汽车移动互连推进智能交通创新发展

jiangyuping

智能交通离我们的生活越来越近，汽车电子的发展将会顺应大家的个性化需求、持续增长的安全性需求、不同地区人口密度要求以及#LINKKEYWORD0#和CO2减排要求等等。汽车移动互连的要求越来越多，对汽车电子的创新也提出了更高的要求(汽车电子的创新在整个行业中占90%)。在未来十年，驱动业界发展的两大趋势将会是互连移动与二氧化碳减排。

恩智浦(NXP)公司汽车网络产品线全球市场及业务发展总监李晓鹤表示，未来的汽车将会实现更智能的连接方式，比如：车载娱乐连接、ATOP(紧急呼叫、道路缴费)远程信息处理(Telematics)、智能车钥匙以及各种主动安全系统等等(图1、图2)。双向车钥匙可以通过读取汽车数据，来控制车内的空调器和加油器；802.11p能够实现车与车之间的连接、车与基础设施之间的连接(比如，智能交通灯根据车流量的情况，给出车速信息，并提示驾驶员保持何种车速可以以绿灯畅行)；车主可以在家通过手机控制车内的连接方式，通过ATOP打开车内空调；对于租车而言，用户可以使用手机与车前方的ATOP模块进行近距离无线通信(NFC)，检测出驾照的各种信息以及银行卡信息，而进行智能租车和付费；车与车的交流，可以计算出车在高速公路上最经济的行驶速度，并看到突发性的事件(比如，其他车的故障)；智能交通灯通过计算车流量和设置不同优先级(比如，如遇医用车、公交车等，能够调整交通灯的改变顺序)，可以保证路口的畅通，并保证优先车辆通过；通过ATOP实现智能保险(根据驾驶的人为习惯，去获得不同的保险费率)；在未来电池车普及之后，在其行驶过程当中，将始终能够维护在车辆的行驶半径(剩余电池)当中，有哪些可用的充电站——因而，在电动汽车普及之后，ATOP必将成为它的标配。另外，Car2X和ATOP也将会无缝地衔接在一起。







网络性能：网络性能体现在更高带宽、更加安全以及设计更加灵活等方面。随着舒适性、安全性和环保的要求，汽车在各个不同模块当中传输的数据量会越来越大，所以系统带宽也随之要求更大；系统通信本身不同模块之间在各种非标准和突发状况下能保证正常通信；在一个平台化设计(比如大众MQB)当中包括很多车型，从而使成本降低。在一个平台的网络设计当中，拓扑结构、功能以及节点能够灵活变化，从而适合若干车型。更强的安全性：据有关研究报告，有黑客能够通过蓝牙、OBD2接口等截获汽车信息，控制某些车体功能。因此，如何保证汽车的保密性，变成了大家关注的一个话题。


车载以太网最早用于诊断，然后因为车载安全性雷达的出现，导致了以太网应用的大幅上升——甚至于车载骨干网都有可能采用以太网连接。另外，在车辆电气化的过程中，无论是从传统车，还是微混、中混、强混，甚至是纯电池车，都会有增压的趋势。


人们在谈到FlexRay时，习惯认为它只是比CAN总线具有更高的带宽，但实际上它主要是一种时域上的仲裁方式。这种方式的最大优势并不是在于它的带宽，而是在于它的安全性，因为它在最坏情况下的延迟是可以预测的。动力总成、传动系中的控制(比如动态减震)，需要不同模块实时进行闭环控制——例如线控，没有实际的机械连接去做转向，而是完全使用线控转向或者刹车。目前的车型主要考虑还是节能和轻质化的优势，而同时又不需要很繁重的机械传动。对于以后的半无人驾驶或者无人驾驶汽车，线控也将成为必然趋势。


系统优化：任何网络部件都是整个电控单元(ECU)中的一部分，所以它们对系统优化将产生很大影响。节能减排可以将网络作为能量控制的一部分。传统上，网络只是用作数据传输的介质，而现在它也被用作车辆能量管理的一部分。很多单元都连接在CAN总线上，开车当中无论是否使用，它们都在工作——总线上一旦存有报文，所有的单元便都被唤醒。这样，其中很多不需要使用的单元便会浪费能源(比如，倒车雷达、座椅、汽车后备箱电机等在很多情况下不需使用)。局部网络(PN)采用在物理上实现连接，在逻辑上加上逻辑层的方法，达到节能目的。PN使部分模块处于低功耗状况，而不在逻辑网络当中(可根据需要使用软件定义)。将网络报文的一部分控制和振荡器等集成到收发器当中，便可自动识别网络报文。去年年底，德国5家车厂联合发布了一项消息，把这项技术作为他们未来车辆推广的一项共同技术。每关闭一个ECU，可以节省0.05g/km CO2排放量。


汽车厂商面临着众多的成本挑战，包括采购、BOM、机械制造和研发成本等等。提高产品的集成度将能够帮助降低采购和制造成本，帮助模块制造商进行平台化设计。提高集成度还能省去ESD保护和共模抑制线圈等。另外，NXP最新的一种被称为带可浸水侧面的HVSON封装，可以通过目测确定焊接效果，降低制造成本。


