各車載系統(tǒng)之間的關(guān)系非常復(fù)雜,，相互依賴,，相互影響，因此,，厘清系統(tǒng)之間的相互作用,，并找到提高效率的方法是開(kāi)發(fā)人員面臨的巨大挑戰(zhàn),。功耗是左右電動(dòng)車成本的關(guān)鍵，而另一個(gè)關(guān)鍵因素是ECU汽車節(jié)能減排的重?fù)?dān),，很大程度上落在了汽車芯片廠商與系統(tǒng)廠商肩上,。正是借助車載芯片和電子系統(tǒng)，汽車能耗越來(lái)越低,，乃至實(shí)現(xiàn)零排放,。

為應(yīng)對(duì)氣候變化而努力至關(guān)重要。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的數(shù)據(jù),，交通運(yùn)輸業(yè)碳排放量在所有行業(yè)中最高,，2018年其排放占全球溫室氣體總排放量的28.2%。交通運(yùn)輸業(yè)的溫室氣體排放主要源自于汽車,、卡車,、輪船、火車和飛機(jī)消耗的化石燃料,，目前,，這些機(jī)動(dòng)車的燃料消耗超過(guò)90%都是基于石油。實(shí)際上,，交通運(yùn)輸業(yè)的碳排放量可能還要高,，因?yàn)樯鲜鰯?shù)據(jù)還沒(méi)有考慮制造這些機(jī)車所產(chǎn)生的溫室氣體。

“如果我們對(duì)減少碳排放重視的話,，車輛的電氣化就非常重要,。” 西門子旗下Mentor事業(yè)部的新移動(dòng)機(jī)械分析部總監(jiān)普內(nèi)特·辛哈（Puneet Sinha）如是表示,，“要了解機(jī)動(dòng)車的碳足跡（carbon footprint），就必須從內(nèi)燃機(jī)車開(kāi)始,。假設(shè)一輛內(nèi)燃機(jī)汽車的行駛里程在12000至16000英里之間,，則其使用期間的碳足跡大約是260克每公里，其中約有160至165克碳來(lái)自于尾氣,，大約50克碳來(lái)自于燃油循環(huán),，而制造該車輛所消耗的碳為每公里45克?！?/p>

混合動(dòng)力汽車能源效率更高,。相比內(nèi)燃機(jī)車，混合動(dòng)力機(jī)車尾氣排放可以降低60%至70%。對(duì)于純電動(dòng)車,，尾氣排放是零,。但是，發(fā)電與電動(dòng)車制造過(guò)程仍在產(chǎn)生碳排放,。即便采用清潔能源（例如太陽(yáng)能和風(fēng)能等）來(lái)發(fā)電,，在生產(chǎn)發(fā)電設(shè)備時(shí)，仍然留下了碳足跡,。電力需要存儲(chǔ)在電池中,，而制造電池芯與電池組都是高耗能行業(yè)。

辛哈解釋道：“電動(dòng)車的碳足跡要全盤來(lái)看,，尾氣是沒(méi)有了,，但電池制造過(guò)程中生成的碳足跡比車輛制造和燃油循環(huán)還要高。因?yàn)樗羞^(guò)程都需要電,，所以用什么樣的電對(duì)碳足跡的最終結(jié)果影響很大,。越多采用可再生電力，碳足跡就越小,。因此,，這就有半導(dǎo)體發(fā)揮作用的空間?？紤]到可再生能源的周期性,，不管是太陽(yáng)能，還是風(fēng)能,，都需要用功率電子器件將可再生能源轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)中的電,。”

