用芯片减少汽车碳排放——为什么IC在提升汽车及其基础设施的能源效率方面越来越重要

各车载系统之间的关系非常复杂，相互依赖，相互影响，因此，厘清系统之间的相互作用，并找到提高效率的方法是开发人员面临的巨大挑战。功耗是左右电动车成本的关键，而另一个关键因素是ECU汽车节能减排的重担，很大程度上落在了汽车芯片厂商与系统厂商肩上。正是借助车载芯片和电子系统，汽车能耗越来越低，乃至实现零排放。

为应对气候变化而努力至关重要。根据美国环境保护署的数据，交通运输业碳排放量在所有行业中最高，2018年其排放占全球温室气体总排放量的28.2%。交通运输业的温室气体排放主要源自于汽车、卡车、轮船、火车和飞机消耗的化石燃料，目前，这些机动车的燃料消耗超过90%都是基于石油。实际上，交通运输业的碳排放量可能还要高，因为上述数据还没有考虑制造这些机车所产生的温室气体。

“如果我们对减少碳排放重视的话，车辆的电气化就非常重要。” 西门子旗下Mentor事业部的新移动机械分析部总监普内特·辛哈（Puneet Sinha）如是表示，“要了解机动车的碳足迹（carbon footprint），就必须从内燃机车开始。假设一辆内燃机汽车的行驶里程在12000至16000英里之间，则其使用期间的碳足迹大约是260克每公里，其中约有160至165克碳来自于尾气，大约50克碳来自于燃油循环，而制造该车辆所消耗的碳为每公里45克。”

混合动力汽车能源效率更高。相比内燃机车，混合动力机车尾气排放可以降低60%至70%。对于纯电动车，尾气排放是零。但是，发电与电动车制造过程仍在产生碳排放。即便采用清洁能源（例如太阳能和风能等）来发电，在生产发电设备时，仍然留下了碳足迹。电力需要存储在电池中，而制造电池芯与电池组都是高耗能行业。

辛哈解释道：“电动车的碳足迹要全盘来看，尾气是没有了，但电池制造过程中生成的碳足迹比车辆制造和燃油循环还要高。因为所有过程都需要电，所以用什么样的电对碳足迹的最终结果影响很大。越多采用可再生电力，碳足迹就越小。因此，这就有半导体发挥作用的空间。考虑到可再生能源的周期性，不管是太阳能，还是风能，都需要用功率电子器件将可再生能源转换成电网中的电。”

不少人支持辛哈的观点，安森美（ON Semiconductor）全球汽车战略和业务发展副总裁约瑟夫·诺塔罗（Joseph Notaro）就表示，内燃机车把燃料的化学能转换为机械能以驱动车轮转动，各种车载电子设备（例如安全、舒适和排放控制）也需要将燃料能量转换为电能来驱动，他说：“如果能源不是消耗在上述用途中，只能增加车辆的油耗与二氧化碳排放。降低车辆能源浪费的一个方法就是减少车载电能耗散与降低车身重量。高压功率半导体器件是新型48V架构的核心，通过高压功率半导体器件，可以实现更高效的能源回收，在驱动重负载（泵、压缩机和动力转向等）时也更高效，从而显著降低能耗。所以，提高直流转换器的效率、降低电源待机电流，以及采用更智能的数据处理以减少汽车内部的数据带宽，所有这些措施从每毫瓦能源消耗角度来细扣，都有助于提高燃油经济性，及减少二氧化碳排放。”

无论是电动车还是内燃机车，半导体在节能减排中的作用都无与伦比。车载电气与电子系统种类繁多，现在及以后还有很多机会可以利用半导体技术把节能减排做得更好。

Cadence汽车解决方案总监罗伯特·施魏格（Robert Schweiger）表示，首先要重视就是标准电气系统，例如座椅加热、空调、雨刷器和风扇，这些功能的能耗都很大；其次是汽车行驶中的功能，例如动力转向、防抱死系统、电子稳定程序等，这些都是与半导体技术强相关，但是现在还有一些问题待解决。罗伯特·施魏格展开说：“首先，每个功能都有一个电子控制单元（ECU）；其次，出现了技术混搭。以动力转向系统为例，我曾经看到一家一级供应商的演示，统计动力转向系统那部分对能耗影响最大，数据显示，从液压助力转向系统转换为线控动力转向系统节能效果最显著。和液压动力转向系统总要保持压力不同，在需要转向时，线控系统才会启动电动马达，为驾驶人员提供转向动力。机动车的节能减排里面有大量创新的机会，整车厂在这方面做了很多工作。”

信息娱乐系统功能也很多，但信息娱乐系统的功能通常耗能都比动力系统要低很多。罗伯特·施魏格表示：“信息娱乐系统功能很多，不过一体化趋势越来越明显，以往我们有强大的音频和导航系统，现在又有基于人工智能的语音识别和驾驶员监控系统，但这些都不会消耗太多能源。”

