ot;display: block;">受到全球市場競爭的緊迫壓力,汽車OEM們處于一個對可靠性、成本效益、以及安全性需求越來越高的環(huán)境中,而且這種需求正持續(xù)不斷地挑戰(zhàn)著整個汽車電子領(lǐng)域。消費(fèi)者對能夠增強(qiáng)舒適度和安全性的功能需求日益增長,這進(jìn)一步牽引著汽車中電子部分的增長。
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(kuò)展和成熟,我們預(yù)計中國本土制造商的需求將會大幅增長。本文邀請了業(yè)界資深技術(shù)專家對未來汽車領(lǐng)域的發(fā)展作綜述性的預(yù)測,試圖為工程師們提供宏觀性參考。
功率器件將有較大發(fā)展機(jī)會,但仍須謹(jǐn)慎評估電氣和熱性能
汽車對功率產(chǎn)品的需求正在全方位擴(kuò)展。幾年前,汽車中的功率器件大多數(shù)都是55V到60V的MOSFET,主要用于汽車的動力傳動系統(tǒng)。現(xiàn)在的汽車則采用20V到600V的功率器件。對于動力轉(zhuǎn)向及制動這類應(yīng)用,開發(fā)工程師正在尋找具有低導(dǎo)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(qiáng)度照明等其它應(yīng)用需要100V到200V的功率器件和驅(qū)動器。而點(diǎn)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(zhuǎn)向讓汽車設(shè)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(tǒng)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(tǒng)改為低阻抗的電機(jī)控制系統(tǒng)。在線圈上開關(guān)點(diǎn)火應(yīng)用中,汽車的每個汽缸都有專用的點(diǎn)火線圈,每個線圈帶有高壓點(diǎn)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(diǎn)火線了。通過改變點(diǎn)火系統(tǒng)的架構(gòu),并在線圈中采用電子產(chǎn)品,引擎控制模塊可以獲得更多的關(guān)于點(diǎn)火質(zhì)量和時序的實(shí)時信息。
從功率半導(dǎo)體供應(yīng)商的角度來看,車用電子產(chǎn)品行業(yè)最大的技術(shù)挑戰(zhàn)是處理汽車日益增長的功率需求。而隨著汽車中的電子產(chǎn)品越來越多,熱量已經(jīng)成為一個令人頭痛的問題。與此同時,系統(tǒng)日趨小型化,而良好的散熱能力越來越難實(shí)現(xiàn)。
以上述的點(diǎn)火線圈為例,點(diǎn)火IGBT位于塑料線圈中,沒有機(jī)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(guān)挑戰(zhàn)在于額定熱量一般與功率半導(dǎo)體器件的大小有關(guān)。因此,先進(jìn)的技術(shù)可以生產(chǎn)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(tài)功率處理能力降低。于是,不同于采用了最新最小IC技術(shù)的復(fù)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(rèn)為,對中國而言,本土汽車市場潛力巨大,尤其是在功率產(chǎn)品方面。推動這一領(lǐng)域發(fā)展的是座椅、車窗、車鏡和方向盤調(diào)節(jié)等電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)品的高速增長。以座椅為例,電動座椅可有多達(dá)12個電機(jī),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(chǎn)品,這的確相當(dāng)吸引功率半導(dǎo)體供應(yīng)商。汽車中采用電機(jī)控制或螺旋管驅(qū)動器的應(yīng)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(guān)、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(chǎn)品領(lǐng)域一個急速發(fā)展的方向。
除了車身電子外,下一個熱門應(yīng)用領(lǐng)域預(yù)計是旨在節(jié)能的代用燃料系統(tǒng),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(shù)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(nèi)增長的車用功率電子產(chǎn)品將是電機(jī)、螺線管驅(qū)動器和控制器。
尋求與應(yīng)用匹配的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,進(jìn)一步推進(jìn)汽車性能
Microchip Technology全球汽車市場總監(jiān)Willie Fitzgerald"/>
汽車電子架構(gòu)師所面臨的最重大挑戰(zhàn)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(chǎn)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(jìn)車身控制電子的發(fā)展是至關(guān)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(jìn)了汽車的安全性因素。
單一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能滿足整個汽車寬范圍的應(yīng)用要求。汽車電氣系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)在于:在目標(biāo)預(yù)算內(nèi)定義合適的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以實(shí)現(xiàn)所渴望的性能。因此,所選擇的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須與合適的應(yīng)用匹配,在此,對價格/性能的各種要求要進(jìn)行調(diào)整。汽車架構(gòu)師一旦完成定義,向維持在成本預(yù)算內(nèi)挑戰(zhàn)就是嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的開發(fā)。在這種類型的網(wǎng)絡(luò)中,如果一個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)有缺陷,那么,網(wǎng)絡(luò)仍然能夠發(fā)揮作用。消息通過網(wǎng)絡(luò)廣播,然后所有的節(jié)點(diǎn)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(guān)且是否要采取任何行動。在這種環(huán)境中必須確保數(shù)據(jù)完整性,因?yàn)橄到y(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)都采用相同的信息。數(shù)據(jù)完整性還通過誤碼檢測機(jī)制以及有缺陷消息的重發(fā)機(jī)制獲得支持。