不少人支持辛哈的觀點(diǎn),，安森美（ON Semiconductor）全球汽車戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁約瑟夫·諾塔羅（Joseph Notaro）就表示,，內(nèi)燃機(jī)車把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能以驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，各種車載電子設(shè)備（例如安全,、舒適和排放控制）也需要將燃料能量轉(zhuǎn)換為電能來(lái)驅(qū)動(dòng),，他說(shuō)：“如果能源不是消耗在上述用途中，只能增加車輛的油耗與二氧化碳排放,。降低車輛能源浪費(fèi)的一個(gè)方法就是減少車載電能耗散與降低車身重量,。高壓功率半導(dǎo)體器件是新型48V架構(gòu)的核心，通過(guò)高壓功率半導(dǎo)體器件,，可以實(shí)現(xiàn)更高效的能源回收,，在驅(qū)動(dòng)重負(fù)載（泵、壓縮機(jī)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向等）時(shí)也更高效,，從而顯著降低能耗,。所以,，提高直流轉(zhuǎn)換器的效率、降低電源待機(jī)電流,，以及采用更智能的數(shù)據(jù)處理以減少汽車內(nèi)部的數(shù)據(jù)帶寬,，所有這些措施從每毫瓦能源消耗角度來(lái)細(xì)扣，都有助于提高燃油經(jīng)濟(jì)性,，及減少二氧化碳排放,。”

無(wú)論是電動(dòng)車還是內(nèi)燃機(jī)車,，半導(dǎo)體在節(jié)能減排中的作用都無(wú)與倫比,。車載電氣與電子系統(tǒng)種類繁多，現(xiàn)在及以后還有很多機(jī)會(huì)可以利用半導(dǎo)體技術(shù)把節(jié)能減排做得更好,。

Cadence汽車解決方案總監(jiān)羅伯特·施魏格（Robert Schweiger）表示,，首先要重視就是標(biāo)準(zhǔn)電氣系統(tǒng)，例如座椅加熱,、空調(diào),、雨刷器和風(fēng)扇，這些功能的能耗都很大,；其次是汽車行駛中的功能,，例如動(dòng)力轉(zhuǎn)向、防抱死系統(tǒng),、電子穩(wěn)定程序等,，這些都是與半導(dǎo)體技術(shù)強(qiáng)相關(guān)，但是現(xiàn)在還有一些問(wèn)題待解決,。羅伯特·施魏格展開(kāi)說(shuō)：“首先,，每個(gè)功能都有一個(gè)電子控制單元（ECU）；其次,，出現(xiàn)了技術(shù)混搭,。以動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，我曾經(jīng)看到一家一級(jí)供應(yīng)商的演示,，統(tǒng)計(jì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)那部分對(duì)能耗影響最大,，數(shù)據(jù)顯示，從液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能效果最顯著,。和液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總要保持壓力不同,，在需要轉(zhuǎn)向時(shí)，線控系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)電動(dòng)馬達(dá),，為駕駛?cè)藛T提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力。機(jī)動(dòng)車的節(jié)能減排里面有大量創(chuàng)新的機(jī)會(huì),，整車廠在這方面做了很多工作,?！?/p>

信息娛樂(lè)系統(tǒng)功能也很多，但信息娛樂(lè)系統(tǒng)的功能通常耗能都比動(dòng)力系統(tǒng)要低很多,。羅伯特·施魏格表示：“信息娛樂(lè)系統(tǒng)功能很多,，不過(guò)一體化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，以往我們有強(qiáng)大的音頻和導(dǎo)航系統(tǒng),，現(xiàn)在又有基于人工智能的語(yǔ)音識(shí)別和駕駛員監(jiān)控系統(tǒng),，但這些都不會(huì)消耗太多能源?！?/p>

圖：車輛系統(tǒng)耗電列表,；數(shù)據(jù)來(lái)源：Cadence

Rambus研究員、著名發(fā)明家史蒂芬·伍（Steven Woo）表示,，半導(dǎo)體技術(shù)能顯著提高汽車的能效,，例如利用半導(dǎo)體技術(shù)讓發(fā)動(dòng)機(jī)與整車在行駛時(shí)處于更節(jié)能的汽油消耗狀態(tài)。

而且,，半導(dǎo)體本身也在變得更節(jié)能,。史蒂芬·伍解釋：“不管是降低芯片的供電電壓，還是我們?cè)趦?nèi)存和接口方面加速數(shù)據(jù)移動(dòng)以減少功耗的技術(shù),，半導(dǎo)體全行業(yè)都在努力降低碳足跡,。這些努力意味著從電池更少地取電，意味著充電頻次降低,，這些努力需要認(rèn)真考察各種增加碳足跡的途徑（以找出方法降低）,。無(wú)論是提高集成度，提高能效比,，開(kāi)發(fā)出更好的接口與更好的存儲(chǔ)器,，半導(dǎo)體行業(yè)幾十年來(lái)走的軌跡正契合了減少碳足跡的需求?！?/p>