图：车辆系统耗电列表；数据来源：Cadence

Rambus研究员、著名发明家史蒂芬·伍（Steven Woo）表示，半导体技术能显著提高汽车的能效，例如利用半导体技术让发动机与整车在行驶时处于更节能的汽油消耗状态。

而且，半导体本身也在变得更节能。史蒂芬·伍解释：“不管是降低芯片的供电电压，还是我们在内存和接口方面加速数据移动以减少功耗的技术，半导体全行业都在努力降低碳足迹。这些努力意味着从电池更少地取电，意味着充电频次降低，这些努力需要认真考察各种增加碳足迹的途径（以找出方法降低）。无论是提高集成度，提高能效比，开发出更好的接口与更好的存储器，半导体行业几十年来走的轨迹正契合了减少碳足迹的需求。”

从安全功能到驾驶辅助、电池管理，以及电子传动系统控制，芯片在车载系统的所有功能中的重要性都在持续增加，而根据路况自动调整速度以及拥堵规避等功能，都需要更多的传感器，更强的数据处理能力，以及车与基础设施之间更可靠的通信。

Fraunhofer IIS的自适应系统工程部部门主管罗兰·扬克（Roland Jancke）说：“只有用低功耗、高性能的半导体才能减少碳足迹，例如，用存储器存储高精度地图。”

根据市场分析机构Strategy Analytics的报告，到2027年，电动车将占全球轻型车产量的40%左右。美国加州规定，自2035年起，市场上的新车都必须满足零排放要求才能销售。一款汽车的开发周期很长，定义一款车，整车厂要能预测到7年以后的消费需求，这给芯片厂商增加了压力，车载芯片厂商要在架构上增加更多灵活性，以适应这种长开发周期中的需求变化。

图：美国加州规定 2035年时只允许零排放新车销售

图源：Associated Press News

Arm 汽车和 IoT 业务副总裁柴特·巴博拉（Chet Babla） 表示，现在趋势很明显，汽车正在集成更多的基于半导体器件的电子功能，例如沉浸式驾乘体验、车道保持辅助功能等安全特性，以及传动系统管理，电动车在增加半导体使用上尤其突出。柴特·巴博拉说：“假定安全性没问题，那业界对电动汽车最大的担心就是如何解决‘里程焦虑’问题，即在既定载荷情况下，尽可能提升电动车中电子元件的能源效率，以确保电池电量主要用于动力与传动部分，尽可能降低静态状态下的耗电，以免车还没启动就没电了。采用异构半导体计算架构，综合运用多种计算单元，例如CPU、GPU、ISP和专用加速器等，在处理诸如前向视觉、多屏显示以及电池管理等复杂任务时，就能最大化性能功耗比，从而优化电动车电池的续航时间。”

重新思考车载芯片与架构

提升能效影响芯片和系统的很多因素，优化这些因素则需要软硬件一体化考虑。Synopsys（新思科技）产品营销和业务开发高级总监马克·塞鲁盖蒂（Marc Serughetti）表示：“这种优化的对象包括数字、模拟与功率电子器件，约束要求有降低成本、提高电池管理效率、最大化行驶里程与性能等，而模块化集成又使系统度上升，上述因素导致新设计开发的挑战来自于软件和硬件两方面，需要系统化考虑。”

这需要大量的研究探索、原型开发、建模和测试，才能在具体芯片或系统中找到最佳均衡点。马克·塞鲁盖蒂指出需做如下工作：

为更多用户服务的集成的多学科解决方案（电力电子系统设计、嵌入式软件开发、系统测试、校准）。这些用户包括控制系统开发人员、应用软件开发人员、固件开发人员、电力电子工程师、电池管理系统开发人员、电机驱动工程师、可靠性工程师、功能安全工程师、校准工程师和系统/软件集成工程师;

能够交付以应用为中心的模型库。模型库包括电力电子、微控制器和 AUTOSAR 软件仿真;

从抽象到高保真的多级快速仿真。可用于详细分析

功能安全、硬件、软件、变异、覆盖和校正的调试、分析和测试

可集成到现有汽车开发工具流程中的开放式接口（FMI、VSI等）

不过，提高能效的努力首先扩展到了车载半导体的整体开发方法。

Xilinx汽车业务部高级总监威拉德·涂（Tuard Tu）说：“问题在于这些快速开关的速度，如果你没能利用好，那你就无法最大限度提升电机或者充电效率。”

