Какие новые технологические разработки изменят траекторию развития автомобильной промышленности? 5 примеров от Эда Сперлинга.

За последние несколько месяцев большая часть автомобильной промышленности начала перемещать и сокращать производство, отодвигая прогнозируемое развертывание полностью автономных транспортных средств и меняя направление на источники энергии и технологии, используемые в электромобилях следующего поколения.

Взятые вместе, эти сдвиги знаменуют собой значительный отход для традиционных автопроизводителей, которые оказываются в догонялках перед такими компаниями, как Tesla, Waymo и NIO. Решив не отставать, они начали искать способы устранения существующих пробелов.

Основные направления такие:

• Разработка новых источников топлива для электрификации, включая водородные топливные элементы и сменные гибриды водородных топливных элементов.
• Использование новых датчиков и других маломощных технологий.
• Разработка твердотельных аккумуляторов.
• Смещение акцента на дополнительную обработку в автомобиле.
• Развертывание фундаментальных изменений в бизнес-моделях.

Все эти разработки требуют значительного увеличения содержания полупроводников, и ожидается, что эта тенденция сохранится, поскольку автомобили все больше электрифицируются до такой степени, что становятся фактически суперкомпьютерами на колесах. В только что опубликованном отчете KPMG подсчитал, что эти изменения могут поднять рынок автомобильных полупроводников с примерно 40 млрд. Долл. США сегодня до 150–200 млрд. Долл. США в течение следующих двух десятилетий, и эти цифры не включают инфраструктуру V2X или увеличение количества оснастки и производственного оборудования. ,

Самые последние исследования показывают, что электродвигатели обгонят двигатели внутреннего сгорания в течение десятилетия, хотя их число может варьироваться в зависимости от региона. Наряду с этим переключением будет увеличиваться количество микросхем для управления и контроля за тем, что происходит внутри транспортного средства, а также за тем, как транспортное средство взаимодействует с внешним миром. Также будут внесены изменения в то, сколько из этих транспортных средств приводится в действие, как эта мощность будет оптимизирована, распределена и сохранена в транспортном средстве, и как и где будут обрабатываться данные, генерируемые все большим числом датчиков.

«Традиционные компании сейчас переключают свое внимание на программное обеспечение», — сказал Буркхард Ханке, вице-президент по автомобильной промышленности Synopsys. «Тесла сделал заявление несколько лет назад, что лучшие решения не используются для электромобилей. Это произойдет сейчас ».

Топливо будущего для автомобилей

Электрификация транспортных средств дана для конкуренции в автомобильной промышленности в течение следующих нескольких десятилетий. Независимо от того, используют ли эти автомобили вспомогательный двигатель, топливный элемент или работают на 100% от аккумулятора, простота, отзывчивость и снижение выбросов от электромобиля являются убедительными. Электродвигатель состоит примерно из 200 деталей по сравнению с примерно 2000 для двигателей внутреннего сгорания, что помогает значительно сократить расходы и повысить надежность. На этом этапе практически каждый автопроизводитель наращивает электронный контент в автомобиле, и многие выбирают электродвигатели в качестве основного силового агрегата.

До сих пор задача состояла в том, чтобы сбалансировать преимущества электрификации с простотой использования. Один из вариантов, который все чаще цитируют крупные автопроизводители — за исключением Tesla, NIO и других, — это водород, который, по их утверждению, станет конкурентоспособным с другими источниками топлива в течение следующего десятилетия. Они утверждают, что это преодолеет некоторые из самых больших проблем с электромобилями сегодня, например, как далеко они могут проехать на зарядке, сколько времени требуется, чтобы зарядить их, и как развивать инфраструктуру зарядки в менее населенных районах.

Инфраструктура зарядки и время зарядки — два очевидных недостатка электромобилей с аккумулятором. При недостаточном количестве зарядных устройств людям, возможно, придется ждать в очереди в течение продолжительных периодов времени. Более того, человек, который живет в квартире, например, может не иметь доступа к зарядной станции. А в районах, подверженных перебоям в электроснабжении, может не быть электричества, доступного для зарядки транспортных средств во время чрезвычайных ситуаций, что может быть опасным для жизни в случае наводнения или пожара.

