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电子系统创新促进汽车走向环保与节能

2008年12月02日 14:10:00 中国传动网

当人们享受以车代步的便利生活之余,汽车无形中也成为人类健康的“隐形杀手”。由于汽车发动机燃烧汽油而向外排放的尾气中含有大量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、细微颗粒物以及硫化物等污染物,这些有害气体扩散到空气中直接污染城市环境危害人类健康,还会进一步扩散到大气中经过化学反应生成二次污染物,对环境造成更不利的影响。近年来,随着生态环境的恶化,各国政府逐步重视汽车尾气排放的污染问题,半导体厂商也致力于开发新的节能技术及产品。 电子系统担纲汽车节能台柱 汽车制造商发现半导体在提高燃油经济、减少排放、提高安全和保持最低总成本方面起到非常重要的作用。半导体首先在发动机方面发挥高精度控制的优势,发动机约占整车15%的成本,电子控制燃油喷射系统约占发动机成本的1/5,电子器件对汽车性能起到重要的支撑作用。 机械式喷油泵技术因燃烧汽油不完全而被市场淘汰,电控燃油喷射系统可有效改善燃油效率已全面取代机械式燃油泵的市场地位。飞思卡尔半导体大中国区业务拓展总监殷钢认为,“最新的电子动力系统控制技术已经证明可以帮助降低排放量、提高燃油效率并将更多引擎动力传输到路面,使新车辆更加经济,并保护环境。”他还用具体数字比较了传统发动机和采用电子燃油喷射系统发动机的节能效率。传统的两冲程发动机中,30~40%的燃油没有燃烧就直接排放到废气中。而采用电子燃油喷射的车辆可以减少大约75%的一氧化碳排放和大约90%的碳氢化物排放,并且可以减少35%燃油使用量。 为满足汽车舒适安全的诉求,符合日益严苛的汽车排放标准,汽车上的电子系统越来越复杂,依赖更多的电子控制单元(ECU)实现管理功能。因此,ECU的核心器件MCU的需求量也水涨船高,高功能和可快速执行大型程序的高性能MCU在汽车上的搭载数量从过去的个位数攀升至如今的两位数。市场调研机构Gartner预测,全球车用MCU市场规模将从2008年的53亿美元迅速增长到2012年63亿美元的水平。该机构指出,车用MCU市场50%的收入源自节能环保汽车的相关需求。 节能议题抬升车用MCU性能指标 随着汽车工业向环保和节能的方向发展,在节能议题的前提下,间接对MCU的性能上有了更多细分的需求。英飞凌科技(中国)有限公司汽车电子业务部总监刘鲁伟分析MCU的性能将朝高运算力、低能耗以及安全可靠方面继续提升。MCU控制任务加重之后,相应的运算能力随之提高,单纯提高芯片的工作频率已经不能满足这一需求,所以今后将进入双核甚至多核;其次,汽车搭载MCU为节省能源消耗,因而引入更多的MCU并不能加重系统能源的负担,MCU节能的指标就是每瓦功率能实现的运算能力;由于汽车系统复杂度大大增加之后,片内闪存和RAM的需求在不断增加,预计带有RAM和闪存的MCU在车载领域进一步扩大应用比例;另外由于系统复杂度的提升,MCU数量大为增加之后,对于芯片的安全性、可靠性和保密性都有很高要求。 Atmel ASIC和ARM基础微控制器传讯经理Peter Bishop观察到,汽车行业通过采用电子控制单元(ECU)管理内燃机的运作方式,来最大限度地减少燃料消耗。但是主要挑战在于车辆系统日益复杂而MCU在满足系统性能的同时,必须自身能耗最小化。此外,车用MCU的品质、性能需要跟随汽车网络新兴标准的同步演进,符合车用电子产品的规格。 车辆电子控制需求的增加将大大促进输入输出端口、存储和计算的能力提升以满足动力总成、安全、底盘等复杂子系统的控制,车辆电子化控制的趋势将进一步刺激32位MCU在汽车领域的应用。