用芯片減少汽車碳排放——為什么IC在提升汽車及其基礎(chǔ)設(shè)施的能源效率方面越來越重要

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、火車和飛機消耗的化石燃料，目前，這些機動車的燃料消耗超過90%都是基于石油。實際上，交通運輸業(yè)的碳排放量可能還要高，因為上述數(shù)據(jù)還沒有考慮制造這些機車所產(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)部的新移動機械分析部總監(jiān)普內(nèi)特·辛哈（Puneet Sinha）如是表示，“要了解機動車的碳足跡（carbon footprint），就必須從內(nèi)燃機車開始。假設(shè)一輛內(nèi)燃機汽車的行駛里程在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)燃機車，混合動力機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。因為所有過程都需要電，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。考慮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，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)燃機車把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機械能以驅(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，可以實現(xiàn)更高效的能源回收，在驅(qū)動重負(fù)載（泵、壓縮機和動力轉(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)濟性，及減少二氧化碳排放?！?

無論是電動車還是內(nèi)燃機車，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。機動車的節(jié)能減排里面有大量創(chuàng)新的機會，整車廠在這方面做了很多工作?！?

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?！?

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。”

根據(jù)市場分析機構(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。

圖：美國加州規(guī)定 2035年時只允許零排放新車銷售

圖源：Associated Press News

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、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)體計算架構(gòu)，綜合運用多種計算單元，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?！?

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。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、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?？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或者充電效率?！?

實現(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，因為他們不在意價格，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，不僅電機效率提高，電機的體積也變小，小體積的電機意味著重量減輕，電機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?！?

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算機演進(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）。“隨著技術(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╇娪媱澮蕾囅嗔繙y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?！?

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)?！?

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)電機就會小；發(fā)電機小，需要流過的電流就比較??；電流小，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，因為開發(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，因為功耗是左右電動車成本的關(guān)鍵?！?

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?！?

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。

文章來源：https://semiengineering.com/using-ics-to-shrink-autos-carbon-footprint/

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