«Технология аккумуляторов не готова для дальних поездок», — сказал Люк Гир, технологический аналитик IDTechEx. «Что сдерживает электромобили, так это первоначальная стоимость батарей и зарядной инфраструктуры. Около 50% электромобилей в Соединенных Штатах было продано в Калифорнии. Согласно нашим исследованиям, в 2028 году мы достигнем пика двигателей внутреннего сгорания, и тогда продажи упадут ».

Автопроизводители делают ставку на то, что водородные топливные элементы будут ключевой частью этого сдвига. Идея заключается в том, чтобы иметь возможность перекачивать водородоподобный бензин с новых или существующих автозаправочных станций с инфраструктурой для хранения и перемещения сжиженного водорода. Но это не так просто.

«С помощью FCEV (электромобиля на топливных элементах) вы получаете высокую производительность и большую дальность полета», — сказал Монтерей Гардинер, старший инженер по водородным технологиям и технологиям мобильной электроники BMW Group. «Проблема заключается в дополнительной водородной инфраструктуре и высокой стоимости системы. Сейчас нам нужно производить 500 000 автомобилей в год, чтобы получить конкурентоспособную стоимость ». BMW планирует представить топливный элемент.

«Водород делает металл ломким», — сказал К. Чарльз Янак, генеральный директор Arteris IP. «Есть три способа его хранения. Один из них криогенный. Второй — использование гидридов металлов. И третий — использование органических материалов. Ни один из них не является удовлетворительным ».

Также не ясно, будет ли водород конкурировать с автомобилями с более быстрой зарядкой аккумулятора с пробегом до 500 миль. И если время зарядки аккумулятора можно сократить до 10 минут на расстоянии 120 миль, для большинства водителей этого будет достаточно для большинства людей.

«Европейские компании не верят, что смогут заработать на электромобиле», — сказал Том Вонг, директор по маркетингу IP-дизайна в Cadence. «Но если вы сможете значительно снизить стоимость ионно-литиевых батарей, они достигнут точки пересечения, в которой электромобили станут конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания».

Топливный элемент также дорог, по крайней мере, на данный момент. Одна из причин заключается в том, что для этого требуется платина, которая используется в качестве катализатора. Текущие исследования включают сплавы платины и рутения, чтобы снизить эту стоимость. Но некоторые из этих затрат также могут быть компенсированы сокращением драгоценных металлов в других областях.

«В настоящее время платина и палладий используются в каталитических нейтрализаторах для двигателей внутреннего сгорания», — сказал Уильям Крокетт, вице-президент Tanaka Kikinzoku. «Сегодня мы буквально отправляем каталитические нейтрализаторы в Японию для переработки этих материалов. Эта стоимость уходит на водородных топливных элементах и ??электромобилях ».

Новые бизнес-модели, новые подходы к технологиям

Наряду с этими изменениями является признание того, что старый способ ведения дел больше не работает. В июне Volkswagen объявил, что будет разрабатывать большую часть своего программного обеспечения собственными силами, увеличив свою долю с менее чем 10% до более чем 60% к 2025 году. Компания заявила, что планирует использовать около 5000 экспертов для создания единой операционной системы на всех своих брендов.

«Все они видят, что постепенных улучшений недостаточно», — сказал Дэвид Фриц, старший руководитель SoC по автономным автомобилям в Mentor, подразделении Siemens. «Чтобы конкурировать с Tesla, им нужны разные методологии, инструменты и архитектуры. Практически все автомобильные компании дошли до того, что осознают, что не могут продолжать делать то же самое. Но большая проблема заключается в том, как сделать этот скачок в технологиях и навыках. Это модель, которую Apple впервые применила, когда вы привносите в работу все, что может вас отличить ».

Янак из Arteris IP согласился. «Уровни 1 либо становятся программно-ориентированными на кремний, либо имеют долгое будущее».

Новые технологии

Тем не менее, все эти изменения вызвали ренессанс инноваций. Одна из таких разработок включает в себя объединение датчиков, в результате чего логика добавляется на уровне датчиков, так что обработка может выполняться в источнике данных, а не централизованно.