根据上述趋势,伟世通亚太区电子产品研发总监Matt Cole预测,“汽车电子将继续朝高集成度方向发展,因为汽车需要的ECU越来越多,集成化是降低价格和复杂度的唯一途径。”当更多的功能集成化之后,低端的ECU和MCU的使用率将大幅下滑,而功能强大的ECU和MCU将获得市场青睐并广泛应用。伟士通现已观察到底盘和车辆控制方面出现集成化的趋势。 毋庸置疑,MCU在能源节省中所扮演的重要角色。当系统功能膨胀化带动MCU使用数量增加,接踵而至的是功耗、板级面积等问题,汽车制造商正在全力进行系统集成,力争减少ECU的数量以降低成本,一般的策略是增加ECU的功能,因此就需要采用32位的MCU集中处理运算任务。 各国相继推出汽车排放标准,提高发动机燃烧效率、减少排放对于动力系统提出更高的要求,排放标准的实施从另一侧面帮助32位MCU主导汽车市场。 “随着日趋严格的排放标准实施,更多32位处理器被应用到动力总成系统领域。”刘鲁伟评价排放标准对车用MCU的影响时说到,“从现实意义上说,反观欧洲北美甚至邻国日本,现行新车80%左右已经采用32位系统,在中国,只是由于生产的惯性和厂家产品线的延续性还保留在16位平台,但32位MCU一定是未来5年的大趋势。” 汽车是一个复杂的系统,除了降低动力引擎部分带来的能耗,还可借助间接手段辅助汽车系统降低能源消耗。刘鲁伟强调,在汽车节能中,单单依靠MCU性能的提升是远远不够的,还需要考虑更多排放控制策略,例如直喷发动机稀薄燃烧等,这些都还需要从外部功率部件,甚至执行器件入手做更多细致的工作。归根结底就是开源节流,节能可以从简单的细节开始,比如水泵/风扇/发电机的PWM控制甚至按需配置功率等,都能系统性的减少能源消耗。 他特别指出,电子系统节能初期成本必然“欲扬先抑”,会增加系统的开支,但长远来看添加电子元件的成本在未来的节能中轻而易举就可收回成本。节能先期需以成本为代价换取,类似的例子在汽车电子领域并不罕见。例如改变现有的油泵继电器为单独驱动,成本可能增加15~20欧元,但是能减少80W电力消耗,换算成用户的燃油一年就能收回成本。以水泵为例,水泵现在大多是发动机皮带直接带动,如果通过三相无刷电机来驱动,整体成本增加大约55欧元,但是能给整车减少300瓦电力消耗,行驶12,000公里约半年就能收回成本。热门的EPS(电动助力转向)能减少250瓦消耗,行驶15,000公里就能收回成本。 “间接节能的方式还包括可编程速度限制和板载导航系统,能够节省因迷路所浪费的能源。”Bishop补充道。 混合动力车只是过渡方案? 面对日益高涨的原油价格,汽车制造商试图寻求新的解决方式,混合动力车市场正在逐步兴起。混合和燃料电池车辆对电源半导体和额外计算性能有特殊的电子需求,以操作指定性能范围内的电动机,提供最大效率。殷刚指出,混合动力车以极少的散热来切换超高电流的需求将促进半导体公司迅速生产更强大、更快速甚至更智能的半导体。这些半导体可在保护设备和负荷的同时,处理日益增强的电流。此外,根据预测,这些相同的电源设备将能检测故障条件,并通知潜在问题的主要微控制器。 Atmel则对混合动力车的前景持不同看法,Bishop认为,“从中期来看,混合动力车辆是向全电动车辆转变的一个中间解决方案。”混合动力车同时装有汽油动力发动机和电动发动机两套系统,在启动、加速、刹车等过程中协调运作,可减少尾气排放节省油耗,但两套系统对汽车成本的增加,市场接受度仍待考察。 相比之下,Cole对混合动力车的前景较为乐观,“只要油价居高不下的情况一天不改善,未来消费者将倾向于选购经济节能的汽车。此外,政府颁布的法规将坚定这样的选购意愿。”他认为制约混合动力汽车发展的价格因素在税收优惠的支持下,伴随OEM生产能力的提高以及混合技术成本的下降,混合动力车的能源节省经济效应终将冲破价格的羁绊。

供稿:国际电子商情

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