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汽车行业的5大变化

发布日期:2019-12-12

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新技术的发展将如何改变汽车行业的发展轨迹。


DECEMBER 11TH, 2019 - BY: ED SPERLING


在过去的几个月中,许多汽车行业已开始重新定位和裁员,推迟了全自动驾驶汽车的预计部署,并改变了下一代电动汽车使用的电源和技术的方向。


总而言之,这些转变标志着传统汽车制造商的重大转变,传统汽车制造商发现自己正在追赶特斯拉,Waymo和NIO等公司。他们决心不遗余力,已开始着手缩小现有差距。其中:


  • 开发新的电气化燃料源,包括氢燃料电池和插电式氢燃料电池混合动力车。

  • 利用新的传感器和其他低功耗技术。

  • 固态电池的开发。

  • 将重点转移到更多的车载处理上。

  • 将基本更改部署到业务模型。


所有这些发展都需要大大增加半导体含量,并且随着汽车的电气化程度日益提高,实际上它们已成为带轮超级计算机的地步,这种趋势有望继续。毕马威会计师事务所(KPMG)在一份刚刚发布的报告中估计,这些变化将在未来二十年内将汽车半导体市场从目前的约400亿美元增加到1500亿美元至2000亿美元之间,并且这些数字不包括V2X基础设施或工具和制造设备的增长。


**研究表明,电动机的数量将在十年内超过内燃机,尽管数量可能会因地区而异。伴随着这一转变,将有越来越多的芯片来控制和监视车辆内部的状况以及车辆与外界的交互方式。这些车辆中有多少被供电,如何优化,分配和存储在汽车中的功率,以及如何处理由越来越多的传感器生成的数据的方式和位置也将发生变化。


Synopsys汽车业务副总裁Burkhard Huhnke说:“传统公司现在将重心转移到软件上。” 特斯拉(Tesla)几年前发表声明说,**的车队没有被用于电动汽车。这将立即发生。


不同的燃料


在接下来的几十年中,汽车电气化必将在汽车领域展开竞争。无论这些车辆使用辅助引擎,燃料电池还是以100%的电池电量运行,电动汽车的简单性,响应性和减少的排放量都令人信服。电动马达大约有200个零件,而内燃机则为2,000个零件,这有助于显着降低成本并提高可靠性。在这一点上,几乎每个汽车制造商都在增加汽车中的电子内容,许多人选择电动机作为主要动力总成。


迄今为止的挑战是在电气化的好处和易于使用之间取得平衡。迄今为止,大型汽车制造商(不包括特斯拉,蔚来汽车和其他汽车公司)越来越多地引用一种选择,那就是氢,他们声称氢在未来十年内将与其他燃料竞争。他们认为,这将克服当今电动汽车的一些最大问题,例如电动汽车可以行驶多远,对其充电需要多长时间以及如何在人口较少的地区开发充电基础设施。


充电基础设施和充电时间是电池电动车的两个明显缺点。如果充电器数量不足,人们可能不得不排队等候更长的时间。此外,例如,居住在公寓中的人可能无法使用充电站。在容易断电的地区,紧急情况下可能无法为车辆充电,如果发生洪水或火灾,可能会危及生命。


IDTechEx的技术分析师Luke Gear表示:“电池技术尚未为长途驾驶做好准备。” “阻碍电动汽车发展的是电池和充电基础设施的前期成本。美国约有50%的电动汽车在加利福尼亚出售。根据我们的研究,到2028年,我们将达到内燃机的顶峰,然后销量将下降。


汽车制造商押注氢燃料电池将是这一转变的关键部分。愿景是能够从新的或现有的加油站中抽出像汽油一样的氢气,并具有存储和移动液化氢气的基础设施。但这不是那么简单。


宝马集团高级氢能和电动技术工程师蒙特利·加德纳说:“有了FCEV(燃料电池电动汽车),您将获得高性能和长距离行驶。” “挑战在于额外的氢基础设施和高系统成本。现在,您每年需要制造500,000辆汽车才能获得具有竞争力的成本。


