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        智能汽車的發(fā)展趨勢(shì)及主流技術(shù)

        2023-05-30 10:48:04孔蓄
        關(guān)鍵詞:算力架構(gòu)高壓

        孔蓄

        隨著汽車的電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化的不斷推進(jìn),越來(lái)越多的新技術(shù)、新產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生,我們之所以能在智能車領(lǐng)域看到如今百花齊放的景象,底層原因是技術(shù)的不斷進(jìn)步,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是科技的賦能。

        我們想知道車為何能夠自動(dòng)駕駛就需要先了解什么是融合感知、車路協(xié)同、大算力芯片、高精地圖等技術(shù)的內(nèi)涵;想知道電動(dòng)車?yán)m(xù)航的上限在哪,就首先要看看電池技術(shù)到了什么樣的地步,4680電池,無(wú)鈷電池、固態(tài)電池、CTP/CTC、刀片電池、800 V平臺(tái)等;另外像車輛的電子電器架構(gòu)、信息安全、熱管理系統(tǒng)、混動(dòng)技術(shù)、燃料電池技術(shù)這些龐大而復(fù)雜的技術(shù)如同底層地基一般決定著未來(lái)智能汽車的上層建筑。

        在展望2022年車圈有哪些新的進(jìn)展時(shí),我們不妨先圍繞三項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)做一下盤點(diǎn)和解析,一是大算力芯片;二是800 V高壓SiC平臺(tái);三是多域融合的中央計(jì)算架構(gòu)。這三大塊內(nèi)容是2022年迎來(lái)強(qiáng)勢(shì)發(fā)展和規(guī)模上車的關(guān)鍵技術(shù),讓我們挨個(gè)聊一聊。

        1000TOPS大算力計(jì)算平臺(tái)迎來(lái)量產(chǎn)裝車元年

        這一年我們似乎經(jīng)常聽(tīng)到算力TOPS這個(gè)詞,芯片廠商絞盡腦汁地提升自家產(chǎn)品的算力指標(biāo),各家車企也在不斷標(biāo)榜自家的車可以實(shí)現(xiàn)整車多少算力的性能,似乎馬力不再是描述一輛車性能好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn),算力在如今這個(gè)智能車時(shí)代也已走到了舞臺(tái)中央。那么究竟什么是算力呢?

        算力其實(shí)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)描述的是一顆芯片的計(jì)算能力,TOPS是算力的單位,1 TOPS代表處理器每秒鐘可進(jìn)行一萬(wàn)億次(1012)操作,聽(tīng)起來(lái)是不是非??鋸?。其實(shí)我們可以類比人類的大腦,人的大腦一般有100億個(gè)神經(jīng)元,神經(jīng)元越多也意味著越聰明,那么車要想替代人類來(lái)思考就得有更為強(qiáng)大的計(jì)算能力幫助我們識(shí)別和預(yù)測(cè)道路上變化莫測(cè)的環(huán)境,提升我們駕駛的安全性。因此芯片算力越大,能處理和應(yīng)對(duì)的場(chǎng)景和功能就越多,在緊急和復(fù)雜場(chǎng)景下能幫助我們的能力就越強(qiáng)。

        在去年年底廣州車展發(fā)布的沙龍機(jī)甲龍整車算力達(dá)到400 TOPS;

        蔚來(lái)的ET7/ET5配備了包括5個(gè)毫米波雷達(dá)、12個(gè)超聲波雷達(dá)、1個(gè)超遠(yuǎn)距高精度激光雷達(dá)在內(nèi)的33個(gè)高性能傳感器,在4顆英偉達(dá)Drive Orin芯片的加持下,總算力高達(dá)1016 TOPS;

        這還不算完,長(zhǎng)城WEY摩卡在毫末智行聯(lián)合高通研發(fā)的“小魔盒3.0”的加持下算力將會(huì)達(dá)到驚人的1440 TOPS。

        但需要弄清一點(diǎn)上千TOPS的算力不是指單顆芯片而是由多顆芯片集成的一個(gè)超大算力平臺(tái),上面我們提到了蔚來(lái)的超算平臺(tái)ADAM達(dá)到了1016 TOPS是因?yàn)橛?顆單片算力達(dá)到254 TOPS的Orin芯片加持;因此我們也對(duì)目前主流芯片場(chǎng)上的芯片算力做了一個(gè)統(tǒng)計(jì)匯總,看看各家芯片都到了一個(gè)什么樣的水平:

