目前，全球汽車業(yè)正在步入以智能化（ADAS&Autonomous）、網(wǎng)聯(lián)化（Connected）、電動(dòng)化（Electrification）、共享化（Shared services）為代表的“新四化”時(shí)代。IHS Markit的數(shù)據(jù)顯示，到2023年，汽車電子系統(tǒng)總額將高達(dá)1800億美元，平均每輛汽車會(huì)使用500美元以上的半導(dǎo)體器件，增幅最大的應(yīng)用分別來(lái)自高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、動(dòng)力系統(tǒng)（Powertrain）和車載娛樂(lè)信息系統(tǒng)（Infotainment）。
如果按照設(shè)備類型營(yíng)收來(lái)看，來(lái)源于Strategy AnalyTIcs的報(bào)告表明，2019年，功率半導(dǎo)體（26%）、處理器（23%）、無(wú)源模擬器件（16%）和傳感器（15%）占比超過(guò)兩位數(shù)；按半導(dǎo)體企業(yè)的全球營(yíng)收來(lái)看，英飛凌、恩智浦、瑞薩則分列前三位。該報(bào)告同時(shí)指出，未來(lái)汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，將主要集中在ADAS（23.6%）和包括全電動(dòng)車和混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的新能源汽車領(lǐng)域（21%）。
開(kāi)發(fā)一個(gè)量產(chǎn)級(jí)自動(dòng)駕駛不是按亮一盞燈
神奇的L2+級(jí)別
2020年，很多廠商傳遞出的一個(gè)觀點(diǎn)是，“汽車行業(yè)的下一個(gè)創(chuàng)新浪潮將出現(xiàn)在L2+級(jí)別自動(dòng)駕駛階段”。為什么會(huì)是L2+級(jí)而不是之前一直所說(shuō)的L3及以上級(jí)別？這是否意味著自動(dòng)駕駛商業(yè)化當(dāng)前遇到了不小的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致汽車行業(yè)對(duì)于自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)更趨理性？
英飛凌科技大中華區(qū)智能駕駛市場(chǎng)經(jīng)理余辰杰對(duì)此回應(yīng)稱，在國(guó)際汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）對(duì)自動(dòng)駕駛等級(jí)定義的L0-L5 級(jí)別中其實(shí)并不包含L2+，因而不同的整車廠（OEM）和方案商對(duì)L2+的解釋也不盡相同。他個(gè)人傾向于把L2+定義為：將自動(dòng)駕駛的技術(shù)應(yīng)用到人所駕駛的車上，或者更簡(jiǎn)單地說(shuō)：具備L3智能程度和L2駕駛責(zé)任。
如果要追根溯源的話，L2+級(jí)別概念最初由Mobileye公司在2017年提出，雖然沒(méi)有具體的定義，但是包括了自動(dòng)代客泊車（AVP）和車道保持輔助（LKA）等功能。相對(duì)于L2，L2+功能上最大的升級(jí)在于主動(dòng)變道（ALC），這要求車輛在具備橫縱向自動(dòng)控制功能（ACC/AEB/LKA）等L2功能的同時(shí)，增加局部或全局路徑規(guī)劃的能力。同時(shí)，區(qū)別于L3，L2+仍然需要駕駛員全程集中注意，這規(guī)避了當(dāng)前制約L3落地的兩大核心問(wèn)題：人車控制接管時(shí)的責(zé)任劃分和過(guò)渡過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題。前者在法律法規(guī)上需要跟進(jìn)，后者如果太短則會(huì)降低用戶體驗(yàn)。
“當(dāng)前，無(wú)論從技術(shù)上還是從法規(guī)上，具有良好用戶體驗(yàn)的L3級(jí)別自動(dòng)駕駛實(shí)現(xiàn)仍需時(shí)日。至少在3年內(nèi)，大部分OEM會(huì)更加理性地著眼于L2+的落地?！庇喑浇苷f(shuō)。
ImaginaTIon Technologies汽車業(yè)務(wù)總監(jiān)Bryce Johnstone的觀點(diǎn)與之類似。他認(rèn)為一直以來(lái)，人們對(duì)于全自動(dòng)駕駛存在一些過(guò)分炒作，現(xiàn)在才意識(shí)到開(kāi)發(fā)所需的技術(shù)將花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。此外，正在試圖解決的問(wèn)題也比當(dāng)初設(shè)想的多，出現(xiàn)了大量不常見(jiàn)的情況需要被識(shí)別、了解、設(shè)計(jì)和改進(jìn)。