宝马计划明年推出其X5的燃料电池版本。本田,丰田和现代已经在提供燃料电池动力汽车。


现代摩比斯电气动力总成部门高级副总裁Byung-Ki Ahn说:“动力总成燃料电池已经完成。” “现在需要的是热管理,因此我们已经将油直接冷却到一个热点。另外,我们以前使用双面冷却。现在我们使用多层和碳化硅模块。


安恩认为,随着价格下降和规模经济的到来,燃料电池将在未来十年成为汽车中的关键组成部分。


对于汽车制造商来说,最大的问题是这是否足够。特斯拉的快速扩张在上海建立了制造工厂,在老牌汽车制造商中引起了恐慌,并宣布计划在柏林郊外再建一家制造厂。


依靠氢也需要大量的生产和基础设施投资。液态氢难以批量生产,运输和存储。


“氢气会使金属脆化,” Arteris IP**执行官K. Charles Janac说。“有三种存储方式。一种是低温的。第二种是使用金属氢化物。第三是使用有机材料。他们都不满意。


同样不清楚的是,氢能与续航里程高达500英里的电池供电汽车具有竞争力。如果将120英里范围内的电池充电时间减少到少于10分钟,对于大多数人来说,这对于大多数人来说已经足够了


Cadence设计IP营销总监Tom Wong说:“欧洲公司不相信他们可以用电动汽车赚钱。” “但是,如果您能够将锂离子电池的成本降低得足够低,它们将达到一个过渡点,在这一点上,电动汽车将与内燃机竞争。


至少到目前为止,燃料电池也很昂贵。原因之一是它需要用作催化剂的铂。当前的研究涉及铂和钌的合金以降低该成本。但是其中一些成本也可以通过减少其他地区的贵金属来抵消。


Tanaka Kikinzoku副总裁William Crockett说:“目前,铂和钯被用于内燃机的催化转化器。” “我们实际上是将催化转化器今天运往日本,以回收这些材料。氢燃料电池和电动汽车可以节省成本。


新的商业模式,新的技术方法


除了这些转变之外,人们还认识到旧的做事方式不再有效。大众汽车在6月透露,它将自行开发大部分软件,到2025年,其份额将从不到10%增加到超过60%。该公司表示,计划使用约5,000名专家在整个系统中创建一个操作系统。品牌。


西门子业务部Mentor的高级自动驾驶SoC负责人David Fritz说:“他们所看到的只是增量的改进还不够。”为了与特斯拉竞争,他们需要不同的方法,工具和架构。几乎所有的汽车公司都已经意识到他们无法以同样的方式做事。但是最大的挑战是如何实现技术和技能上的飞跃。这是Apple率先推出的模型,您可以在公司内部带来一切可以与众不同的东西。


Arteris IP的Janac同意了。“一级供应商要么变得精通软件和硅,要么长期来看它们的前途渺茫。


新技术


尽管如此,所有这些变化都促使创新有所复兴。一种这样的发展涉及传感器融合,从而在传感器级别添加逻辑,以便可以在数据源而不是集中地进行处理。


“新型传感器之一是惯性传感器,” Fritz说。“当您刹车时,您希望汽车在斜坡上减速一定距离。但这并不总是准确的。如果您能智能地感应,则可以仅在需要时施加制动,从而节省功率并再生能量。


那也有其他好处。通过本地处理,可以大大减少需要发送到汽车中央大脑的数据量。这减少了线束要求,减少了车辆的整体重量,并提高了每次充电的范围。


弗劳恩霍夫(Fraunhofer)的自适应系统工程部推出了一种图像传感器,该传感器仅保存和处理图像中的重要数据,而不是整个图像。这在当今收集最多数据的相机中实现了相同的好处。