        通過(guò)統(tǒng)計(jì)表我們可以發(fā)現(xiàn)目前在自動(dòng)駕駛域,英偉達(dá)的Orin芯片是已量產(chǎn)芯片中算力最大的,國(guó)產(chǎn)品牌中以黑芝麻的華山2號(hào)A1000Pro為首達(dá)到了單片算力196 TOPS,黑芝麻智能COM楊宇欣就曾表示:“軟件定義汽車的前提是硬件先行,只有將硬件的性能和算力預(yù)備充足,后續(xù)的軟件才能快速實(shí)現(xiàn)迭代升級(jí)和擴(kuò)展功能的應(yīng)用?!?/p>

        因此黑芝麻的發(fā)展戰(zhàn)略就是硬件先行,盡可能大地鋪算力,就像許多追求缸數(shù)和馬力的性能愛(ài)好者一樣,馬力不一定用得到,但必須要有。但任何事都具有兩面性,預(yù)埋的算力空間雖然給足了,那么成本必然會(huì)上去,就看車廠和消費(fèi)者愿不愿意為這部分預(yù)留算力買單了。

        當(dāng)然國(guó)產(chǎn)芯片廠地平線也是十分出色的,去年發(fā)布的征程5芯片達(dá)到了128 TOPS,并且地平線CEO余凱曾多次表示,地平線并不單純追求物理算力,而更看重深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在芯片上的計(jì)算效率,即FPS(Frames Per Second)??此剖且环N更為走經(jīng)濟(jì)路線的意味。

        另外目前在自動(dòng)駕駛的芯片領(lǐng)域國(guó)外的三巨頭英偉達(dá)、高通、英特爾Mobileye的實(shí)力仍舊不容小覷,在CES 2022展會(huì)上,這三家也都拿出了看家的本事,英偉達(dá)宣布了有更多公司將采用其開(kāi)放式的DRIVE Hyperion平臺(tái),像沃爾沃高端品牌極星、蔚來(lái)、小鵬、理想汽車、R汽車和智己汽車均已采用DRIVE Hyperion。

        該平臺(tái)包括高性能計(jì)算機(jī)和傳感器架構(gòu),可滿足完全自動(dòng)駕駛汽車的安全要求。最新一代的DRIVE Hyperion8采用了冗余的NVIDIA DRIVE Orin系統(tǒng)級(jí)芯片、12個(gè)環(huán)繞攝像頭、9個(gè)雷達(dá)、12個(gè)超聲波模塊、1個(gè)前置激光雷達(dá)和3個(gè)內(nèi)部感知攝像頭打造。這套系統(tǒng)具備很強(qiáng)的安全冗余,即使在一臺(tái)計(jì)算機(jī)或傳感器發(fā)生故障的情況下,備份設(shè)備也可確保自動(dòng)駕駛汽車將乘客安全帶到目的地。

        高通在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域推出Snapdragon Ride平臺(tái),能夠滿足L2+/L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛需求。高通近期也宣布了多項(xiàng)合作動(dòng)態(tài),包括助力通用汽車打造凱迪拉克LYRIQ、助力寶馬打造其自動(dòng)駕駛平臺(tái)。同時(shí),高通在展會(huì)上宣布擴(kuò)展其技術(shù)組合,以應(yīng)對(duì)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域不斷變化的需求。

        英特爾的Mobileye更是一連發(fā)布了3顆芯片,分別是EyeQ Ultra,EyeQ 6L和EyeQ 6H。也算是吹響了反攻的號(hào)角。

        未來(lái)芯片的算力將會(huì)是智能汽車發(fā)展的基石,只有算力不斷突破,才能使智能車的智能上限拉的更高。

        800 V高壓SiC平臺(tái)將成為車企的法寶

        前面我們說(shuō)的芯片算力高低決定了一輛車的智能水平,那么接下來(lái)我們要聊的技術(shù)就是決定一輛電動(dòng)車充電快慢的能力。

        要知道充電慢已經(jīng)成為了許多電動(dòng)車用戶的一大痛點(diǎn)也是勸退很多用戶想要嘗試電動(dòng)車的罪魁禍?zhǔn)?,雖然目前也有換電技術(shù)能極大提高補(bǔ)能效率,但由于成本高、推廣難度大等原因制約著其發(fā)展。因此快充是目前發(fā)展?jié)摿ψ畲笠彩亲羁赡艹蔀橹髁鞯囊环N解決方案。

        首先我們要知道充電快慢是由充電功率決定的,那么我們回想一下高中的物理知識(shí),功率=電壓×電流,即P=U*I,所以想要提高充電功率的途徑只有兩條,要么增大電壓,要么提高電流。