他說(shuō)L3級(jí)汽車的發(fā)展受到抑制的原因之一，是一些國(guó)家還沒(méi)有立法以允許它們上路，直到其安全性得到更多的驗(yàn)證。而L4級(jí)和L5級(jí)將從人們的視野中淡出幾年時(shí)間，直到它們擁有龐大的規(guī)模。突如其來(lái)的新冠病毒疫情也會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響，因?yàn)槠囆袠I(yè)將不得不在中短期回報(bào)和長(zhǎng)期技術(shù)投資方面做出一些艱難的選擇。
自動(dòng)駕駛≠ADAS組合
各種ADAS功能在車廠未來(lái)幾年的產(chǎn)品規(guī)劃中變得越來(lái)越舉足輕重，自動(dòng)泊車、側(cè)視輔助、車道輔助、駕駛員疲勞預(yù)警等等。為車輛提供更高的安全性，為駕駛員分擔(dān)更多的駕駛?cè)蝿?wù)，被視作推動(dòng)ADAS發(fā)展的兩大動(dòng)力。
Microchip汽車產(chǎn)品部亞太區(qū)資深產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Yan Goh表示，ADAS快速增長(zhǎng)的原因，源自汽車制造商正致力于提高汽車的安全性，不斷開(kāi)發(fā)新技術(shù)以幫助減少道路事故并確保汽車內(nèi)部連接的安全。過(guò)去幾年中，在高精度傳感器、支持人工智能的高速多核片上系統(tǒng)（SoC）、高速車載網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的加持下，車輛ADAS主動(dòng)安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。
但ADAS功能需要復(fù)雜的硬件和軟件處理能力，需要滿足符合ISO-26262標(biāo)準(zhǔn)的汽車功能安全要求，這促使故障保護(hù)工程設(shè)計(jì)成為汽車OEM最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。此外，新一代ADAS還將與5G連接融合，以支持V2V-V2X和L5級(jí)自動(dòng)駕駛，這將需要高精度定時(shí)定位和安全性更嚴(yán)格的電子元件。
今年4月7號(hào)，中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）更新了2018版評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在原有自動(dòng)剎車輔助系統(tǒng)（AEB）基礎(chǔ)上加入了更多主動(dòng)安全測(cè)試項(xiàng)目：車道偏離預(yù)警（LDW）、速度輔助系統(tǒng)（SAS）、車對(duì)車盲點(diǎn)檢測(cè)（BSD C2C）等，清晰的表明中國(guó)對(duì)ADAS主動(dòng)安全功能的重視程度正在不斷提升。其實(shí)不只中國(guó)，考慮到安全性和事故的減少目前被整車廠視為一項(xiàng)增值功能，新車碰撞測(cè)試項(xiàng)目（NCAP）、美國(guó)高速公路安全管理局（NHTSA）等全球各地交通運(yùn)輸監(jiān)管機(jī)構(gòu)都在各自的安全規(guī)定和要求中提高了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，所有車輛都必須遵守。
如何在保證安全的前提下進(jìn)一步降低駕駛員的參與度，進(jìn)而使駕駛員可以進(jìn)行輕量化的娛樂(lè)和工作，是目前車廠關(guān)注最多的。高速狀態(tài)下（>40KM/h）的AEB/LKA前向功能即為代表之一，未來(lái)則會(huì)逐漸向后向橫穿車輛制動(dòng)（RCTB）方向發(fā)展。在分擔(dān)駕駛?cè)蝿?wù)方面，帶有車道居中（LCA）的自適應(yīng)巡航（ACC）功能越來(lái)越多地被當(dāng)作核心產(chǎn)品屬性，這一功能對(duì)降低長(zhǎng)途高速公路駕駛員的工作負(fù)荷具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。
但Bryce Johnstone不同意“全自動(dòng)汽車駕駛是將不同ADAS功能進(jìn)行全方位組合”的觀點(diǎn)。他認(rèn)為這種觀點(diǎn)并沒(méi)有真正解釋清楚更高級(jí)別的駕駛必須要做什么?！皩⒍鄠€(gè)L2級(jí)功能組合起來(lái)，是不可能等同于L4級(jí)功能的?！彼f(shuō)，從大規(guī)模傳感器融合/高清地圖/GPS的數(shù)據(jù)輸入，到路徑規(guī)劃和決策，我們需要更強(qiáng)大的處理能力、更高計(jì)算效率的新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和全新的芯片架構(gòu)，以確保所有傳感器和環(huán)境數(shù)據(jù)可以被實(shí)時(shí)處理，保障行車安全。但所有這些都必須以低功耗為前提運(yùn)行，不必在汽車中使用昂貴的冷卻系統(tǒng)，使得L4/L5級(jí)的價(jià)值主張對(duì)消費(fèi)者是有意義的。
