汽车行业的重大飞跃

目前,汽车行业正在经历着自从汽车进入大众市场以来最深刻的变革。
Oldtimer-car-Cuba

当您读到这些页面时,汽车行业正在处于一个巨大的进化飞跃的早期。其核心是环境、社会和经济驱动因素与技术创新之间的碰撞。具体来说,上述技术包括泛在传感器网络、价格低廉且丰富的处理能力和无线通信。自从大批量生产、内燃机驱动的汽车上路以来,作为曾经只是由驾驶员控制的机械装置的汽车首次变得“有知觉”。汽车的这种知觉与人类不同,但其仍然能够感知周围的环境、与其周围的设施进行通信并帮助其驾驶员,并且往往能够帮助驾驶员克服人类限制。在不久的将来,上述技术将完全接管车辆的控制权。

道路车辆运输行业的二氧化碳 (CO2 ) 排放量占全球二氧化碳排放量的大约 16% 左右,因此正面临着减少其温室气体排放以限制其对气候变化的影响的挑战,同时各国政府正在推动着向新推进系统和净零碳燃料源的转变。公众也期望增强我们的道路安全性,因为每年约有 130 万人死于车祸,估计还有多达 5000 万人遭受非致命伤害。此外,为了弥补当今更复杂的车辆的更高部件成本和全球产出的停滞,汽车制造商正在更新其商业模式以保持盈利,而私人和商业客户正在改变其消费模式以适应新常态。

这是汽车行业的独特而令人兴奋的时刻,也是该行业历史上首次拥有随机应变以满足各类挑战性需求所需的技术工具包。通过互联网、智能手机、持续的实时通信和社交媒体改变社会的此种趋势,现在也准备改变汽车行业的方方面面。由于汽车行业的生产周期很长,因此其变革之旅的第一段将跨越未来三到四年,并且相关机构已经为其制定了路线。各个汽车研发团队正忙于为我们在本十年期结束之际看到的车辆奠定基础。但是,这种持续的进化飞跃在未来几十年中会将我们带向何处,没有人可以预料。

新推进系统和燃料源

在众多不确定性中,有一点是清楚的:随着二氧化碳 (CO2) 排放法规开始发挥作用,化石燃料汽车的鼎盛时期已经结束。挪威禁止销售新型 ICE(内燃机)汽车的禁令将于 2025 年生效。到 2030 年,爱尔兰、冰岛和丹麦将不再销售完全由化石燃料驱动的汽车。并且,从 2035 年开始,全球最大的汽车市场中国将紧随其后,禁止销售标准内燃机汽车,并将混合动力汽车的销量限制在 50%。与此同时,大众汽车将在 2026 年之前逐步停止开发化石燃料动力汽车平台,并将投资 800 亿美元向电动车辆 (EV) 过渡到 2025 年,捷豹将成为纯电动汽车,宾利和沃尔沃(到 2030 年)以及通用汽车(到 2035 年)将紧随其后。

通过互联网、智能手机、持续的实时通信和社交媒体改变社会的此种趋势,现在也准备改变汽车行业的方方面面。

根据“世界经济论坛”和“麦肯锡”的一项调查,消费者情绪也在发生变化。在新冠疫情肆虐的第一年,全球消费者对汽车 OEM 的评价有所提高。在亚洲,对其持正面看法的受访者比例上升了 12%。在北美和欧洲,该数值增长了 7%。与此同时,83% 的北美和亚洲受访者表示对购买电动车辆的兴趣增加,而在疫情出现之前已经非常积极的欧洲,三分之二的受访者表示其兴趣保持不变或有所增加。

尽管有明显迹象表明潮流正在发生变化,但化石燃料动力汽车仍将存在一段时间,而不仅仅是因为其成本较低。汽车的平均寿命超过 11 年。半挂卡车的平均寿命约为 15 到 16 年。因此,即使像 ABI Research 预测的那样,到 2029 年,插电式混合动力汽车和纯电动汽车的新车销量增长到 25% 以上,其也需要更长的时间才能超过 ICE 汽车的保有量。

在此期间,辅助服务和基础设施将获得充足的调整时间。汽车修理厂将受到需求降低的打击,因为与内燃机汽车相比,电动车辆的零件少得多且不需要换机油,需要的维护更少。与汽油不同,或多或少,电能几乎随处可用。因此,加油站将被迫为电动车辆充电,以满足新车队的需求并扩大电动车辆充电网络。而且,家庭、商业建筑和办公场所将需要安装充电设施以满足不断增长的需求。