從安全功能到駕駛輔助,、電池管理，以及電子傳動(dòng)系統(tǒng)控制,，芯片在車載系統(tǒng)的所有功能中的重要性都在持續(xù)增加,，而根據(jù)路況自動(dòng)調(diào)整速度以及擁堵規(guī)避等功能，都需要更多的傳感器,，更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,，以及車與基礎(chǔ)設(shè)施之間更可靠的通信。

Fraunhofer IIS的自適應(yīng)系統(tǒng)工程部部門主管羅蘭·揚(yáng)克（Roland Jancke）說(shuō)：“只有用低功耗,、高性能的半導(dǎo)體才能減少碳足跡,，例如，用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)高精度地圖,?！?/p>

根據(jù)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)Strategy Analytics的報(bào)告,，到2027年，電動(dòng)車將占全球輕型車產(chǎn)量的40%左右,。美國(guó)加州規(guī)定,，自2035年起，市場(chǎng)上的新車都必須滿足零排放要求才能銷售,。一款汽車的開(kāi)發(fā)周期很長(zhǎng),，定義一款車，整車廠要能預(yù)測(cè)到7年以后的消費(fèi)需求,，這給芯片廠商增加了壓力,，車載芯片廠商要在架構(gòu)上增加更多靈活性，以適應(yīng)這種長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期中的需求變化,。

Arm 汽車和 IoT 業(yè)務(wù)副總裁柴特·巴博拉（Chet Babla） 表示,，現(xiàn)在趨勢(shì)很明顯，汽車正在集成更多的基于半導(dǎo)體器件的電子功能,，例如沉浸式駕乘體驗(yàn),、車道保持輔助功能等安全特性，以及傳動(dòng)系統(tǒng)管理,，電動(dòng)車在增加半導(dǎo)體使用上尤其突出,。柴特·巴博拉說(shuō)：“假定安全性沒(méi)問(wèn)題，那業(yè)界對(duì)電動(dòng)汽車最大的擔(dān)心就是如何解決‘里程焦慮’問(wèn)題,，即在既定載荷情況下,，盡可能提升電動(dòng)車中電子元件的能源效率，以確保電池電量主要用于動(dòng)力與傳動(dòng)部分,，盡可能降低靜態(tài)狀態(tài)下的耗電,，以免車還沒(méi)啟動(dòng)就沒(méi)電了。采用異構(gòu)半導(dǎo)體計(jì)算架構(gòu),，綜合運(yùn)用多種計(jì)算單元,，例如CPU、GPU,、ISP和專用加速器等,，在處理諸如前向視覺(jué)、多屏顯示以及電池管理等復(fù)雜任務(wù)時(shí),，就能最大化性能功耗比,，從而優(yōu)化電動(dòng)車電池的續(xù)航時(shí)間?！?/p>

重新思考車載芯片與架構(gòu)

提升能效影響芯片和系統(tǒng)的很多因素,，優(yōu)化這些因素則需要軟硬件一體化考慮。Synopsys（新思科技）產(chǎn)品營(yíng)銷和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)高級(jí)總監(jiān)馬克·塞魯蓋蒂（Marc Serughetti）表示：“這種優(yōu)化的對(duì)象包括數(shù)字、模擬與功率電子器件,，約束要求有降低成本,、提高電池管理效率、最大化行駛里程與性能等,，而模塊化集成又使系統(tǒng)度上升，上述因素導(dǎo)致新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的挑戰(zhàn)來(lái)自于軟件和硬件兩方面,，需要系統(tǒng)化考慮,。”

這需要大量的研究探索,、原型開(kāi)發(fā),、建模和測(cè)試，才能在具體芯片或系統(tǒng)中找到最佳均衡點(diǎn),。馬克·塞魯蓋蒂指出需做如下工作：

為更多用戶服務(wù)的集成的多學(xué)科解決方案（電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì),、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)測(cè)試,、校準(zhǔn)）,。這些用戶包括控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員、應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)人員,、固件開(kāi)發(fā)人員,、電力電子工程師、電池管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)工程師,、可靠性工程師、功能安全工程師,、校準(zhǔn)工程師和系統(tǒng)/軟件集成工程師;