一种替代方法是利用现有技术进行更多操作,以减少自动驾驶最终所需的组件和系统的数量。例如,对LiDAR进行了改进,使其可以在比过去更多的天气条件下运行,并且现在还可以测量速度和对物体进行分类。


相同的方法正在应用于提高整车的能源效率,这在利用轮内或轮毂电机的努力中尤为明显。因此,将有两个或四个电动机,而不是由单个电动机驱动车辆。


轮毂电机的想法已经存在了大约一个世纪,最大的问题一直是簧下重量-车辆的那部分没有悬架支撑。使用这种方法需要更改车辆设计,因为它会影响整体行驶和操控。但是,使这项工作具有很大的优势。电动机更小,它们直接与车轮相连,这意味着向前推动汽车所需的能量更少,有更多机会直接利用能量进行推进,并且重量更轻。


看来至少有一些先前的担忧已得到解决。现代摩比斯的安(Ahn)表示,自2011年以来一直在进行开发,预计该技术将在未来几年内商业化。但是,这种方法也有混合动力版本,例如今年早些时候推出的雪铁龙双马达19_19概念车,可以充电行驶800公里(497英里),并在20分钟内充电80%。


图1:雪铁龙的19_19概念车,在今年早些时候的VivaTech会议上与固特异合作开发了轮胎。车轮上的中央轮毂保持固定。照片:半导体工程


下一代电池


电气化的一大挑战是车载储能。锂离子电池昂贵,笨重且易挥发。扩展技术涉及更多的电池,更多的重量和更多的潜在问题。


这是固态电池的安装位置。基于固态电极和电解质,它们易于操作,无需担心会着火。


正在进行许多涉及固态电池的研究项目,例如澳大利亚迪肯大学开发的全固态锂电池。与液体电解质相比,仍然必须解决的问题是电导率降低,尤其是在寒冷的天气下。对于是否有足够的锂来为全电动汽车供电,也存在一些疑问。


Arm研究副总裁Eric Hennenhoefer说:“我们认为地球上没有足够的锂来容纳1万亿个IoT设备和汽车电池。” “大量将必须来自能量收集。


为此,整个行业正在进行着努力。除此之外,随着需求的增加,锂的后处理有望实现,尽管这可能还需要几年的时间。


田中的克罗基特说:“锂的主要来源是澳大利亚。” “去年产量超过20吨。在内华达州还有一个锂矿(距特斯拉的电池厂约200英里),而智利,阿根廷和玻利维亚还有更多的锂矿,被称为“锂三角”。中国通过股票交易投资了40亿美元以进入电动汽车的锂三角电池。但是您还会看到宝马,大众汽车和日本汽车制造商等公司在固态电池技术上进行投资。正在开发许多不同的化学物质。


使得这一点如此重要的是,固态技术更加模块化,可堆叠且更小。它采用棱柱形设计,而不是圆柱体,使用寿命更长,充电速度更快。Crockett说,它们也更容易更换。


更多车载数据处理


另一个重大变化涉及数据处理。几年前,人们普遍认为5G如此普遍,以至于所有车辆的数据都可以以足够的速度来回传送到云中,从而消除了对车载处理的需求。


事实证明,这是站不住脚的,原因有几个。首先,用于5G信号的毫米波频谱中的信号极易受到干扰,并且会迅速衰减。其次,有太多数据无法从云中来回发送,即使在**的情况下,通信也需要花费很长时间才能避免道路上的障碍。第三,在数千英里的道路上,建立和维护中继器网络的成本高昂。


毕马威咨询半导体业务负责人斯科特•琼斯(Scott Jones)说:“ 5G代表了进步,但不足以减轻计算负担,尤其是在6GHz以下频段。” “实际上,半导体含量机会如此之高的原因之一是因为5G不够好。