        因此從而發(fā)展出兩條技術(shù)路線,一是以特斯拉和極氪為代表的大電流派,二是以保時(shí)捷為代表,其他眾多廠商緊隨支持的高電壓派。先簡(jiǎn)單說(shuō)一下大電流派,這個(gè)流派最大的難點(diǎn)就是由于電流升高導(dǎo)致的發(fā)熱問(wèn)題,同樣引入發(fā)熱公式:Q=I2Rt,可以看到發(fā)熱量會(huì)隨電流的提升而呈指數(shù)倍的增長(zhǎng),因此如何散熱成為了發(fā)展難題,以特斯拉為例,在V3超充樁上以250 kw的功率充電,最大電流可高達(dá)600 A,發(fā)熱量可想而知,但特斯拉應(yīng)用水冷充電槍以及多種熱管理配合使得這一問(wèn)題得以解決。并且特斯拉選用大電流為發(fā)展方向的原因還是成本控制問(wèn)題,因?yàn)楦邏浩脚_(tái)的元器件會(huì)使整車成本上升,以特斯拉目前不斷下探的價(jià)格可以看出,高電壓顯然有些背道而馳。

        那么接下來(lái)說(shuō)回主題高電壓平臺(tái)。傳統(tǒng)的電壓平臺(tái)一般是400 V,高壓平臺(tái)目前是將電壓提升到800 V甚至更高水平,高電壓可以有效解決大電流的發(fā)熱問(wèn)題,低電流+高電壓需要配套高壓充電樁和車端的高壓適配方案。

        充電端:充電槍、接觸器、線束、熔絲等部件要更換升級(jí)成耐高壓材料。

        車端:車輛本身的動(dòng)力電池,空調(diào)壓縮機(jī)、電驅(qū)動(dòng)、PTC、OBC、DC/DC等面向高壓平臺(tái)的零部件都要進(jìn)行新的設(shè)計(jì)和調(diào)整,以適應(yīng)新的高壓平臺(tái)。

        充電端的升級(jí)還好說(shuō),但是車端的元器件升級(jí)則需要新的技術(shù)支持才能實(shí)現(xiàn)。之前說(shuō)到大電流的難題是發(fā)熱問(wèn)題,那么高電壓的限制因素就是目前車規(guī)級(jí)的元器件IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)即絕緣柵雙極型晶體管。

        它的耐高壓能力不足,因此就需要選取新的能耐高壓的材料來(lái)替代現(xiàn)有部件,這個(gè)新材料就是SiC碳化硅。

        SiC器件工作溫度在200℃以上,工作頻率在100 kHz以上,耐壓可達(dá)20 kV,這些性能均優(yōu)于傳統(tǒng)硅基IGBT;SiC器件的體積為IGBT整機(jī)的1/3~1/5,重量是IGBT的40 % ~60 %;還可提升系統(tǒng)的效率,在電動(dòng)汽車不同工況下,SiC器件比IGBT的功耗降低60 % ~80 %,效率可提升1 % ~3 %。

        但也要注意到IGBT在電動(dòng)汽車上的成本占據(jù)約7% ~10 %,是除動(dòng)力電池之外成本第二高的電動(dòng)汽車配件。如果采用SiC,目前同一級(jí)別的SiC MOSFET的成本約是IGBT的8~12倍,并且耗損也大于IGBT。所以,如果用高電壓平臺(tái),如何控制成本也將成為困擾車企的一大難題。

        除了我們前面提到保時(shí)捷的Taycan已經(jīng)使用了800 V高壓平臺(tái),許多國(guó)產(chǎn)品牌也在加速布局。例如像新發(fā)布的小鵬G9將搭載800 V SiC平臺(tái),并配合480 kw高壓超充樁。

        長(zhǎng)城沙龍機(jī)甲龍也支持高壓平臺(tái),另外像比亞迪、東風(fēng)嵐圖、吉利汽車、廣汽埃安、理想汽車、北汽極狐等眾多品牌都將加入到高壓平臺(tái)的陣營(yíng)當(dāng)中。

        因此無(wú)論是大電流和高電壓都是為了提升我們補(bǔ)能的效率,但以目前來(lái)看800 V的SiC高壓平臺(tái)有望成為主流,眾多車企也將搭載這一平臺(tái),因此今年也將是800 V SiC高壓平臺(tái)的發(fā)展元年,雖然還有諸多難點(diǎn)有待解決,但我們可以看到市場(chǎng)的前景是十分不錯(cuò)的。