燃料电池通过让氢和氧发生反应来产生电力,为电动车辆提供了另一种动力。与今天的化石燃料动力车队一样,燃料电池动力汽车 (FCEV) 需要前往专用加氢站为其氢气罐补充燃料。化石燃料车辆会排放有毒气体混合物,但 FCEV 仅会排放水。FCEV 的传动系统与各种电动车辆都大致相同,因此在续航里程方面可以胜过电动车辆,同时不会增加太多重量:与每公斤电池可产生大约 5 兆焦耳的热量相比,每公斤氢气可产生 120 兆焦耳的热量。虽然美国预计 FCEV 商用车市场将大幅扩张,但日本、韩国、中国和欧洲也为乘用车设定了雄心勃勃的目标。

最后是合成燃料。合成燃料可以利用现有的汽油和柴油供应基础设施,同时也可以消除其对环境有害的副作用。在研究合成燃料开发的众多汽车制造商中,保时捷仅是最新的参与者。使用合成燃料后,其现有车辆有可能像电动车辆一样“绿色环保”,同时无需对发动机进行更改。其正在试验的燃料将通过使用可再生能源与二氧化碳 (CO2) 和氢气相结合的方式来制造,目的是创造一种与当今燃料非常相似的可燃液体。虽然化石燃料将埋在地下数百万年的碳带回大气中,但保时捷和其他汽车制造商提出的合成燃料使用的是已经在循环中的二氧化碳 (CO2)。

辅助和自动驾驶

汽车制造商一直在努力提高其车辆的安全性,这通常也是法律的要求。挡风玻璃雨刮器、安全带和安全气囊,以及 ABS、泊车摄像头和盲点警告等不同形式的辅助装置,均属于多年来新增的功能。现在,为我们带来物联网的技术三巨头(泛在传感器网络、价格低廉且丰富的处理能力和无线通信)正在将辅助和自动驾驶提升到新的高度,将汽车和其他车辆转变为提高道路安全的活性剂,坦白地说,让我们成为更好的驾驶员。

尽管高度辅助和自动驾驶汽车需要能够感知其周围环境,但专门用于感知环境的传感器设置与利用各种不同传感技术的汽车制造商的数量一样多。举例来说,蓝牙可用于检测和验证接近的驾驶员并解锁车门。泊车时,GNSS(全球导航卫星系统)接收机可以检索上次存储的位置,或者,如果在室外,则继续获取新的定位并将其提供给车载导航系统。超声波或毫米波段雷达可以检测到汽车周围的低洼障碍物,并与具有更大视野的摄像头配合,帮助车辆离开停车位并汇入车流中。车辆上路后,摄像头、雷达和激光雷达的组合就可以持续收集有关周围交通标志、障碍物和其他交通参与者的信息。同时,一组互补的互联传感器将监控车辆的性能以及驾驶员在必要时接管车辆控制权的准备情况。

无线通信将车辆的传感器扩展到其自身的边界之外。通过基于短程通信 (DSRC) 或蜂窝通信技术 (C-V2X) 的车辆到万物 (V2X) 通信,车辆将能够相互交换信息以实施复杂的操作,包括并线、超车或应对四向停车标志。该技术可用于向车辆提供附近交通标志的实时信息、交通灯的状态,以及当存在骑自行车者或行人等易受伤害的交通参与者时发出警报。举例来说,该技术甚至被设计成允许车辆以所谓的集体感知方式访问其他车辆的摄像头和传感器,以更好地评估计划操作的安全性。

最后,通信将扩展到云端,将车辆与各种增值服务和功能连通起来。因此,车辆将能够下载始终最新的周围环境的高清 (HD) 地图,以了解其环境、其在空间中的定位及其路线上的任何障碍。与卫星定位一起,高清地图对于授权高度但非完全自动驾驶的汽车在指定区域内实施自动驾驶至关重要。此外,通往云端的数据管道还将支持汽车制造商在售后中与其车辆保持联系,以跟踪车辆性能,在车辆造成伤害之前检测到任何恶化迹象,并增强车辆功能。

处理车载传感器和传入无线通信收集的大量数据并将其转化为行动,需要一个专为图像识别、路径映射和性能优化而设计的高性能计算平台,以及功能丰富的人机界面。英伟达等公司已经开发出专用的超级计算平台,利用人工智能来提供高度自动化和自动驾驶汽车所需的计算能力。与此同时,松下最近推出了一种功能丰富的增强现实平视显示器 (AR HUD),预计最早会在 2024 年部署在车辆中。HUD 通过将导航指引、高级碰撞警告、交通信息等内容投射到驾驶员的视野中来呈现相关信息。