無(wú)傳感，不智能
中短期來(lái)看，由于成本和成熟度的關(guān)系，與攝像頭傳感器相關(guān)的應(yīng)用會(huì)得到快速成長(zhǎng)，包括盲區(qū)偵測(cè)、環(huán)視、行人偵測(cè)等；中長(zhǎng)期來(lái)看，雷達(dá)/激光傳感器的應(yīng)用也會(huì)得到加速普及，如何看待這兩類技術(shù)之間的相互關(guān)系與發(fā)展趨勢(shì)成為人們熱議的焦點(diǎn)。
在余辰杰看來(lái)，當(dāng)前ADAS傳感器主要還是依賴攝像頭和毫米波雷達(dá)，但對(duì)于AEB來(lái)說(shuō)，更多還是需要借助于毫米波雷達(dá)。因?yàn)橄鄬?duì)于攝像頭而言，基于電磁波反射原理的毫米波雷達(dá)對(duì)于目標(biāo)速度和距離的測(cè)量，具有更好的實(shí)時(shí)性和環(huán)境適應(yīng)性。
而思特威科技CMO Chris Yiu女士在接受《電子工程專輯》采訪時(shí)則指出，從技術(shù)特點(diǎn)上看，CMOS圖像傳感器（CIS）和雷達(dá)/激光傳感器各有千秋。除了部署成本低的優(yōu)勢(shì)外，CIS能夠獲得更復(fù)雜的圖像信息，應(yīng)用場(chǎng)景更為豐富；而雷達(dá)/激光傳感器在避障、測(cè)距等特定使用場(chǎng)景中，具有測(cè)量準(zhǔn)確、測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)，但工作原理限制了使用場(chǎng)景，較高的部署成本也制約了其在汽車中的部署規(guī)模。隨著汽車電子的發(fā)展，未來(lái)的汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將會(huì)部署越來(lái)越多的傳感器，CIS與雷達(dá)/激光傳感器將以一種相輔相成的互補(bǔ)關(guān)系，分別在各自的強(qiáng)勢(shì)應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。
當(dāng)然，如果單從CIS未來(lái)在車用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)上看，隨著人工智能算法的愈發(fā)成熟，越來(lái)越多的功能可以通過(guò)CIS+AI的形式實(shí)現(xiàn)。比如在車外場(chǎng)景中，配合CIS獲取的圖像數(shù)據(jù)，汽車駕駛輔助系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)行人監(jiān)測(cè)、路面標(biāo)志識(shí)別、車道偏移報(bào)警、自動(dòng)泊車，乃至最終的無(wú)人駕駛。而在艙內(nèi)場(chǎng)景中，CIS的應(yīng)用場(chǎng)景將更為豐富：駕駛員身份識(shí)別、駕駛習(xí)慣設(shè)置自運(yùn)行、用于自動(dòng)調(diào)整安全氣囊設(shè)置的兒童及物品識(shí)別、疲勞與分心駕駛檢測(cè)、車內(nèi)物品及兒童遺忘提醒等。
不過(guò)，車用CIS產(chǎn)品往往需要滿足不少獨(dú)特的需求，例如LED閃爍抑制能力以確保正確識(shí)別路面信號(hào)燈及汽車車燈；HDR功能以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的光照條件；強(qiáng)大的低光照成像性能以滿足夜間開(kāi)車或隧道環(huán)境的成像需求；全局快門(mén)技術(shù)防止高速運(yùn)動(dòng)下的“果凍效應(yīng)”等。以低光照成像性能為例，由于有夜間駕駛以及隧道等低光照駕駛環(huán)境的存在，車用CIS不僅需要強(qiáng)大的低光照成像性能，還必須能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜且實(shí)時(shí)快速變化的光線環(huán)境，這意味著車用CIS產(chǎn)品必須擁有堪比高端安防CIS的夜視和HDR功能。
在AI應(yīng)用上，為了應(yīng)對(duì)各種典型或非典型場(chǎng)景，AI算法模型的發(fā)展需要建立在由大量測(cè)試數(shù)據(jù)支持的機(jī)器學(xué)習(xí)之上，這就要求CIS產(chǎn)品能夠配合算法開(kāi)發(fā)商進(jìn)行大量的路面測(cè)試，以收集大量數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于汽車中CIS部署量上升，為了讓更多的中低端車型也配備足夠的CIS傳感器以部署AI技術(shù)，業(yè)內(nèi)估計(jì)CIS產(chǎn)品必須降低20%-30%的價(jià)格才能滿足成本方面的需求。
電子信息架構(gòu)的遷移
從汽車架構(gòu)的趨勢(shì)來(lái)看，現(xiàn)在汽車的電子信息架構(gòu)正從傳統(tǒng)的分布式控制向域控制架構(gòu)、分區(qū)架構(gòu)、中央化架構(gòu)方向遷移。但不管是哪種架構(gòu)，隨著架構(gòu)的演進(jìn)，對(duì)控制器的算力、軟件、生態(tài)都會(huì)有越來(lái)越高的要求。