«Одним из новых датчиков является датчик инерции», — сказал Фриц. «Когда вы включаете тормоза, вы ожидаете, что машина будет тормозить на определенном расстоянии на склоне. Но это не всегда точно. Если вы можете понимать эту дистанцию лучше, вы можете применять торможение только тогда, когда вам это нужно, экономить энергию и восстанавливать энергию ».

Это имеет и другие преимущества. Выполняя локальную обработку, объем данных, которые необходимо отправить в центральный мозг автомобиля, значительно сокращается время принятия решения. Это снижает требования к жгуту проводов, общий вес автомобиля и улучшает дальность на зарядку.

Отдел инжиниринга адаптивных систем Fraunhofer представил датчик изображения, который сохраняет и обрабатывает только важные данные в изображении, а не в целом изображении. Это дает те же преимущества в камерах, где наибольший объем данных собирается сегодня.

Альтернативный подход заключается в расширении существующих технологий с целью уменьшения количества компонентов и систем, необходимых в конечном итоге для автономного вождения. Например, LiDAR был улучшен для работы в большем количестве погодных условий, чем в прошлом, а также теперь может измерять скорость и классифицировать объекты.

Тот же самый подход применяется для повышения энергоэффективности в транспортном средстве, и это особенно очевидно при попытках использования колесных или ступичных двигателей. Таким образом, вместо одного двигателя, приводящего в движение транспортное средство, было бы два или четыре двигателя.

Идея о ступичных двигателях существует уже около столетия, и большая проблема заключается в неподрессоренной массе — той части транспортного средства, которая не поддерживается подвеской. Использование этого подхода требует изменений в конструкции транспортного средства, поскольку это может повлиять на общую езду и управляемость. Но у этой работы есть большие преимущества. Моторы меньше по размеру, и они подключены непосредственно к колесу, что означает меньше энергии, необходимой для движения автомобиля вперед, больше возможностей для непосредственного использования энергии для движения и меньший вес.

Похоже, что, по крайней мере, некоторые из предыдущих проблем были решены. Hyundai MOBIS Ан сказал, что разработка ведется с 2011 года, и ожидается, что технология будет коммерциализирована в течение следующих нескольких лет. Но есть и гибридные версии этого подхода, такие как концепт-кар Citroen с двумя двигателями 19_19, представленный ранее в этом году, который может проехать 800 км (497 миль) на зарядке и перезарядить 80% за 20 минут.



Рис. 1: Концепт-кар Citroen 19_19 с шинами, разработанными в сотрудничестве с Goodyear, на конференции VivaTech в начале этого года. Центральная ступица на колесах остается неподвижной.

Аккумуляторы следующего поколения

Большая проблема с электрификацией — хранение энергии в транспортном средстве. Литий-ионные аккумуляторы дороги, тяжелы и нестабильны. Масштабирование технологии включает в себя больше батарей, больше веса и больше потенциальных проблем.

Это то место, где подходят твердотельные батареи. Основанные на твердых электродах и электролитах, с ними гораздо легче обращаться, не опасаясь возникновения пожара.

В настоящее время ведется ряд исследовательских проектов с использованием твердотельных батарей, таких как полностью твердотельная литиевая батарея, разработанная Университетом Дикин в Австралии. Проблемы, которые еще предстоит решить, — это снижение электропроводности, особенно в холодную погоду, по сравнению с жидкими электролитами. Также были вопросы о том, достаточно ли лития для питания всех электромобилей.

«Мы не думаем, что на планете достаточно лития для 1 триллиона IoT-устройств плюс автомобильные аккумуляторы», — сказал Эрик Хенненхофер, вице-президент по исследованиям в Arm. «Значительная сумма должна быть получена от сбора отходов».

В настоящее время в отрасли ведется работа, чтобы это произошло. Наряду с этим ожидается переработка лития по мере роста спроса, хотя это может продолжаться годами.

«Основной источник лития находится в Австралии», — сказал Крокетт из Танаки. «Производство в прошлом году составило более 20 тонн. Есть также один литиевый рудник в Неваде (примерно в 200 милях от аккумуляторной фабрики Теслы), и еще больше лития в Чили, Аргентине и Боливии, которые известны как «литиевый треугольник». Китай вложил 4 миллиарда долларов в сделку с акциями, чтобы попасть в Литиевый треугольник для его электромобилей. Но вы также видите, как такие компании, как BMW, Volkswagen и японские автопроизводители, вкладывают средства в технологии твердотельных аккумуляторов. Разрабатывается целый ряд различных химических препаратов ».