行业标准化：若各公司都设计自己的标准，将会导致重复开发和资源浪费。对于整体解决方案，产品在开发后并不只是关于收发器的问题，而是所有的器件都连接在总线上。此外，模块制造商在制造一个平台时，考虑的不只是收发器的性能——供应商应能够提供该平台当中各种不同标准的收发器，而行业内也无法容许收发器制造商产品只能被某些车厂接受。NXP的优势便在于其在各车厂中的接受度相当之高。


以太网：以太网并不是一个新鲜的话题，它在民品当中已有很多应用，在汽车的简单诊断系统当中也开始使用。以太网在汽车电子中的大的趋势，将会是用于主干网、摄像头通信和车载娱乐系统。以太网普及对连接方式具有革命性的变化：所有无线通信接口(比如ATOP、CAR2X)，都可以集成到比如宝马的Shark Fin当中，并通过以太网和主控器之间连接起来。NXP作为标准的领导者，发起成立了一个OPEN联盟，包括和博通、飞思卡尔等公司，在Broadreach技术平台上创建以太网。

车载网络为什么要采用以太网呢？其实，这可以参考FlexRay。李晓鹤解释道，FlexRay是一种完全由汽车行业自己制订的技术。在考虑增强带宽的时候，汽车业从FlexRay当中吸取了经验——若再制订一个全新的标准将会耗费很大精力，而现有的以太网能够解决高带宽的需求。但是，传统的以太网不能直接被套用到汽车当中，因为它不是汽车所用的双线标准，而是4线标准(图5)。同时，其抗干扰性能、温度性能没有达到汽车级的要求，因此。大规模的商用还有很长路要走。传统消费电子中百兆和千兆以太网分别是双股双绞线和四股双绞线，而在汽车当中如果要沿用CAN或FlexRay电缆，则必须满足单股双绞线。此外，如果对这种标准做EMC测试，该标准将会严重超标，它们会对其他信号尤其是收音机信号产生严重干扰。而博通公司的BroadR-Reach技术可以沿用双绞线，采用这种标准就可以沿用汽车内部的物理总线。同时其波特率处理，可以达到汽车的要求。目前，NXP作为该技术的授权用户，也正在积极推动其标准化的发展。



目前，NXP已和多家公司共同发起了OPEN联盟：推广者关注于标准的制定，采用者则关注于技术的实施。OPEN联盟的主要工作是制定物理层标准(以太网的数据链路层基本成立)。OPEN联盟有5个技术委员会，分别关注于：BroadR-Reach 100Mbps规范、100Mbps BroadR-Reach的技术许可、更高数据率的汽车以太网、工具支持以及以太网应用到汽车的差距处理。OPEN联盟的主席由宝马出任，秘书长由NXP出任，另外，这几个委员会当中有两个是由NXP参与的。


48V电源网络：目前汽车电子主要由12V供电。未来进一步增进的电气化(例如：空调、供暖系统、车载动态系统、电机风扇、电动转向和电动涡轮增压等)，将会采用大功率电机。若仍采用12V网络供电，就需要增加线径来满足大功率需求，这样就会导致成本和重量的增加。然而，超过60V直流电就必须采用保护人体的特殊措施。48V网络通过提高电压，使电缆直径和执行器体积降低，从而使能源的再生效率提高(图6)。通过这种方式便可降低驱动设备尺寸，从而实现轻质化。同时，采用高压还可降低系统在功率网络当中的电流，从而改善能量流失(比如，刹车能量回收在回收充电当中电流非常大)。



LIN收发器：目前，节点数量增长最快的是LIN节点，因此，最大的问题是如何能够简化设计、缩减LIN节点成本。TJA1027收发器正是针对于此而设计的。在传统LIN的基础上，做功能优化(功能精简)，将LIN在车体控制器和网关当中不需使用的功能(比如INH和wakeup)去掉，便能缩减成本。在空间上，将SO缩减成为HVSON，尺寸/重量缩减70%。其EMC性能达到了业界的标准。


另外，对于电动车的发展前景，他补充道，现在大家都认为电动车的电池太贵，电池充电行驶里程太短。电池成本压缩是电动车普及的关键。因此，电池车普及很可能到2020年也很难实现。很多人想像传统车那样在电池几乎耗尽时再充电，但锂电池寿命在很大程度上取决于其循环深度(较窄)。所以，要延长电池寿命，最好的办法是电池车一有机会就充电，而不是等电量快耗尽了再充电。若要想以相同方式替代传统车，那么技术和成本的优化还有很长的路要走。


对于网络安全方面(例如，引擎控制、刹车控制和车体主干控制)，新入者最难进入的市场——因为即便是一个微处理器坏掉了，影响的只是一个模块；而一个收发器坏掉了，影响的是整个车载网络。所以对这一块而言，收发器较微处理器的进入门槛更高。


随着带宽的增加，以太网将会得到应用，但这并不是替代关系。因为FlexRay是基于时间触发的，它具有很强的安全性。因此，对于车体的动态控制(比如线控)，至少目前还不可能采用以太网。同时，FlexRay具有延迟可预测性和很强的容错机制。所以它们将会是一种并存的关系。

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