“這會(huì)引出一個(gè)問(wèn)題：傳感器是否要內(nèi)置智能功能，以減少?gòu)膫鞲衅鞯教幚砥鞯膸捔髁?？”Bryce Johnstone認(rèn)為，車內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)帶寬將會(huì)大幅增加，以太網(wǎng)尤其是千兆以太網(wǎng)的使用也會(huì)隨之增加，以處理增長(zhǎng)的流量，從而確保實(shí)時(shí)性能。但在完善全自動(dòng)駕駛所需的處理能力方面，還有一段路要走。
眾所周知，在傳統(tǒng)的汽車電子E/E架構(gòu)中，除車機(jī)端外，基本都是低算力的實(shí)時(shí)控制器，運(yùn)算能力從幾百到上千DMIPS不等。隨著ADAS/AV功能的引入，多傳感器信息融合的處理需要更高算力的計(jì)算平臺(tái)，目前主流車規(guī)級(jí)高算力處理器（MPU）的算力從幾百Gops到幾十Tops不等。可是，雖然此類芯片運(yùn)算能力突出，但通常不具備實(shí)時(shí)性和高功能安全等級(jí)，所以在L0以上涉及底盤(pán)和動(dòng)力控制的ADAS/AV ECU中，多數(shù)方案都采用“高算力非實(shí)時(shí)MPU搭配ASILB+實(shí)時(shí)MCU”架構(gòu)，其中MPU部分負(fù)責(zé)傳感器的信息處理和融合，MCU負(fù)責(zé)控制決策以及和底盤(pán)及車身的通信。
此外，高運(yùn)算量一定伴隨著高帶寬數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的汽車網(wǎng)絡(luò)主要以CAN（FD）/LIN等低速網(wǎng)絡(luò)為主，其帶寬從幾百Kb/s到幾Mb/s不等。而在ADAS/AV時(shí)代，無(wú)論是車內(nèi)帶寬還是車外無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，都對(duì)通訊接口的帶寬提出了不同數(shù)量級(jí)的要求，比如PCIe被用于ADAS控制器中MPU/MCU之間的通信，車載以太網(wǎng)被用于域控制器之間的大數(shù)據(jù)信息的傳遞，LVDS則用于雷達(dá)和攝像頭等傳感器原始數(shù)據(jù)的傳輸。這些傳輸介質(zhì)其實(shí)在消費(fèi)類電子中早就存在，帶寬則以Gb/s為單位，但當(dāng)它們被引入到ADAS/AV網(wǎng)絡(luò)后，其功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全的屬性都要進(jìn)行重新考量和設(shè)計(jì)。
最后來(lái)看看AI技術(shù)的大量引入能在多大程度上解決和推動(dòng)智能駕駛所帶來(lái)的算力軍備競(jìng)賽。目前L1/L2的ADAS功能大多基于固定場(chǎng)景分類的rule-based算法，但未來(lái)過(guò)渡到L3/L4時(shí)，大數(shù)據(jù)的訓(xùn)練一定會(huì)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和層次、MPU算力提出更高要求。但這并不意味著進(jìn)行簡(jiǎn)單粗暴的AI硬件加速資源堆疊就能解決問(wèn)題，由于AI算法日新月異，如何讓AI算法工程師能夠?qū)⑺惴ǜ咝Э焖俚匾浦驳接布铣蔀殛P(guān)鍵，這就需要芯片商同時(shí)提供強(qiáng)大的工具鏈支撐。
Yan Goh說(shuō)，隨著人們對(duì)大規(guī)模高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和高吞吐量的期待，數(shù)據(jù)通信帶寬已成為汽車系統(tǒng)架構(gòu)師面臨的主要挑戰(zhàn)。自動(dòng)駕駛汽車的大量路試取得成功，得益于AI計(jì)算和許多基于攝像頭-激光雷達(dá)-雷達(dá)的復(fù)雜傳感器提供支持。在L5級(jí)自動(dòng)駕駛模式下，每一毫秒對(duì)于確保駕駛員和乘客的安全都至關(guān)重要。要確保汽車能夠在幾毫秒內(nèi)做出反應(yīng)，現(xiàn)有的汽車架構(gòu)是無(wú)法滿足要求的，突破這一瓶頸的方法是將服務(wù)器-臺(tái)式機(jī)的計(jì)算能力和千兆位類型的網(wǎng)絡(luò)功能引入汽車領(lǐng)域，用復(fù)雜的軟件處理算法和專業(yè)的汽車AI，幫助汽車OEM提升智能駕駛體驗(yàn)。
堅(jiān)定不移地向xEV遷移
緩解“里程焦慮”