这是无人驾驶的关键因素。解决所有可能的交互作用和极端情况所需的计算能力非常巨大,并且对于当今的汽车而言太昂贵了。目前的估计是在三台超级计算机的范围内。


第二个因素涉及处理所有潜在的极端情况以及与人为驾驶和自动驾驶车辆以及行人,骑自行车的人,恶劣天气,坑洼,车道变化等交互所需的计算资源的庞大规模和成本。上。


Arm的汽车解决方案主管Robert Day说:“所有的原型都是充满数据中心的箱子。” “那些是不可部署的。它们太大,太耗电且太昂贵。公司对我们的要求是服务器芯片能够以较低的成本提供相同的性能,并且散热效果更好。我们还要求我们提供具有内置功能安全性的高性能CPU。另一件事是新的自动驾驶计算机联盟。AVCC章程的一部分是在2025年的时间范围内进行大规模部署,尽管完全自治要晚得多。但是,这里的新功能是他们已经决定不使用该技术来与众不同。



图2:每个驱动级别的半导体含量和含量值。资料来源:毕马威


这代表方向上的重大变化,因为公司一直将自治视为差异化因素。在所有人共同努力的情况下,它成为基本级别的标准,并且也更快地投放市场。反过来,这对各种电子产品产生了更多的需求。


Synopsys公司的休恩克说:“这是三大汽车制造商(大众,丰田和现代)的思维革命。” “问题是,是否有足够的人才来完成这项工作。最大的问题是思维过程不同。需要花时间。问题是谁可以将重点转移到硬件和软件堆栈上并进行扩展。那是新的战斗。三大巨头有足够的财务能力进行投资,并且全球有很多客户,更不用说很多工作依赖于此工作的员工。但这不会在一夜之间发生。


运输即服务


另一个重大变化涉及车辆的使用方式。大多数分析师认为,拥有不同所有权和使用模式的机会很大。


毕马威(KPMG)的琼斯(Jones)说:“我们看到的是,对于人们非常特定的旅行,出行即服务的机会很大。” “这意味着车辆每年将被使用多达50,000到60,000英里。因此,即使汽车的价格为12万美元,在三年内以每年50,000英里的速度行驶,您也会从汽车上赚钱。我们还在退休领域看到了对此的真正兴趣。即使在每小时30英里的低速下,这也是巨大的机会。


IDTechEx的Gear对此表示同意,并指出这将对汽车使用模式产生重大影响。他说:“自动驾驶冰雹的兴起始于2025年。” “但是,由于政府补贴减少以及美国政府放宽了对汽车的限制,因此尚需时日。补贴将于明年在中国和挪威终止。


补贴长期以来一直是绿色能源。但是随着成本的增加,以及诸如欧洲严格的新排放目标-每公里95克二氧化碳的新法规于2021年推出-当前标准为130克/公里,新标准将于2020年开始分阶段实施-可以帮助推动移动即服务。内燃机将很难满足那些标准,而电动汽车的所有权对于没有地方给汽车充电的人们来说不那么方便。


然而,这是一种不同的看待汽车销售的方式,并且需要不同的设计模型。


Mentor的Fritz说:“您需要将下一代汽车视为一个平面图。” “这是解决问题的另一种方式。因此,您为第5级进行设计,一次就可以达到目标。似乎很多公司都迷路了。


结论


所有这些变化引发了人们对汽车公司十年后的状况的质疑。第1层或电子公司会成为汽车制造商,还是汽车巨头会成为芯片制造商并开发自己的芯片?在这一点上,没有人能确定。尽管特斯拉和新兴的BEV初创企业可能在今天处于**地位,但并不能保证一切都会保持不变。实际上,未来的汽车巨头可能看起来不像今天的汽车制造商,而是电子公司。


不过,显而易见的是,半导体行业将受益于构建这些芯片和系统所需的更多电子产品,更多服务和更多工具。汽车电子行业也通过制造链为设计的其他部分提供支持,这很可能会推动持续数十年的繁荣。


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