在撰写本文时,第一批商用车正在从提供高级驾驶辅助 (ADAS)(驾驶员始终需要保持车辆控制权(称为 1 级和 2 级))过渡到自动驾驶 (AD)(其中,驾驶员可以在范围不断扩大且明确定义的场景中放弃控制权(称为 3 级和 4 级))。在日本作为限量版提供的本田 Legend,可在交通拥堵中实现 3 级自动驾驶。通往全自动驾驶(随时随地(5 级))的道路将是一个谨慎、渐进的过程,仍需要数年时间才能逐渐明朗。安全抵达目的地取决于能够管理所涉及的各种级别的风险,从传感器和通信性能中断到传感器干扰、欺骗和其他网络安全威胁。

重新开始

开发支持规模化经营的商业模式可能需要与开发互联车辆本身一样多的独创性。对于电动化而言,总部位于美国硅谷的特斯拉一直在设定创新步伐,同时向大众市场销售其车辆,展示其车辆可以做些什么。该公司以附近的大型科技行业的人才为基础,围绕其感知、处理和遵从数据的能力从头开始设计车辆。此方式迫使老牌汽车制造商(其中的许多制造商已经在电动化领域迎头赶上)从根本上重新考虑其车辆平台,并加大对软件开发的投资。最终,此趋势导致重新开始,对汽车的硬件和软件架构进行彻底的重新设计。

汽车制造商为降低电动车辆的硬件成本而采用的一种方法是采用模块化车辆设计,其中包含可在其整个产品组合中重复使用的元件。举例来说,雷诺-日产-三菱联盟已经开发了其 CMF-EV(通用模块系列 - 电动车辆)平台,并打算基于此平台制造几款新的电动车型。其他示例包括戴姆勒-梅赛德斯的电动车辆 EVA 平台、大众的模块化电驱动 (MEB) 矩阵平台通用汽车的 Ultium 平台。将研发和制造集中在支撑各种车型的模块化硬件架构上,不仅可以帮助汽车制造商通过实现规模效益来降低成本,而且还可以让其优化车辆的性能。

通信将扩展到云端,将车辆与各种增值服务和功能连通起来。

随着越来越多的车辆功能由计算机控制,其计算架构也在不断发展。目前最先进的汽车配备一百多个电子控制单元 (ECU),每个电子控制单元都专用于一项特定任务,包括控制动力总成、悬架或制动器。各个电子控制单元的组织方式能够增强其协作实现更复杂功能的能力。

未来的趋势首先是将计算能力整合到一小组特定于功能的域中,然后最终在单个高性能计算单元上运行整个汽车堆栈,该计算单元将在虚拟域上托管特定于功能的系统。完成此过渡的同时,实现功能所需的硬件与控制功能所需的软件之间的分离将日益明显,车辆将越来越少地被构成车辆的硬件所影响,而是越来越多地受到其运行的软件和应用程序的定义。

从马力到千万亿次浮点运算、从经典皮革内饰到软件驱动的增强现实的转变,对尚未将 IT 和服务理念根植于其 DNA 中的老牌汽车制造商提出了特别的挑战。尽管特斯拉等新公司可能已经为上述需求做好了充分准备,而底特律、慕尼黑或首尔的老牌企业不得不通过大量投资于与具备软件开发能力的机构的合作、收购或从头开始构建此类机构来迎头赶上,但是,这并不是说这些企业远远落后。根据德勤咨询公司的一份报告,宝马和梅赛德斯预计将在 2021 年和 2024 年分别在其车辆中实施集中式电子电气架构。

万里长征的第一步

环境、社会和经济驱动因素与传感、数据处理和无线通信领域的新使能技术的融合正在改变主要市场的汽车行业。因为主要位于美国西海岸和中国的新企业展示了围绕软件、传感、服务和数据设计汽车的价值,所以各个老牌汽车 OEM 正在进行大量投资以确保其在未来的领导地位。虽然汽车行业及其供应商正在适应传动系统技术、车辆自动化、硬件和软件架构以及商业模式的各类重大变化,但值得记住的是,这仅是万里长征的第一步。

了解最新动态

我们希望随时将最新动态告诉您。填写此表格以随时了解 u‑blox 的新想法和新兴技术。

继续浏览杂志