“新三化”始終是汽車行業(yè)在從傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)（ICE）到混合動(dòng)力汽車（HEV）再到電動(dòng)汽車（EV）過(guò)程中追尋的目標(biāo)。在ADI中國(guó)汽車技術(shù)市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理王星煒看來(lái)，續(xù)航里程是新能源汽車充電的關(guān)鍵指標(biāo)。鋰電池的監(jiān)測(cè)對(duì)新能源汽車性能非常關(guān)鍵，通過(guò)實(shí)現(xiàn)高的電壓測(cè)量精度，可以有效提升續(xù)航里程。更高的電芯電壓測(cè)量精度可拓展電池可用電量范圍，如果將精度提高到1%，那么電池可以在滿容量的21%到89%之間運(yùn)行，增加8%的用電容量。使用相同的電池和精度更高的BMS，可以有效增加每次充電的汽車行駛里程。
而英飛凌大中華區(qū)汽車電子事業(yè)部區(qū)域市場(chǎng)經(jīng)理張昌明則認(rèn)為，零碳排放目標(biāo)實(shí)現(xiàn)不是一蹴而就的，通常分為兩個(gè)階段：一是在零碳排放之前，降低傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)用量，提升內(nèi)燃機(jī)工作效率主導(dǎo)了汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；二是零碳排放之后，純電驅(qū)動(dòng)將引導(dǎo)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的升級(jí)。
第一階段中，混合動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)是首選，但如何讓兩套系統(tǒng)像一套系統(tǒng)一樣有序協(xié)調(diào)的工作將是技術(shù)的難點(diǎn)。相比傳統(tǒng)燃油車，利用單片機(jī)運(yùn)算能力來(lái)統(tǒng)籌管理兩個(gè)動(dòng)力單元是混動(dòng)汽車的核心技術(shù)。第二階段中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為唯一的動(dòng)力系統(tǒng)，離不開(kāi)IGBT/SiC功率器件和相關(guān)控制/驅(qū)動(dòng)芯片，電動(dòng)汽車不僅對(duì)芯片算力有要求，還要足夠安全。
確保實(shí)現(xiàn)最高效率，將電池能量提供給推進(jìn)電機(jī)，同時(shí)使整部汽車保持輕量化，以增加汽車可行駛里程，緩解里程焦慮（英里/千瓦時(shí)）被Yan Goh視作新能源汽車市場(chǎng)中最為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。例如盡管新型鋰電池或燃料電池實(shí)現(xiàn)了更高的能量重量比，但它們需要更高性能的電池管理系統(tǒng)（BMS）；下一個(gè)挑戰(zhàn)是電氣轉(zhuǎn)換，即工程師所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的熱損耗必須更低，同時(shí)在高頻環(huán)境下滿足電磁兼容EMC-EMI特性；考慮到高電壓、高速充電和高效率要求帶來(lái)的復(fù)雜性，越來(lái)越多的OEM開(kāi)始引入800V系統(tǒng)，將其作為減輕重量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，這就需要具有高電壓能力的SiC MOSFET晶體管-二極管技術(shù)；最后，政府和企業(yè)需要共同努力，擴(kuò)大電動(dòng)充電基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋范圍。
新型功率器件嶄露頭角
功率芯片就像骨骼上的肌肉，依賴于大腦的指令來(lái)工作，只有肌肉足夠強(qiáng)壯才能完成更有難度的工作。目前，新能源電動(dòng)車使用的動(dòng)力電池電壓已達(dá)400V級(jí)別，當(dāng)它驅(qū)動(dòng)車輪時(shí)，需要將直流電轉(zhuǎn)換成高壓交流電。作為目前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最經(jīng)濟(jì)安全的方案，更可靠的IGBT芯片始終會(huì)是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。
但以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體（WBG）在汽車行業(yè)中的前景將更為光明。由于具備更高的開(kāi)關(guān)頻率，SiC和GaN器件在減小系統(tǒng)尺寸、成本和重量方面意義重大。新型功率開(kāi)關(guān)還將促使其控制元件發(fā)生變化，其中包括柵極驅(qū)動(dòng)器。另外，更高的工作溫度（尤其是GaN器件）和更低的開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)要求，還可簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)師的設(shè)計(jì)工作。目前來(lái)看，GaN在650V以下/SiC在650V以上的電壓系統(tǒng)中將會(huì)發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢(shì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（Main Inverter）和車載充電器（OBC）成為能將這兩種器件優(yōu)勢(shì)最大化的應(yīng)用。
