嵌入式技术助力汽车业应对54MPG法规带来的挑战

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2012年8月，美国交通部国家公路交通安全管理局(NHTSA)和美国环保局(EPA)共同公布了全新的汽车业企业平均燃油经济性(CAF?)标准。里程数将以一种全新的方式定义，此外，汽车的“排放”将被纳入效率评级中。
         
        到2025年，目标燃油经济性将为每加仑54.5英里(MPG)。当今乘用车的平均燃油经济性为27.8mpg，要实现CAF的54.5mpg的目标，2021年前小轿车需每年平均提高5%的燃油经济性，而轻型卡车需每年提高3.5%，之后所有车辆需提高5%的燃油经济性。欧盟在降低能耗方面已远远超过了美国，并计划在2020年以前实现65MPG的平均燃油经济性。
       
        采用新一代动力总成控制器，可整合更多的功能并大幅增加计算性能，可在提升燃油经济性的诸多方面(以及汽车尾气排放)做出改进。这个由控制器所控制的精密系统远远超出了传统火花点火(SI)引擎和传输控制。包含混合动力电动汽车和插入式混合动力电动汽车(带发动机、电池和系统管理电子)的要求迫使厂商采用与传统改进趋势不同的控制技术。
       
        安全和效率的高增长需求
       
        在动力总成控制中正在出现一种相对不可预见的趋势，即对汽车电子系统安全性的不断需求。设计人员必须确保在规避任何燃料和排放控制机制时，不影响车辆控制单元。
       
        当汽车电子在20世纪70年代首次推出时，所实现的控制功能非常简单——这些汽车电子是分离的，并且没有连接到车辆的其他组件。控制火花塞的组件未与仪表盘的速度表或转速表对接，也没有无线移动电话接口或音响系统。行车电脑是当时最先进的功能，在当时仅仅处于起步阶段。
       
        随着时间的推移，更多的复杂电子以及更多的固定和便携式组件(如无钥门禁系统、音响系统、车载信息系统和无线通信)组合使人们可以访问深嵌在汽车中的控制系统。这些用户可访问的系统可能包含个人和隐私信息，同时，嵌入式系统不可避免地影响到汽车的基本物理行为——如加速、制动、和转向。这些互联功能的新特性意味着，如果车辆的控制或信息系统受到侵害，盗贼便有机会从外部对车辆进行破坏。
       
        通向节能之路
       
        作为汽车动力总成微控制器(MCU)的主要供应商，飞思卡尔半导体以其在电子控制领域促进汽车业开拓同样的方式应对了这些挑战。
       
        图1显示了2012年至2022年间，不同车辆的燃料消耗趋势走向图。通过减少车重和滚动阻力并改进空气动力特性可提高燃油经济性，但符合这些不断变化的标准且最具经济效益和最实际的方法是改进内燃机和汽车电器化。
       
       
        如果制造商未遵守相关规定，可能会受到处罚。同样，购买不符合标准汽车的用户必须支付额外的汽车税。为了减少在非节能高效型汽车上所支付的花费，汽车制造商可利用当前和未来的飞思卡尔Qorivva MCU(如MPC5676R和MPC5777M)所提供的不断增加的性能和功能。
       
        这些飞思卡尔MCU有许多通用特性，如Power Architecture内核、DMA控制器和串行通信接口。它们与上一代动力总成MCU相似，允许传统软件迁移到最新实施方案中；然而，与十年前的老式MCU相比，性能提升了5倍，闪存存储器大小增大了4倍。
        多核MCU的崛起
       
        虽然通过简单地增加操作频率即可提升MCU的性能，但最新的Qorivva MCU实施方案采用多个CPU内核，大大增强了功能，同时减少功耗。如果没有多核架构，由于产生的热量过多以及设计和集成更高频率电路所面临的其他挑战，以经济高效的方式提供满足即将来临的54mpg要求的性能是几乎不可能的。
       
        MPC5676R MCU是首款面向动力总成应用的双核Power Architecture器件，可与上一代单核MPC5674F MCU实现虚拟无缝兼容。它还提供了一组强大的、全新双核特性，以应对虚拟传感和启发式控制算法等全新计算密集型软件的挑战。这些功能使开发人员不再需要大量的外部组件，与传统系统相比，节省了30%的成本，并使高级节能技术更经济实惠。
       
        MPC5777M提供了每核300MHz的性能(比MPC5746M性能高50%)以及2.5到8MB的闪存存储器扩展功能。利用I/O处理器分流计算内核，它还使汽车设计人员可以灵活执行任务并提高了其并行处理能力。MPC5777M还包括新一代安全保护功能，如硬件安全模块和防篡改检测模块，可阻止软件遭受黑客攻击并防止售后篡改。
       
        随着效率标准的不断出台，最新的MCU可帮助汽车制造商采取节能措施，如直接注入燃料、汽缸去活、废气再循环、涡轮增压、自动停止-启动、双离合变速器和先进的阀门控制。在不久的将来，更高级的MCU(目前在开发管道内使用)将允许汽车制造商在实现燃料经济性和排放控制时采用新方法，如均质充量压缩点火(HCCI)、2冲程/4冲程切换、主动式空气动力学和尾气余热回收。