能夠交付以應(yīng)用為中心的模型庫(kù),。模型庫(kù)包括電力電子、微控制器和 AUTOSAR 軟件仿真;

從抽象到高保真的多級(jí)快速仿真,?？捎糜谠敿?xì)分析

功能安全、硬件,、軟件,、變異、覆蓋和校正的調(diào)試,、分析和測(cè)試

可集成到現(xiàn)有汽車開(kāi)發(fā)工具流程中的開(kāi)放式接口（FMI,、VSI等）

不過(guò)，提高能效的努力首先擴(kuò)展到了車載半導(dǎo)體的整體開(kāi)發(fā)方法,。

Xilinx汽車業(yè)務(wù)部高級(jí)總監(jiān)威拉德·涂（Tuard Tu）說(shuō)：“問(wèn)題在于這些快速開(kāi)關(guān)的速度,，如果你沒(méi)能利用好，那你就無(wú)法最大限度提升電機(jī)或者充電效率,?！?/p>

實(shí)現(xiàn)快速切換需要不同的技術(shù),。據(jù)報(bào)道，至少有一家整車廠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件,，已經(jīng)從大功率IGBT轉(zhuǎn)換成碳化硅晶體管,。

威拉德·涂（Tuard Tu）表示，從這個(gè)角度看,，我們開(kāi)始看到車載充電的成功,。他說(shuō)：“工業(yè)領(lǐng)域接受碳化硅更快，因?yàn)樗麄儾辉谝鈨r(jià)格,，雖然碳化硅在工業(yè)應(yīng)用上量并不大,，但工業(yè)用戶更在意碳化硅技術(shù)的先進(jìn)性。但電動(dòng)車廠商真正想要的是低成本,，（碳化硅不會(huì)直接帶來(lái)低成本）,，使用碳化硅技術(shù)的好處需要轉(zhuǎn)換視角才能看到：用了碳化硅器件，不僅電機(jī)效率提高,，電機(jī)的體積也變小,，小體積的電機(jī)意味著重量減輕，電機(jī)重量減輕最終會(huì)讓車身重量減輕,，從而加長(zhǎng)續(xù)航里程,。最終，所有這些都會(huì)讓用戶將來(lái)受益,?！?/p>

消除或減少冗余也會(huì)帶來(lái)幫助。當(dāng)汽車正在向輪子上的超計(jì)算機(jī)演進(jìn)時(shí),，冗余度降低了,。Arteris IP的產(chǎn)品管理顧勞米·巴雷特（Guillaume Boillet）表示，算力越來(lái)越高,，系統(tǒng)越來(lái)越優(yōu)雅簡(jiǎn)潔（這降低了復(fù)雜度）,。“隨著技術(shù)提升,，數(shù)據(jù)流通更趨合理,，使用的芯片就會(huì)越少，這是一種（對(duì)芯片使用增加）的平衡,?！?/p>

車載系統(tǒng)日趨復(fù)雜，軟件的重要性也隨之增加,。顧勞米·巴雷特解釋,，像液壓系統(tǒng)被逐漸被更智能的機(jī)電系統(tǒng)替代一樣，過(guò)去無(wú)法由軟件控制的功能，現(xiàn)在已經(jīng)被軟件控制,，從而可以通過(guò)更集中的控制來(lái)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng),。

車外技術(shù)

就像車內(nèi)技術(shù)在發(fā)生巨變一樣，車外技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施也在急速改變,。例如,，在美國(guó)，有百年歷史的電網(wǎng)需要大幅升級(jí)改造,，以滿足為電動(dòng)車快速充電的需求——就像現(xiàn)在加油站給汽車加油一樣,。

為此，美國(guó)能源部電力局提出一種智能電網(wǎng)概念,，將天然氣發(fā)電與可再生能源發(fā)電混合在一起?；旌瞎╇娪?jì)劃依賴相量測(cè)量單元（PMU）,，相量測(cè)量單元主要依靠傳感器監(jiān)控電網(wǎng)，可確保在一種來(lái)源斷電或其他意外發(fā)生時(shí)還能持續(xù)供電,。該概念中還包括大電池,，以滿足對(duì)電力需求的激增。