“很多客戶對(duì)SiC和GaN器件本身的理解依然是基于一些理論和簡(jiǎn)單測(cè)試，要想加快新器件的普及，需要讓工程師能更好的理解應(yīng)用和器件本身的特性，找到SiC和GaN最合適的應(yīng)用領(lǐng)域，從系統(tǒng)上產(chǎn)生價(jià)值?！睆埐髡J(rèn)為這需要從三個(gè)方面來(lái)加以推動(dòng)：
第一，了解新能源車應(yīng)用，找到SiC和GaN能產(chǎn)生價(jià)值的應(yīng)用環(huán)境。相對(duì)硅器件，SiC和GaN器件都具有很低的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。SiC在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上的優(yōu)勢(shì)尤其明顯，憑借高耐壓值能夠降低損耗，延長(zhǎng)行駛里程，達(dá)到系統(tǒng)成本平衡。
第二，新能源汽車對(duì)器件可靠性的要求比工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)苛，SiC和GaN開(kāi)關(guān)速度更快，增加功率器件的抗干擾能力以及優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)SiC和GaN的易用性，提升系統(tǒng)的可靠性，會(huì)讓SiC和GaN推廣得更快。
第三，解決了系統(tǒng)應(yīng)用和器件的技術(shù)問(wèn)題后，系統(tǒng)成本是否有優(yōu)勢(shì)必然是最終決策的關(guān)鍵參數(shù)。盡管從目前電池電壓系統(tǒng)的發(fā)展看，SiC在新能源汽車上會(huì)有更快速的發(fā)展，但SiC晶圓生長(zhǎng)周期是Si晶圓的3-5倍，加工難度大，成本降低并非一朝一夕之事。如果能結(jié)合Si的成本優(yōu)勢(shì)和SiC的性能優(yōu)勢(shì)研發(fā)混合型功率器件，將會(huì)極大擴(kuò)展SiC的應(yīng)用范圍。
王星煒對(duì)此也持相同看法?！半m然這些優(yōu)勢(shì)使得GaN和SiC功率開(kāi)關(guān)對(duì)設(shè)計(jì)人員極具吸引力，但這種好處并非毫無(wú)代價(jià)，最主要的代價(jià)是這類器件的價(jià)格比同等MOSFET/IGBT產(chǎn)品高出好幾倍?！背兂杀竞拓?cái)務(wù)因素外，更高的開(kāi)關(guān)速度和工作溫度可能非常適合GaN/SiC開(kāi)關(guān)，但是它們?nèi)匀粫?huì)為完成功率轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈所需的周邊IC支持器件帶來(lái)問(wèn)題，例如MCU通常無(wú)法提供高壓大功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，需要相應(yīng)的隔離柵極驅(qū)動(dòng)芯片。
新基建“新”在哪里？
新能源汽車充電樁此番作為中國(guó)“新基建”七大領(lǐng)域之一備受關(guān)注。張昌明認(rèn)為，相對(duì)于傳統(tǒng)基建，國(guó)家這次從三個(gè)維度對(duì)“新基建”進(jìn)行了定義，分別是信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施。充電樁行業(yè)在這次新基建中歸屬于融合基礎(chǔ)設(shè)施，可以支撐傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的轉(zhuǎn)型升級(jí)，結(jié)合交通路網(wǎng)，充電樁網(wǎng)絡(luò)管理還可升級(jí)到智慧交通基礎(chǔ)設(shè)施和智慧能源基礎(chǔ)設(shè)施。在這一過(guò)程中，便利性將是主要挑戰(zhàn)，“保質(zhì)、保量、有序”成為解決充電難問(wèn)題的六字箴言。
●保質(zhì)。目前很多充電樁都處于故障或停用狀態(tài)，維護(hù)不佳。原因有二：一是產(chǎn)品質(zhì)量不好，戶外產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參考了室內(nèi)產(chǎn)品的定義；二是終端設(shè)備不營(yíng)利，導(dǎo)致充電樁供應(yīng)商無(wú)力維護(hù)，因此價(jià)格和性能之間的平衡將是充電設(shè)備生產(chǎn)與服務(wù)商面臨的首要挑戰(zhàn)。
