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电子系统集成：汽车技术创新的驱动力
日期：2010-10-31     来源：东方汽车网     已阅读：859 次  
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汽车电子市场概览
据业内资深专家预测，未来近90%的汽车创新将来自于电子技术，这其中的80%将通过软件技术的升级实现。电子理论和应用的快速发展，使得很多技术创新成为可能。摩尔定律指出，电子处理能力和内存容量每18个月将增长一番。对于电子供应商，这意味着：
●研发和更新速度高于比其他产业(例如，每三年推出一款新的微型电脑)；●人们期望电子系统在尺寸缩小成本降低的同时，功能不受影响；●系统设计面临着挑战，即如何对日益复杂的功能进行可靠的处理。

根据李德电子研究(ReedElectronicsResearch)公司的预测，2007年全球除信息娱乐系统之外的汽车电子市场规模为354亿美元。在汽车行业，电子技术的增长最快，到2015年将几乎占据一辆车总价值的三分之一(见图1)。
电子技术扮演着系统集成者的角色，为智能化安全系统，或者说认知型安全系统的发展铺平了道路。车辆上各系统间的智能网络(通过CAN、FlexRay或者其他总线通信)提高了系统性能，并促使新系统的诞生。ESC就是一例，它曾被部分专家誉为自安全带以来最重要的汽车安全技术。
如今，诸如雷达和摄像头之类的环境传感器可以与车辆上的其他系统分享传感数据，从而增强安全功能，并带来先进的驾驶辅助系统(见图2)。
软件技术的不断升级是电子技术发展的驱动力。到2005年，每辆汽车的软件千字节呈平稳上升趋势(见图3)。在可预见的未来，电子技术在底盘和驾驶辅助系统上的应用将持续增长。那些提供高质量电子部件和系统，并在性能和成本上能够通过集成来增加产品价值的供应商，将是整车制造商们的首选。
系统集成的进程
系统集成是一个不小的挑战。为运行诸多车载系统，汽车上往往装备了超过80个独立的电子控制单元(ECU)。减少ECU的数目对制造商来说意味着系统降低复杂性、减少部件、简化线束、减轻重量，以及降低成本。在这个领域，丰田汽车的举动受到密切关注，因为该公司提出，在2020年之前，通过对车辆进行重新设计，将使ECU的数量从80多个减少至4个。这四个超级ECU将操控动力传动系统、安全/底盘系统、车身/舒适系统和仪表/信息娱乐系统(见图4)。
要实现四个超级ECU，需要一系列步骤来实现系统集成：
步骤1：通过CAN或FlexRay网络来连接ECU。
步骤2：把所有ECU安装到一个盒子中，例如，把陀螺仪传感器(偏航率传感器)集成到ABS(防抱制动系统)控制器中。
步骤3：集成硅(即集成电路或IC)。
图6是TRW通过各步骤实现从多控制单元到4个主ECU的全面计划。这个例子的重点是主动和被动安全系统的整合，由多传感器提供支持。通过协同工作，主动安全系统帮助驾驶者和车辆避免碰撞的发生，而被动安全系统则在发生碰撞时为驾乘人员提供保护。预计在2020年推出单个安全域(SafetyDomain)ECU。
目前的争论主要集中在软件的集成上，图6中提到的许多技术也展示了硬件、如传感器是如何被集成到多传感器组中，或者包含到ECU包中。实例之一，即TRW的ESC偏航率传感器已经被集成到TRW安全气囊控制单元中，该集成产品已得到市场应用。
角色转换：
从单纯供应商到智能合作伙伴

为了能完全实现安全电子的系统集成，开发商和供应商必须在以下三个主要领域有所作为：传感、控制、执行。
传感
传感技术的进步，为汽车安全的发展开辟了一个新天地。许多里程碑式的安全系统，如ESC，通过偏航率和转向角等惯量传感技术的使用，极大地加强了对车辆的控制。如今，惯量传感已经在现有的数据输入中增加了其他维数，例如，轮速数据通过车辆上的ABS和牵引力控制系统传感器获得。
通过增加由雷达和视觉系统所收集的数据，环境传感技术形成一个有关车辆周围状况(前方、后方及侧面)的更全面的数据报告，使得以多种方法来提供驾驶辅助成为可能。
