前不久,国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年)》明确了对新能源汽车产业链多领域的鼓励支持,展示出一个非常积极的信号:此后国内新能源汽车的发展方向将覆盖全产业链、全场景并向能源的多元化发展。可以说,新能源汽车既是全球汽车产业转型升级、绿色发展的主要方向,也是我国汽车产业高质量发展的战略选择。

 

Bloomberg 预测,2038 年新能源汽车的销量将超过燃油汽车销量


自国家补贴从去年开始大幅退坡之后,新能源车市场经过了去年下半年到和今年上半年的下滑和盘整,也开始进入到更为健康和良性的产品和市场驱动的阶段。“提高新能源汽车核心技术,是我们与发达国家品牌抗衡的必要条件。”富士通电子元器件(上海)有限公司产品管理部总监冯逸新在近日的一次活动中表示。如何加强新能源汽车核心技术?作为全球高性能非易失性存储器领导厂商,富士通半导体的铁电随机存储器产品(以下简称 FRAM)针对车载应用首重安全性的考量,其自 2017 年开始先后推出的多款适用于车载应用的 FRAM 产品通过扩大运行温度范围(零下 40 度~125℃)及进一步提高产品可靠性等多种手段,目前已成功打入众多 Tier-1、Tier-2 整车厂的供应链。

 

直面新能源汽车存储痛点
近年来,我国新能源汽车产业发展迅速,成为汽车产业的重要增长点,据 2018 年新能源车销量统计显示,TOP20 中有 11 个品牌来自中国。新能源汽车销量的快速增长自然带动了相关汽车电子产业链的发展,由于采用电力驱动,新能源汽车的结构有别于传统的燃油汽车,动力电池、电池管理系统(BMS)、整车控制单元(VCU)三大系统成为汽车的核心功能部件,汽车电子成本相比于整车价值的占比也进一步提升。

 

2018 年新能源汽车销量统计

 

“我们认为高性能存储器 FRAM 将是提高这些核心技术的关键元件。无论是 BMS,还是 VCU,这些系统都需要实时和连续地对当前状态信息进行监控,记录和分析处理。”冯逸新表示,“因此,需要提高存储器性能和耐久性设计。只有非易失性、高速、高读写耐久性的车规级的存储器 FRAM 才可以满足所要求的可靠性和无迟延的要求。”

 

BMS 和 VCU 是新能源汽车的核心技术

 

BMS 是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带,其主要功能包括:电池物理参数实时监测;电池状态估计;在线诊断与预警;充、放电与预充控制;均衡管理和热管理;等等。“举个简单的例子,电池单元电量一般维持在 30%~75%之间表示正常运作,如有不均衡的情况需从别的单元补充过来,这时系统需要检测记录电池单元的电量、温度、电压、电流等等数据,而且单次监测记录的时间不能间隔太长。这也就意味着,BMS 的数据记录与写入同样非常频繁,对非易失性存储器的写入次数要求比较高。”冯逸新说到。

 

FRAM 在电池管理系统 BMS 中的应用

 

同时在实际工作中,BMS 系统不仅会以每秒或每 0.1 秒的频率去记录电池单元的电压,温度和电流等当前数据,而且要监控电池的短期(最后几个充电周期)和长期(整个使用寿命)的状态,这对最大程度延长电池使用寿命至关重要。“针对这些独特要求,还需要提高存储器性能和耐久性设计。因此非易失性,高耐久性,高速的车规级 FRAM 是 BMS 的理想选择。目前已经有一些中国的客户开始采用富士通 3V SPI 128Kbit,256Kbit,2Mbit 和 5V SPI 64Kbit 的 FRAM。“冯逸新透露。

 

与之相似,VCU 系统则需要以每秒一次的速度去记录汽车行驶的当前状态以及发生故障时的变速器挡位、加速状况、刹车和输出扭矩等信息,而采用 FRAM 可以通过更简单的软件进行存储与读取,同时保证高速和高可靠性。“截至目前,中国的新能源汽车和低速代步车 VCU 系统已经开始使用富士通 64Kbit SPI FRAM。”冯逸新介绍,“同时,今年 5 月富士通最新推出了车规级产品 MB85RS2MLY,可在 -40°C 至+125°C 温度范围内达到 10 兆次读 / 写次数,非常适合需要实时数据记录的应用(比如连续 10 年每天每 0.1 秒记录一次数据,则写入次数将超过 30 亿),可谓具有极高的数据写入耐久性和可靠性。“

 

筑造自动驾驶的坚固后盾
随着汽车智能化的发展,越来越多的车辆搭载了自动驾驶技术。据前瞻技术研究院的数据显示,2019 年国内自动驾驶市场规模为 1125 亿元,预计至 2023 年可达 2381 亿元,年复合增长率达到 20%。对于各大车企来说,作为新生事物的新能源和自动驾驶可以说是同一时间起步,其较传统燃油汽车更加简单的电控系统与整车架构都展现了这个组合极高的契合度,目前很多刚上市的新款新能源汽车都已经达到了 L2 自动驾驶级别。“事实上,自动驾驶、或者说 ADAS(高级驾驶辅助系统)的本质是汽车与环境的对话,通过传感器采集数据、存储器记录数据、处理器运算数据以及反馈等过程实现。而这些过程都需在极短的时间内完成,除了高速以外,关键中的关键——可靠性必须保证!”在谈到自动驾驶技术时冯逸新表示。