●保量。主要是要有充足的車位和充足的電量供應(yīng)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2019年充電樁總量121.9萬(wàn)臺(tái)，車樁比達(dá)到3.4:1，但在商業(yè)中心車流密集場(chǎng)所找到充電區(qū)域仍然相當(dāng)困難的，充電樁破損、車位占用、充電擁擠都是充電難的主要問(wèn)題。充電樁是服務(wù)于新能源車的，其增幅要與新能源車保有量的增長(zhǎng)維持相對(duì)平衡的狀態(tài)。如何布局充電設(shè)施，提升充電樁有效利用率會(huì)是第二個(gè)挑戰(zhàn)。
●有序。管理有續(xù)、政策有序?qū)⑹堑谌齻€(gè)挑戰(zhàn)。管理有續(xù)體現(xiàn)在如何加強(qiáng)充電網(wǎng)絡(luò)、充電APP的實(shí)用性，據(jù)稱有新能源車主在購(gòu)買(mǎi)了新能源車后，手機(jī)上多出了近15個(gè)充電APP，多平臺(tái)運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致用戶時(shí)間的浪費(fèi)；而車開(kāi)到可用充電樁后發(fā)現(xiàn)車位被占用，這是管理問(wèn)題。解決這兩個(gè)問(wèn)題需要有政策來(lái)約束和管理充電服務(wù)提供商和用戶。
ADI工業(yè)與能源事業(yè)部市場(chǎng)經(jīng)理張松剛表示，充電樁建設(shè)的一個(gè)趨勢(shì)就是要把充電機(jī)的功率做大，從而實(shí)現(xiàn)高效率充電，例如實(shí)現(xiàn)十五分鐘或更短的時(shí)間之內(nèi)充電50%以上的高效率。實(shí)現(xiàn)的方法就是提高充電功率，但功率提高帶來(lái)的問(wèn)題是充電樁尺寸增大，如何在有限的尺寸下提高功率，甚至把功率器件的尺寸繼續(xù)減小，只有提高充電機(jī)開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率。
同時(shí)，作為充電樁電源電路中的開(kāi)關(guān)元件，IGBT/功率MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率是決定充電樁效率的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的IGBT開(kāi)關(guān)頻率大概在20k左右，現(xiàn)在已經(jīng)有40k-50k的開(kāi)關(guān)器件，氮化鎵、碳化硅等更高速的開(kāi)關(guān)器件也在陸續(xù)投入應(yīng)用，充電樁充電功率正在不斷提升。與功率器件一樣重要的，是這些功率器件的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇，只有低傳輸延遲、低死區(qū)時(shí)間的柵極驅(qū)動(dòng)器才能確保功率器件實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率和效率。
此外，隨著更多更大功率公共充電樁的建立，充電站集中若干大功率的充電樁將對(duì)電網(wǎng)供電造成極大的壓力。同時(shí)滿負(fù)荷充電，電網(wǎng)可能在多個(gè)點(diǎn)上崩潰，或者需要投入巨額資金改善輸電線路或設(shè)置集中式發(fā)電廠，大幅提高基本負(fù)荷。但是，這種負(fù)荷又具有不確定性，更有效或低成本的解決不定期的集中充電的問(wèn)題，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以發(fā)揮積極作用，利用此能量服務(wù)增加電動(dòng)汽車充電量，消除通過(guò)調(diào)節(jié)功率峰值，保持電網(wǎng)穩(wěn)定，或是在停電的情況下提供電源。
軟件定義汽車
之所以將安全話題單獨(dú)列出，是因?yàn)殡S著汽車產(chǎn)業(yè)的“新四化”改造逐步從概念步入現(xiàn)實(shí)，車載軟件的復(fù)雜性正在呈指數(shù)增長(zhǎng)，汽車行業(yè)近年來(lái)也逐漸達(dá)成了將“軟件定義汽車”作為未來(lái)發(fā)展方向的共識(shí)。同時(shí)，也有人擔(dān)心作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，未來(lái)的汽車正從原來(lái)一個(gè)完全封閉的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)完全開(kāi)放的系統(tǒng)。大量非傳統(tǒng)汽車行業(yè)企業(yè)涌入市場(chǎng)，有些甚至沿用當(dāng)前消費(fèi)類電子的研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，從而給整個(gè)汽車電子系統(tǒng)架構(gòu)帶來(lái)極大的安全隱患。