雷达传感器提供了各种天气及道路状况下，较长、较宽区域内的探测。基于摄像头的视觉系统用于监测车辆前方和后方的路况，是雷达探测系统的补充，视觉监测系统得出的数据将与雷达系统的数据相融合，以确认先前所得出的路况图片的准确性。在TRW的系统中，这些数据每隔30~40ms将被收集和交叉检查一次，我们也称之为“数据融合”(DataFusion)。
数据融合系统的一个例子是自动紧急制动(AutomaticEmergencyBraking，简称AEB)。只有当系统检测到一个碰撞事件可能发生时，AEB系统才启动。该系统可用来降低碰撞的严重程度，有助于保护驾乘人员。如果系统完全剥夺驾驶者对车辆的控制，则设计是有困难的。以AEB为例，设计者能否百分之百地确定，忽略驾驶者的操控而自动施加全部制动力是正确的？来自雷达和摄像头的前方路况探测数据能有助于制动系统更好地作出判断，提高准确率。
传感系统正变得越来越复杂。例如，惯量传感数据可以与雷达及摄像头数据结合起来，然后反馈到车辆的CAN网络，从而建立一个有关不安全道路状况的完整报告。随后，系统可以进行干预、对驾驶者发出警告，或者提供驾驶辅助，以确保车辆控制的稳定性。
控制
显然，今天的车辆比以往的任何车型都更智能。现代轻型乘用车的这一变化，关键得益于由电脑控制的、与CAN网络共享的电子部件的技术进步。如前所述，电控系统的井喷式增长，使得车载ECU的数量迅速增加，下一代车载通信网络FlexRay也应运而生。与以往的通信网络相比，FlexRay速度更快，具有更大的灵活性。
除了复杂性和成本外，产品设计过程中所要考虑的其他要素包括：系统布置、重量，以及能量消耗的增加。减少ECU模块，有助于减轻已经超负荷的12V电压系统的压力。通过更多地使用ECU来减少甚至取消车辆上的部分线束，是减轻重量并减少燃油消耗的有效方法。与此同时，工程设计面临的挑战是，通过硬件、软件和数据网络的捆绑，更高效地利用控制系统，确保先进的集成安全系统成为可能。
由于汽车将使用越来越少的模块来操控越来越多的功能，整车制造商势必更加关注安全和设计可靠性。零部件供应商所面临的挑战包括热管理、芯片集成度、高可靠性基板的开发，以及对车辆内部和外部环境状况的关注。把各种功能集成到一个紧凑的ECU壳体中，需要先进的半导体封装技术，包括具有更高电子集成水平的系统级芯片设计。由于部分ECU的布置靠近车辆的发热区域，因此，开发能够适应环境变化性能稳定的电子部件极为重要。
执行器
在执行器领域，发展趋势是使用更多的电子控制技术，并在部件中增加电机。TRW已经把这种概念成功地运用到其主动安全系统电子驻车制动中。
电子架构的未来趋势
TRW的理念是基于AUTOSAR开发可扩展的、灵活性的电子架构，以实现电子部件的集中化。AUTOSAR架构是建立在软件标准化的概念上，系统因此可以在不同的硬件上成功运行。一个通俗的比喻就是，一台普通的个人台式电脑(硬件)可以安装不同公司的程序(软件)。同样的道理，一个汽车ECU(硬件)可以装载整车制造商自有程序，或其他来源的软件。例如，由第三方机构开发的交通信号监测软件，可以安装到TRW的ECU中
可扩展性对于巴西、俄罗斯、印度和中国(合称BRIC，“金砖四国”)这样的发展中国家和新兴市场来说非常重要。例如，可以为BRIC市场开发一个基础ECU，但是这个ECU必须是可以升级到用于出口的高端市场。灵活性是指ECU在不同环境、不同系统、与不同部件工作的能力。比如，这个ECU可能被用于制动系统，那么它必须要能适应道路灰尘和发动机的热环境；另一个ECU可能被用于转向系统，安装在汽车防火墙的另一侧。
TRW也正在开发新的系统，工程师们正在考虑制造、质量和客户满意度。理想的结果是，产品能够实现80%的标准化(从而以可靠的设计，在TRW全球任意一个工厂得到标准复制)和20%的本地化(以满足个别客户的特殊设计要求)。
毫无疑问，车载电子产品的应用将日渐增长。随之而来的，是更高的标准化和集成化的需求，以提高可靠性、降低复杂性。