LIN協(xié)議是一種用于較小汽車網(wǎng)絡(luò)的整體通信概念。其規(guī)范覆蓋了對協(xié)議和物理層的定義、以及對用于開發(fā)工具和應(yīng)用軟件的接口的定義。在車輛的開關(guān)、智能傳感器和傳動裝置等應(yīng)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(wǎng)絡(luò)。這種通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是基于SCI(UART)數(shù)據(jù)格式,采用一主/多從的概念,各個節(jié)點(diǎn)采用單線12V總線和時鐘同步,不需要穩(wěn)定的時基。
由于LIN面向低端應(yīng)用,兩個因素是關(guān)鍵的:與CAN相比,每一個節(jié)點(diǎn)的通信成本必須進(jìn)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(jié)約源自于:單線傳輸；因硬件或軟件在芯片中,實(shí)現(xiàn)成本低；在從節(jié)點(diǎn)中不必采用晶體或陶瓷諧振器。
隨著汽車中ECM數(shù)量的日益增加,汽車電子系統(tǒng)架構(gòu)師將不斷面臨的挑戰(zhàn)在于,要為“網(wǎng)絡(luò)化”的汽車環(huán)境創(chuàng)造一種“最具有成本效益的網(wǎng)絡(luò)”,這樣才能推進(jìn)汽車性能的提高。
汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重要性升級,一體化整車網(wǎng)絡(luò)勢在必行
經(jīng)過多年的發(fā)展與完善,汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前已經(jīng)成為各主流汽車廠商的基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)成。各企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義了企業(yè)級物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸協(xié)議、應(yīng)用層和故障診斷規(guī)范。不僅如此,為了保證遵守此協(xié)議的軟件的高質(zhì)量和短的開發(fā)周期,整車廠商通常還規(guī)定了在開發(fā)汽車電子產(chǎn)品時必須使用由專業(yè)軟件供應(yīng)商提供的協(xié)議棧軟件、相關(guān)的開發(fā)工具,以及必須遵守的開發(fā)和測試流程。擁有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、協(xié)議棧、測試標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的流程可以使企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)、供應(yīng)商開發(fā)、產(chǎn)品外包、內(nèi)部培訓(xùn)等方面變得更加高效、易于控制和管理。
隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)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(jiān)測和控制各子系統(tǒng)。在汽車電子發(fā)展的早期,這些ECU都是各自獨(dú)立工作的。這樣就比較容易劃分各子系統(tǒng)的功能,比如動力總成、底盤、車身和娛樂。典型的是發(fā)動機(jī)管理和變速器控制屬于動力總成,ABS屬于底盤,空調(diào)、中控門鎖和座椅屬于車身；收音機(jī)和DVD則屬于娛樂和多媒體系統(tǒng)。
隨著軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展,尤其是隨著總線技術(shù)的引入,比如在上世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的CAN總線系統(tǒng),標(biāo)志著ECU發(fā)展的第二階段。汽車電子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅加快了新技術(shù)的應(yīng)用,同時節(jié)約了成本。比如,多個ECU可以共用一個傳感器發(fā)出的信號,而無需復(fù)雜昂貴的接線。由于可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)共享,新功能的增加更加容易,實(shí)現(xiàn)成本更加低廉。當(dāng)前汽車電子功能的多樣化和快速增長都與汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用密切相關(guān)。得益于汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持,現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低成本、高度靈活和可裁減性。
目前整個汽車電子系統(tǒng)通常由3~5個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,它們通常由動力總成網(wǎng)絡(luò)(高速網(wǎng)絡(luò))、舒適系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(中低速網(wǎng)絡(luò))和信息娛樂系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(多媒體網(wǎng)絡(luò))構(gòu)成。它們由網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互連,構(gòu)成一體化整車網(wǎng)絡(luò)。在高端技術(shù)方面,以Flexray總線為代表的時間觸發(fā)總線技術(shù)的發(fā)展成熟將促進(jìn)與安全相關(guān)的轉(zhuǎn)向控制等功能的發(fā)展。在低端,LIN總線應(yīng)用將更加廣泛,會出現(xiàn)更多集成了傳感器/執(zhí)行器/LIN的價格低廉的節(jié)點(diǎn)。
中國主流汽車廠商已經(jīng)認(rèn)識到汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要性和它對企業(yè)汽車電子系統(tǒng)的重要支撐作用。有些廠商已經(jīng)在組織建立自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。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(yè)公司完成協(xié)議制定工作以確保協(xié)議專業(yè)、完整和全面。
恒潤科技通過對國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)分析,以及與知名整車廠商的合作,在協(xié)議制定、培訓(xùn)、協(xié)議棧開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)測試方面已有多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),專業(yè)的服務(wù)將有助于中國汽車廠商組建企業(yè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺。
本文由高級助理編輯趙娟整理