        汽車電子電氣架構(gòu)由分布式架構(gòu)向多域融合發(fā)展

        聊到這個(gè)話題首先我們需要了解什么是電子電氣架構(gòu)也叫E/E架構(gòu),這個(gè)架構(gòu)是指整車電子電氣系統(tǒng)的總布置方案,即將汽車?yán)锏母黝悅鞲衅?、處理器、線束連接、電子電氣分配系統(tǒng)和軟硬件整合在一起,實(shí)現(xiàn)整車的功能、運(yùn)算、動(dòng)力及能量的分配。

        通俗來(lái)講我們車輛的四輪驅(qū)動(dòng)、安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、升降車窗再到收音機(jī)車載娛樂(lè)系統(tǒng)等功能的實(shí)現(xiàn)都需要在這個(gè)架構(gòu)上完成,并且控制各個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)叫ECU的部件,ECU是指電子控制單元也稱“行車電腦”,ECU的功能相對(duì)單一,基本就是一個(gè)ECU實(shí)現(xiàn)一個(gè)主要功能,那么可想我們車上有那么多的功能就需要幾十種的ECU來(lái)控制,因此在早期的E/E架構(gòu)中是分布式的形式,各個(gè)ECU通過(guò)CAN和LIN總線連接在一起,現(xiàn)在由于自動(dòng)駕駛以及智能座艙的普及,車?yán)锶绻€用分布式ECU來(lái)控制,那么對(duì)于芯片數(shù)量,整車成本以及安全性都提出了很大難題,因此用一個(gè)或幾個(gè)“大腦”來(lái)操控全車的ECU與傳感器的架構(gòu),(Domain Control Unit,DCU)也就應(yīng)運(yùn)而生了。

        目前域控制器典型的是分為動(dòng)力總成、底盤控制、車身控制、自動(dòng)駕駛、智能座艙這5個(gè)主要的域。每個(gè)域有一個(gè)主要的高性能的ECU,負(fù)責(zé)處理域內(nèi)的功能處理和轉(zhuǎn)發(fā)。域內(nèi)部一般使用低速總線,各個(gè)域之間使用高速總線或者現(xiàn)在用的比較多的車載以太網(wǎng)互聯(lián)。

        這些域控制里面比較受關(guān)注的就是自動(dòng)駕駛域控制了。過(guò)去一套ADAS系統(tǒng),要有好幾個(gè)獨(dú)立的ECU才能實(shí)現(xiàn)。比如車道偏移和交通識(shí)別ECU、前向碰撞預(yù)警ECU、泊車輔助ECU、盲區(qū)檢測(cè)ECU,有的還有全景環(huán)視ECU、后防碰撞預(yù)警ECU等,現(xiàn)在有了自動(dòng)駕駛的域控制器后,一個(gè)域就能實(shí)現(xiàn)全部功能,大大提升了底盤的集成度和功能的集中控制。

        未來(lái)E/E架構(gòu)的發(fā)展會(huì)以分布式域集中式、中央計(jì)算式的方向發(fā)展:

        分布式架構(gòu):該架構(gòu)下,ECU與實(shí)現(xiàn)的功能存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

        域集中式架構(gòu):該架構(gòu)對(duì)ECU實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的集成,引入DCU。

        中央計(jì)算式架構(gòu):該架構(gòu)對(duì)DCU實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的集成,所有DCU融入一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)。功能與元件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不復(fù)存在,由中央計(jì)算機(jī)按需指揮執(zhí)行器。

        在域集中式到中央計(jì)算的過(guò)程中,還有一種過(guò)度的形式就是目前許多車企都在嘗試的跨域融合。當(dāng)前形成了兩種主流的跨域融合方案:按功能融合和按位置融合。

        按功能融合:三域架構(gòu)。三域架構(gòu)將全車劃分為整車控制(vehicle domain controller,VDC)、智能駕駛(ADAS domain controller,ADC)、智能座艙(cockpit domain controller,CDC)三大功能域,分別實(shí)現(xiàn)車輛行駛、自動(dòng)駕駛、信息娛樂(lè)等功能。像大眾MEB平臺(tái)的E3架構(gòu)、寶馬iNEXT車型架構(gòu)、華為CC架構(gòu)等均屬于此類。

        按位置融合:按照汽車的物理空間,將全車劃分為多個(gè)區(qū)域,如左車身域、右車身域等。線束數(shù)量能夠大量減少,釋放更多物理空間。特斯拉、豐田等均屬于此類。

        總之未來(lái)的發(fā)展方向一定是向著降熵的方向發(fā)展,分布式意味著復(fù)雜、混亂度高,逐級(jí)整合最終走向統(tǒng)一管理會(huì)使得熵值降低,意味著降本增效,意味著能拓展更多的功能。

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