“想要減少電動(dòng)車的碳足跡,，就需要更多的可再生電網(wǎng),。”Mentor的辛哈補(bǔ)充道,，“隨著電池成本急劇下降,，汽車廠商采用大電池更容易，這就是為什么60到100千瓦時(shí)的電池組越來(lái)越普遍的原因,。這些車在行駛時(shí)都會(huì)消耗大量能源,，不過(guò)，通常一輛車的90%到95%的時(shí)間都停在停車場(chǎng),，這些車如果是電動(dòng)車,，那就可以視為一個(gè)大的‘分布式能源’網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)V2G技術(shù),，這些能源是可以被利用的,?！?/p>

基礎(chǔ)設(shè)施中的另一款拼圖是更快更高效的通信設(shè)施,。5G有望以相同甚至更少的能量消耗傳輸更多的數(shù)據(jù),。

辛哈說(shuō)道：“5G潛力巨大,，半導(dǎo)體不僅對(duì)5G硬件至關(guān)重要,，對(duì)軟件也同樣重要,，特便是人工智能技術(shù)能幫助廠商理解每個(gè)用戶的獨(dú)特需求和行為：我用車習(xí)慣和你有和不同,，你充電喜好和我有什么區(qū)別,，諸如此類的種種信息。再考慮城市中的充電樁位置,，基礎(chǔ)設(shè)施整體狀況,，所有這些信息變量都對(duì)引入更可靠的V2G技術(shù)至關(guān)重要，而這正是5G和人工智能所適用的技術(shù),?！?/p>

毫無(wú)疑問(wèn)，半導(dǎo)體行業(yè)在汽車節(jié)能減排降低碳足跡方面起著基石作用,。

結(jié)論

各車載系統(tǒng)之間的關(guān)系非常復(fù)雜,，相互依賴，相互影響,，因此,，厘清系統(tǒng)之間的相互作用，并找到提高效率的方法是開(kāi)發(fā)人員面臨的巨大挑戰(zhàn),。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)知道每個(gè)系統(tǒng)消耗的能量,，所以重要的是找到一種有效的降低能耗的方法?！?Cadence的羅伯特·施魏格說(shuō),，“比如，我用一個(gè)小的電池,。如果電池小,，那么發(fā)電機(jī)就會(huì)小,；發(fā)電機(jī)小,，需要流過(guò)的電流就比較小,；電流小,，線束就會(huì)小,；線束小,，車就更輕；車更輕,，用更小的引擎就能得到相同的加速度,；引擎小了，就能用更輕的車身架構(gòu),；車身輕了,，就能用更小的剎車……這個(gè)流程反復(fù)迭代，就能形成螺旋效應(yīng),，不斷提高能耗表現(xiàn),。所以,，有些整車廠在這方面對(duì)開(kāi)發(fā)部門的激勵(lì)很大方，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員在其負(fù)責(zé)的系統(tǒng)中每節(jié)省1安培電能,，車廠受益很大——可以把預(yù)算花到其他系統(tǒng)上,，因?yàn)楣氖亲笥译妱?dòng)車成本的關(guān)鍵?！?/p>

另一個(gè)關(guān)鍵因素是ECU,，現(xiàn)在的汽車有上百個(gè)ECU。羅伯特·施魏格指出,，汽車行業(yè)下一代電氣電子架構(gòu)將采用域架構(gòu),，會(huì)大幅整合ECU，減少ECU的使用量,，這意味著域控制器將具有多個(gè)功能,。“半導(dǎo)體本身并不消耗多少能源,，如果我們使用最新的工藝以使其性能更強(qiáng)大,，有時(shí)候功耗還會(huì)下降。半導(dǎo)體能做的還有很多,，所以汽車節(jié)能潛力還有很多待挖掘的地方。域控制器已經(jīng)被采用,，并將在下一代架構(gòu)中得到更大的發(fā)揮空間,。”

所有這些改進(jìn)將使車輛更節(jié)能,，充電時(shí)間更少,，消耗能量更少，續(xù)航里程更長(zhǎng),，而不會(huì)對(duì)環(huán)境造成其他副作用,。半導(dǎo)體是交通運(yùn)輸業(yè)能源革命的核心，提高能效的技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來(lái),，而且將持續(xù)下去,。

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