新思科技高級(jí)解決方案架構(gòu)師Dennis Kengo Oka在接受本刊采訪時(shí)表示，基于軟件的解決方案給汽車行業(yè)帶來(lái)了諸多益處，通過(guò)使用軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車的多種功能，而不是使用專門(mén)的硬件解決方案，可以降低成本。除此之外，此前面向目標(biāo)系統(tǒng)單獨(dú)開(kāi)發(fā)的常用功能，如驅(qū)動(dòng)程序和庫(kù)中的功能，在諸如AUTOSAR的軟件平臺(tái)或開(kāi)源軟件組件中變得更加強(qiáng)大，這使得軟件模塊可以重復(fù)使用，從而降低成本并提升開(kāi)發(fā)速度。
然而，一輛汽車的代碼超過(guò)1.5億行，因此在質(zhì)量、安全性和隱私方面也存在與軟件相關(guān)的固有風(fēng)險(xiǎn)。汽車企業(yè)需要采用各種軟件開(kāi)發(fā)工具和程序來(lái)幫助開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)更加安全和高質(zhì)量的軟件，包括使用靜態(tài)代碼分析工具和遵循安全編碼準(zhǔn)則，以減少自己開(kāi)發(fā)的代碼中的質(zhì)量和安全問(wèn)題；使用軟件組件分析工具識(shí)別開(kāi)源軟件中的已知漏洞；使用模糊測(cè)試工具來(lái)檢測(cè)軟件中的未知漏洞。除了這些工具和程序外，汽車企業(yè)必須確保建立網(wǎng)絡(luò)安全文化，并保證安全培訓(xùn)成為針對(duì)開(kāi)發(fā)人員和安全團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行持續(xù)教育計(jì)劃的一部分。
盡管汽車行業(yè)的軟件開(kāi)發(fā)日新月異，也有很多非傳統(tǒng)汽車行業(yè)企業(yè)進(jìn)入汽車行業(yè)，但Dennis Kengo Oka相信汽車行業(yè)依然是一個(gè)規(guī)則非常嚴(yán)格的行業(yè)，擁有許多具有明確開(kāi)發(fā)定義的各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括：功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262、開(kāi)發(fā)流程模型A-SPICE以及網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)ISO/SAE 21434等。所有企業(yè)都需要在汽車產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用特定的汽車標(biāo)準(zhǔn)，或者將開(kāi)發(fā)重點(diǎn)放在非傳統(tǒng)汽車開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，比如不適用于這些標(biāo)準(zhǔn)的后端服務(wù)解決方案。
智能與安全是邁向汽車智能化的兩條路徑，整車廠、零部件供應(yīng)商、科技公司對(duì)此各有考量。在聯(lián)網(wǎng)汽車的案例中，既包括了與傳統(tǒng)IT后端的通信，也看到了Google、Amazon和Microsoft等云服務(wù)供應(yīng)商與傳統(tǒng)汽車制造商的合作，讓汽車智能的某些部分轉(zhuǎn)移到云端執(zhí)行。這些解決方案繞過(guò)了車載系統(tǒng)中的計(jì)算限制，并且可以在大型數(shù)據(jù)中心中執(zhí)行更高級(jí)的數(shù)據(jù)處理和分析。
還有一些基于硬件并擴(kuò)展到平臺(tái)解決方案的案例，如科技公司提供的自動(dòng)駕駛平臺(tái)和空中升級(jí)平臺(tái)（OTA）。自動(dòng)駕駛平臺(tái)在硬件和傳感器中提供智能，汽車企業(yè)在該平臺(tái)上構(gòu)建自己的解決方案；空中升級(jí)平臺(tái)在自身更新過(guò)程中提供智能，用于更新的通信協(xié)議以及用于對(duì)汽車目標(biāo)系統(tǒng)執(zhí)行更新的車載解決方案。汽車企業(yè)可以將其現(xiàn)有的軟件開(kāi)發(fā)發(fā)布流程與空中升級(jí)平臺(tái)集成，以實(shí)現(xiàn)其汽車的OTA空中升級(jí)。
Dennis Kengo Oka的看法是，汽車行業(yè)傳統(tǒng)上具有復(fù)雜的供應(yīng)鏈，汽車制造商位于最頂端，多層供應(yīng)商向汽車制造商提供各種硬件和軟件。然而，最新的趨勢(shì)是更多的汽車制造商通過(guò)在其內(nèi)部執(zhí)行更多的開(kāi)發(fā)來(lái)整合內(nèi)部的智能，包括各種系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，如自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、以及在某些情況下專門(mén)的硬件SoC芯片設(shè)計(jì)。這意味著一些汽車制造商現(xiàn)在也正在直接與硬件設(shè)計(jì)公司合作，將智能構(gòu)建到自身的硬件層，從而繞過(guò)傳統(tǒng)供應(yīng)鏈中的某些步驟。