)和特定环境,例如堵车或公路巡航。如果不在这些区域或环境中,汽车必须能够安全结束旅途,例如,停车(如果驾驶员无法重新控制汽车)。
五级:此阶段仅仅意味着,汽车完全自动,人类无需控制方向盘或一般控件。
泰克的应用工程经理 Joern Hoepfner 表示,“我们已经实现 3 级系统的商业化”(指 2018 款 Audi A8 等汽车),“L4 汽车正在全球公用道路上快速创造试验里程的记录。”

汽车的未来依赖于数据传输

国际测试、检查、审核和认证服务提供商 TÜV SÜD 的首席技术官 Dirk Schlesinger 曾说过:“未来的汽车将是车轮上的 PC,但是,却极具挑战性。”

例如,Ford GT 具有 1 亿行代码,相比之下,Windows 10 具有 2700 至 5000 万行可执行代码,再算上主板、显卡和 Office 等应用程序时,代码行数增至 1 亿行。

但是,计算能力不仅使人们反思电子系统:自动化汽车可能配备 15 个传感器组(50 个不同传感器),它们每天生成大约 4,000 GB 或 4 TB 数据:

  • 摄像机生成 20-60 MB/s
  • 雷达需要 10 kB/s 以上的速率
  • Sonar 需要 10-100 kB/s 速率
  • GPS 在 50 kB/s 速率下运行
  • LIDAR 速率范围为 10-70 MB/s

这些数据均需要通过网络传达,自 1986 年起,该网络变为控制器局域网络 (CAN)。最初,CAN 总线用于在大约 1 Mbps 的最高总线速率和最高 8 字节的数据包有效载荷下在汽车内的 ECU 间传输控制流量。

为了应对大幅的数据增长,CAN 已经完成协议更改,成为最高位速率升至 15 Mbps 且有效载荷升至大约 64 字节的 CAN FD(灵活的数据速率)

在这些速率下,CAN 仍然无法应付 LIDAR 和摄像机等成像系统。此外,控制单元必须在 ECU 间传输更多数据,以便协调子系统。这将迫使汽车网络设计师不仅重新评估速度,还重新评估架构。

为了支持这些数据密集型系统,汽车业已经开发出几款替代品,例如:

  • 总部位于德国卡尔斯鲁厄的面向媒体的系统传输 (MOST) 联盟(最初针对多媒体)已经创建传输速度达到 150 Mbps 的 MOST150。此额外带宽也使 MOST150 非常适合驾驶辅助技术,例如车道偏离警告、摄像机系统和自适应巡航控制。
  • 另一系统为低压差分信号 (LVDS),它并非专门针对汽车应用开发。它提供带宽高达 655 Mbps 且使用铜双绞线的高速信号标准。此较高速度使 LVDS 成为非常吸引汽车摄像机制造商的方案。
  • 最近,制造商已经适应以太网作为兼具高性能带宽和低成本单芯“双绞线”的汽车解决方案。此技术专门用于满足汽车业的严苛车内要求,可以针对多种车内应用进行优化。此适合汽车的技术具有 100Mbps 的高性能带宽。

大多数汽车设计包括这些总线标准中的多个标准,具体取决于特定子系统。FlexRay 具有严格的延迟和时间特性,因此,它非常适合确定性能至关重要的“线控操纵”应用。SENT 可以用于与传感器通信。此外,我们可以预计 CAN 和 LIN 继续用于久经验证的可靠性超出速度需求的应用中。许多 ECU 不仅用作控制器,还用作网关。

由于高度自动化的联网汽车将依赖多种网络架构,设计师将面临同时测试和排除多种网络技术故障的挑战。在 IT 数据中心,许多技术更像在本地一样,但在汽车中,它们必须在许多温度和湿度范围内完美运行,承受冲击和振动并保持与其他模块和所处环境的电磁兼容性。

传导、放射和蓄意的无线信号

使用如此多的嵌入式设备以及在整辆车内传输重要信息的需求无疑增加了调试和验证这些设计所需的测试流程的复杂性。随着数据速率的增加,可能影响系统的“故障”的预期数量也增加。由于采用大量产生火花的点火系统,汽车业开始出现电磁兼容性问题。
泰克的战略规划师 Chris Martinez 说道:“性能数据即将激增,然后是 V2V 或 V2I:设想您正在接近交叉路口,而汽车能够与交叉路口甚至另一辆汽车对话。”
电子产品的剪切量以及通过汽车的数据的关键性质均使电磁兼容性极具挑战且更为重要。此外,制造商已经在汽车上配备 GSM、3G、4G、Wi-Fi 和蓝牙,同时,计划在需要超短响应时间的安全至上应用中集成较新的广播技术。
Martinez 表示:“RF 是个大问题,因为如果有东西产生干扰,您将如何减轻干扰的影响?灾难性故障会导致一些元件停止工作吗?”因此,他相信此方面的测试需求巨大,他总结道:“不仅需要测试电子产品,还需要始终将汽车放在试验舱中。”

共享出行将推动新标准和测试

快速发展的汽车业面临的另一挑战就是出行,在顾客的交通方式选择中,共享汽车和打车所发挥的作用越来越大。在此模式下,Uber、Lyft、中国的滴滴和东南亚的 NuTonomy 等公司将向通勤者们提供 L4 甚至 L5 无人驾驶“出租车”服务。

此种出行转变使 OEM 有机会成为硬件提供商与新兴按需服务提供商:在成为与 Uber 签订供应 24,000 辆 XC90 的合同的首家制造商时(XC90 搭载打车公司开发自己的无人驾驶功能所需的核心自主驾驶技术),Volvo 将抓住此机会。
作为标准自动化平台,Volvo 相信它能够向将自定义通用系统来满足自身要求的其他打车公司供应这些汽车。此应用广泛的自定义还面临硬件/软件/通信网络无法始终兼容的风险,这基本需要制定新标准和测试来确保汽车的完整性。
此外,随着按需共享交换、连接和自动化情况改变交通方式,电能管理在支持众多车载系统方面发挥日益重要的作用。这些汽车可能采用双电压系统,例如在目前上市的 48/ 12 伏轻度混合动力汽车中或混合动力汽车中的高压/12 伏系统中。

电能管理强化了智能汽车

有牵引系统电气化的文章较多,这很容易理解。但是,电力分配系统通常不被承认。在此情况下,12V 网络将处理传统工作量:照明、点火、娱乐、音频系统和电子模块,较高电压系统将支持主动底盘系统、空调压缩机以及反馈制动和扭矩辅助。

随着制造商希望提高性能、降低成本和优化动力电子产品的包装,氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率半导体的开发已经开辟新途径。例如,在 DC/DC 转换器中,这些宽禁带技术实现较高开关速度,从而减少电感器、变压器和电容器的尺寸,通常还减轻重量并减少尺寸。它们实现上述所有目标并在上世纪 90 年代达到转换效率。

一旦这些系统更符合计算机技术产业(与传统汽车制造商相比),新标准和测试程序将逐渐出现来确保其安全性和使用性能。

然而,2030 年的汽车广告可能不会推销马力,更可能宣扬名为 Xeon、Snapdragon 和 Drive PX 的处理器的计算能力,为此,仍然需要做出很多准备工作。不仅在开发和提炼技术方面,还在制定标准和确保系统经过全面测试的方面。

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