 

自动驾驶的三大核心技术

 

ADAS 是无人驾驶的前奏,也是现阶段市场的核心所在。当无人驾驶持续不断抢占头条时,高级驾驶辅助系统 ADAS 悄悄地掀起了一股变革浪潮,从根本上改变着传统汽车的操控方式和用户体验。自动驾驶的冗余度和容错性特性,要求越是高阶的自动驾驶需要越多的传感器。冯逸新指出:“ADAS 的所有子系统,如传感器、摄像机、CAN 通信、车载 HMI 等必须实时和持续地存储当前状态信息进行实时监控、记录、分析或处理。在如此严苛的规范下,具备非易失性、高速写入以及高度写耐久性的 FRAM 存储器正好满足自动驾驶所要求的可靠性和无迟延的要求!因此,随着 ADAS 技术愈发成熟,FRAM 在该领域的机会也越来越大。”

 

以人工智能决策平台中的智能气囊应用为例,气囊作为大部分汽车的必备配置,对驾乘人员的人身安全起着极大的保障作用。针对智能气囊来说,系统要在气囊被激活驱动后,连续记录气囊是否正常动作以及气囊的动作履历数据,最终将这些数据作为法律依据,来处理事故,追究原因和责任;另外系统还需要实时监控和连续记录空座位信息和乘客的体重,以确保准确,及时启动气囊。“这些要求使 FRAM 成为理想的选择。目前 Tier1 的 continental 已经在他们的智慧气囊中采用了 FRAM,同样在中国一些客户也已经采用了 16Kbit 的串口 FRAM。”冯逸新透露。

 

FRAM 在智慧气囊中的应用

 

此外,在 ADAS 细分领域的胎压监测(TPMS)应用中,富士通业已迈出抢占车载应用市场的第一步。据透露,富士通 FRAM 存储器已经被倍耐力(Pirelli)轮胎率先采用,应用于其所生产机动车轮胎的 TPMS 系统中,以实现可靠的低功耗、高速写入以及高耐久的数据处理功能。倍耐力是世界上享有盛名的轮胎公司之一,具有 100 多年历史的倍耐力轮胎本身已成为轮胎业“可靠质量”与“优异性能”的代名词!对此,冯逸新谈到:“TPMS 要对轮胎的压力进行实时和连续监测,如有充气不足,立即发出警报。胎压监测安装在高温,高压的苛刻环境中,电池不易更换,为了延长电池寿命,使用低功耗存储器是必要条件。这些要求使 FRAM 成为胎压监测的理想选择。”

 

成本大比拼,FRAM 真的贵吗?
尽管 FRAM 比传统的 Flash、EEPROM 在读写耐久性、写入的速度和功耗等方面都更具有优势,但其同样有着成本较高、容量不高的不足。“一般而言,某些制造商可能由于成本的因素不选用 FRAM,而选用 EEPROM 代替,但其实未必真的能节约成本。”冯逸新解释道,“他们往往没有意识到 FRAM 与 EEPROM 的工作方式存在很大差异。”

 

FRAM 相较 EEPROM 具有更优秀的耐久性

 

如上图所示,FRAM 的写入次数约为 EEPROM 的 107 倍,这表示在同样的写入次数需求下后者需要的整体容量要大得多。假设 FRAM 是 4KB 容量,虽然小,却允许在整块存储器的同一区域中重复地写入 1013 次数据。相反 EEPROM 容量可以远比 4KB 大,但受写入次数的限制(仅 106 次),如果整块存储器中 A 区域达到写入次数限制后,A 区域的数据稳定写入将得不到保证,需另外换一个 B 区域重新写;那么新旧区域的更换过程就需要 Wear Leveling(损耗均衡技术)来控制,这在无形中增加了软件配置成本。

 

再者,FRAM 写入速度约为 EEPROM 的 3 万倍,在断电等特殊情况发生时,前者能够在极短时间内(0.00015ms 左右)写入数据并保存,而后者为了保证断电瞬间仍能记录数据,就常常需要选用超级电容在电路中 “补电”,这又是一笔成本的开销。而且,为了预留充足的写入次数,特别像 BMS 这样频繁记录数据的应用中,EEPROM 的容量需求越大,成本也就水涨船高。换言之,EEPROM 的成本就相当于自身容量+电容+软件,这样跟 FRAM 对比就并没有太大成本优势了。

 

采用 EEPROM 的 Car infotainment

 

此外,FRAM 不仅能够进行高速写入,同样也能够实现高速擦除。对此,低功耗和高速的 FRAM 可以利用小型电池电源,瞬间消去重要数据,从而确保用户的信息安全。这时,FRAM 仅需 0.1mA 的工作电流,就能够在 0.3ms 的时间内擦除 256bit 的数据,相比 EEPROM 拥有显著的优势。

 

FRAM、EEPROM、FLASH 工作电流与消去时间对比

 

总结
因为中国汽车市场起步较晚,在欧美日韩等相对成熟的汽车市场,汽车品牌已经比较集中,可能只有三四家,而在中国市场,仍然可以看到上百家的汽车品牌商,需求各异。“中国企业若想将对手打败或者说尽量站在同样的位置,就需要跟国际车规级标准看齐,选用更好质量的、更可靠的电子元器件,来设计制造更先进的产品。“冯逸新表示,”通过采用富士通 FRAM,车企将再无关键数据存储的后顾之忧!“