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發(fā)人員面臨的巨大挑戰(zhàn)。功耗是左右電動車成本的關(guān)鍵，而另一個關(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)，汽車能耗越來越低，乃至實(shí)現(xiàn)零排放。

為應(yīng)對氣候變化而努力至關(guān)重要。根據(jù)美國環(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)動車的燃料消耗超過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)還沒有考慮制造這些機(jī)車所產(chǎn)生的溫室氣體。

“如果我們對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)動車的碳足跡（carbon footprint），就必須從內(nèi)燃機(jī)車開始。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克碳來自于尾氣，大約50克碳來自于燃油循環(huán)，而制造該車輛所消耗的碳為每公里45克。”

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

辛哈解釋道：“電動車的碳足跡要全盤來看，尾氣是沒有了，但電池制造過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^程都需要電，所以用什么樣的電對碳足跡的最終結(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)動車輪轉(zhuǎn)動，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)換為電能來驅(qū)動，他說：“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)動重負(fù)載（泵、壓縮機(jī)和動力轉(zhuǎn)向等）時也更高效，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。”

無論是電動車還是內(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)在還有一些問題待解決。羅伯特·施魏格展開說：“首先，每個功能都有一個電子控制單元（ECU）；其次，出現(xiàn)了技術(shù)混搭。以動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，我曾經(jīng)看到一家一級供應(yīng)商的演示，統(tǒng)計(jì)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)那部分對能耗影響最大，數(shù)據(jù)顯示，從液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為線控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能效果最顯著。和液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總要保持壓力不同，在需要轉(zhuǎn)向時，線控系統(tǒng)才會啟動電動馬達(dá)，為駕駛?cè)藛T提供轉(zhuǎn)向動力。機(jī)動車的節(jié)能減排里面有大量創(chuàng)新的機(jī)會，整車廠在這方面做了很多工作?！?/p>

信息娛樂系統(tǒng)功能也很多，但信息娛樂系統(tǒng)的功能通常耗能都比動力系統(tǒng)要低很多。羅伯特·施魏格表示：“信息娛樂系統(tǒng)功能很多，不過一體化趨勢越來越明顯，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音識別和駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，但這些都不會消耗太多能源?！?/p>

圖：車輛系統(tǒng)耗電列表；數(shù)據(jù)來源：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)動機(jī)與整車在行駛時處于更節(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，還是我們在內(nèi)存和接口方面加速數(shù)據(jù)移動以減少功耗的技術(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）。無論是提高集成度，提高能效比，開發(fā)出更好的接口與更好的存儲器，半導(dǎo)體行業(yè)幾十年來走的軌跡正契合了減少碳足跡的需求。”

從安全功能到駕駛輔助、電池管理，以及電子傳動系統(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：“只有用低功耗、高性能的半導(dǎo)體才能減少碳足跡，例如，用存儲器存儲高精度地圖?！?/p>

根據(jù)市場分析機(jī)構(gòu)Strategy Analytics的報告，到2027年，電動車將占全球輕型車產(chǎn)量的40%左右。美國加州規(guī)定，自2035年起，市場上的新車都必須滿足零排放要求才能銷售。一款汽車的開發(fā)周期很長，定義一款車，整車廠要能預(yù)測到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)這種長開發(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，以及傳動系統(tǒng)管理，電動車在增加半導(dǎo)體使用上尤其突出。柴特·巴博拉說：“假定安全性沒問題，那業(yè)界對電動汽車最大的擔(dān)心就是如何解決‘里程焦慮’問題，即在既定載荷情況下，盡可能提升電動車中電子元件的能源效率，以確保電池電量主要用于動力與傳動部分，盡可能降低靜態(tài)狀態(tài)下的耗電，以免車還沒啟動就沒電了。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、多屏顯示以及電池管理等復(fù)雜任務(wù)時，就能最大化性能功耗比，從而優(yōu)化電動車電池的續(xù)航時間?！?/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)品營銷和業(yè)務(wù)開發(fā)高級總監(jiān)馬克·塞魯蓋蒂（Marc Serughetti）表示：“這種優(yōu)化的對象包括數(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)開發(fā)的挑戰(zhàn)來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、原型開發(fā)、建模和測試，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)、嵌入式軟件開發(fā)、系統(tǒng)測試、校準(zhǔn)）。這些用戶包括控制系統(tǒng)開發(fā)人員、應(yīng)用軟件開發(fā)人員、固件開發(fā)人員、電力電子工程師、電池管理系統(tǒng)開發(fā)人員、電機(jī)驅(qū)動工程師、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。模型庫包括電力電子、微控制器和 AUTOSAR 軟件仿真;

從抽象到高保真的多級快速仿真。可用于詳細(xì)分析

功能安全、硬件、軟件、變異、覆蓋和校正的調(diào)試、分析和測試

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

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

Xilinx汽車業(yè)務(wù)部高級總監(jiān)威拉德·涂（Tuard Tu）說：“問題在于這些快速開關(guān)的速度，如果你沒能利用好，那你就無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)報道，至少有一家整車廠的電機(jī)驅(qū)動器件，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，從這個角度看，我們開始看到車載充電的成功。他說：“工業(yè)領(lǐng)域接受碳化硅更快，因?yàn)樗麄儾辉谝鈨r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。但電動車廠商真正想要的是低成本，（碳化硅不會直接帶來低成本），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)重量減輕最終會讓車身重量減輕，從而加長續(xù)航里程。最終，所有這些都會讓用戶將來受益?！?/p>

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

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，過去無法由軟件控制的功能，現(xiàn)在已經(jīng)被軟件控制，從而可以通過更集中的控制來優(yōu)化整個系統(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，有百年歷史的電網(wǎng)需要大幅升級改造，以滿足為電動車快速充電的需求——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)劃依賴相量測量單元（PMU），相量測量單元主要依靠傳感器監(jiān)控電網(wǎng)，可確保在一種來源斷電或其他意外發(fā)生時還能持續(xù)供電。該概念中還包括大電池，以滿足對電力需求的激增。

“想要減少電動車的碳足跡，就需要更多的可再生電網(wǎng)?！盡entor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100千瓦時的電池組越來越普遍的原因。這些車在行駛時都會消耗大量能源，不過，通常一輛車的90%到95%的時間都停在停車場，這些車如果是電動車，那就可以視為一個大的‘分布式能源’網(wǎng)絡(luò)，通過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)。

辛哈說道：“5G潛力巨大，半導(dǎo)體不僅對5G硬件至關(guān)重要，對軟件也同樣重要，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>

毫無疑問，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發(fā)人員面臨的巨大挑戰(zhàn)。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)知道每個系統(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，“比如，我用一個小的電池。如果電池小，那么發(fā)電機(jī)就會??；發(fā)電機(jī)小，需要流過的電流就比較?。浑娏餍?，線束就會?。痪€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開發(fā)部門的激勵很大方，因?yàn)殚_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氖亲笥译妱榆嚦杀镜年P(guān)鍵?！?/p>

另一個關(guān)鍵因素是ECU，現(xiàn)在的汽車有上百個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功能?！鞍雽?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，有時候功耗還會下降。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?！?/p>

所有這些改進(jìn)將使車輛更節(jié)能，充電時間更少，消耗能量更少，續(xù)航里程更長，而不會對環(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，而且將持續(xù)下去。

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