实现快速切换需要不同的技术。据报道，至少有一家整车厂的电机驱动器件，已经从大功率IGBT转换成碳化硅晶体管。

威拉德·涂（Tuard Tu）表示，从这个角度看，我们开始看到车载充电的成功。他说：“工业领域接受碳化硅更快，因为他们不在意价格，虽然碳化硅在工业应用上量并不大，但工业用户更在意碳化硅技术的先进性。但电动车厂商真正想要的是低成本，（碳化硅不会直接带来低成本），使用碳化硅技术的好处需要转换视角才能看到：用了碳化硅器件，不仅电机效率提高，电机的体积也变小，小体积的电机意味着重量减轻，电机重量减轻最终会让车身重量减轻，从而加长续航里程。最终，所有这些都会让用户将来受益。”

消除或减少冗余也会带来帮助。当汽车正在向轮子上的超计算机演进时，冗余度降低了。Arteris IP的产品管理顾劳米·巴雷特（Guillaume Boillet）表示，算力越来越高，系统越来越优雅简洁（这降低了复杂度）。“随着技术提升，数据流通更趋合理，使用的芯片就会越少，这是一种（对芯片使用增加）的平衡。”

车载系统日趋复杂，软件的重要性也随之增加。顾劳米·巴雷特解释，像液压系统被逐渐被更智能的机电系统替代一样，过去无法由软件控制的功能，现在已经被软件控制，从而可以通过更集中的控制来优化整个系统。

车外技术

就像车内技术在发生巨变一样，车外技术与基础设施也在急速改变。例如，在美国，有百年历史的电网需要大幅升级改造，以满足为电动车快速充电的需求——就像现在加油站给汽车加油一样。

为此，美国能源部电力局提出一种智能电网概念，将天然气发电与可再生能源发电混合在一起。混合供电计划依赖相量测量单元（PMU），相量测量单元主要依靠传感器监控电网，可确保在一种来源断电或其他意外发生时还能持续供电。该概念中还包括大电池，以满足对电力需求的激增。

“想要减少电动车的碳足迹，就需要更多的可再生电网。”Mentor的辛哈补充道，“随着电池成本急剧下降，汽车厂商采用大电池更容易，这就是为什么60到100千瓦时的电池组越来越普遍的原因。这些车在行驶时都会消耗大量能源，不过，通常一辆车的90%到95%的时间都停在停车场，这些车如果是电动车，那就可以视为一个大的‘分布式能源’网络，通过V2G技术，这些能源是可以被利用的。”

基础设施中的另一款拼图是更快更高效的通信设施。5G有望以相同甚至更少的能量消耗传输更多的数据。

辛哈说道：“5G潜力巨大，半导体不仅对5G硬件至关重要，对软件也同样重要，特便是人工智能技术能帮助厂商理解每个用户的独特需求和行为：我用车习惯和你有和不同，你充电喜好和我有什么区别，诸如此类的种种信息。再考虑城市中的充电桩位置，基础设施整体状况，所有这些信息变量都对引入更可靠的V2G技术至关重要，而这正是5G和人工智能所适用的技术。”

毫无疑问，半导体行业在汽车节能减排降低碳足迹方面起着基石作用。

结论

各车载系统之间的关系非常复杂，相互依赖，相互影响，因此，厘清系统之间的相互作用，并找到提高效率的方法是开发人员面临的巨大挑战。

“现在我们已经知道每个系统消耗的能量，所以重要的是找到一种有效的降低能耗的方法。” Cadence的罗伯特·施魏格说，“比如，我用一个小的电池。如果电池小，那么发电机就会小；发电机小，需要流过的电流就比较小；电流小，线束就会小；线束小，车就更轻；车更轻，用更小的引擎就能得到相同的加速度；引擎小了，就能用更轻的车身架构；车身轻了，就能用更小的刹车……这个流程反复迭代，就能形成螺旋效应，不断提高能耗表现。所以，有些整车厂在这方面对开发部门的激励很大方，因为开发人员在其负责的系统中每节省1安培电能，车厂受益很大——可以把预算花到其他系统上，因为功耗是左右电动车成本的关键。”

另一个关键因素是ECU，现在的汽车有上百个ECU。罗伯特·施魏格指出，汽车行业下一代电气电子架构将采用域架构，会大幅整合ECU，减少ECU的使用量，这意味着域控制器将具有多个功能。“半导体本身并不消耗多少能源，如果我们使用最新的工艺以使其性能更强大，有时候功耗还会下降。半导体能做的还有很多，所以汽车节能潜力还有很多待挖掘的地方。域控制器已经被采用，并将在下一代架构中得到更大的发挥空间。”

所有这些改进将使车辆更节能，充电时间更少，消耗能量更少，续航里程更长，而不会对环境造成其他副作用。半导体是交通运输业能源革命的核心，提高能效的技术不断涌现出来，而且将持续下去。

文章来源：https://semiengineering.com/using-ics-to-shrink-autos-carbon-footprint/

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