Что делает это настолько важным, так это то, что твердотельная технология является более модульной, наращиваемой и меньшей по размеру Он использует призматический дизайн, а не цилиндр, длится дольше и заряжается быстрее. Их также легче заменить, сказал Крокетт.

Больше обработки данных в автомобиле

Еще одно большое изменение связано с обработкой данных. Несколько лет назад общий консенсус заключался в том, что 5G будет настолько повсеместным, что данные со всех транспортных средств можно будет отправлять назад и вперед в облако с достаточной скоростью, чтобы исключить необходимость обработки на борту.

Это оказалось несостоятельным по нескольким причинам.

Во-первых, сигналы в спектре миллиметровых волн для сигналов 5G очень чувствительны к помехам и быстро затухают.

Во-вторых, данных слишком много для отправки туда и обратно из облака, и даже в самых лучших обстоятельствах связь занимает слишком много времени, чтобы избежать препятствий на дороге.

И в-третьих, стоимость строительства и обслуживания сети ретрансляторов будет чрезмерно высокой на тысячи миль дорог.

«5G представляет собой усовершенствование, но недостаточно хорошее для разгрузки вычислений, особенно в диапазоне менее 6 ГГц», — сказал Скотт Джонс, руководитель практики полупроводниковых технологий в KPMG. «Фактически, одна из причин, по которой возможности для полупроводникового контента настолько высоки, заключается в том, что 5G недостаточно хорош».

Это является ключевым фактором в ограничении автономного вождения. Количество вычислительной мощности, необходимое для решения всех возможных взаимодействий и сложных случаев, огромно и слишком дорого, чтобы встраивать его в автомобиль сегодня. Текущие оценки находятся где-то в диапазоне трех суперкомпьютеров.

Второй фактор связан с огромными размерами и стоимостью вычислительных ресурсов, необходимых для решения всех потенциальных угловых случаев и взаимодействия с управляемыми человеком и автономными транспортными средствами, а также с пешеходами, велосипедистами, неблагоприятными погодными условиями, выбоинами, сменами полос и т. Д. на.

«Все прототипы представляют собой стволы, заполненные дата-центрами», — сказал Роберт Дэй, директор по автомобильным решениям в Arm. «Они не могут быть развернуты. Они слишком большие, слишком энергоемкие и слишком дорогие. От нас требуют компании серверные микросхемы, которые обеспечивают ту же производительность за небольшую долю затрат при улучшенных тепловых показателях. Нас также спрашивают о высокопроизводительных процессорах со встроенной функциональной безопасностью, которая является новой. Другая новинка — Консорциум автономных транспортных средств. Частью устава AVCC является массовое развертывание в сроки 2025 года, хотя полная автономия будет гораздо позже. Но что нового здесь, они решили, что не собираются дифференцироваться с этой технологией ».



Рис. 2: Количество содержимого и значение полупроводника на каждом уровне управления. Источник: КПМГ

Это представляет собой существенное изменение в направлении, потому что компании рассматривают автономию как отличительный признак. Когда все вместе работают над этим, он становится стандартом базового уровня и быстрее выходит на рынок. Это, в свою очередь, создает гораздо больший спрос на все виды электроники.

«Это революция в мышлении среди автопроизводителей Большой тройки (Volkswagen, Toyota и Hyundai)», — сказал Хунке из Synopsys. «Вопрос в том, достаточно ли таланта, чтобы сделать эту работу. Самая большая проблема в том, что процесс мышления отличается. Это займет время. Вопрос в том, кто может сместить акцент на аппаратный и программный стек и увеличить его. Это новая битва. Большая тройка обладает достаточными финансовыми возможностями, чтобы инвестировать в это, и во всем мире много клиентов, не говоря уже о многих сотрудниках, чья работа зависит от этой работы. Но это не произойдет в одночасье.

Транспорт как услуга

Еще одно большое изменение касается использования транспортных средств. Большинство аналитиков считают, что существуют значительные возможности для разных моделей владения и использования.

«Мы видим, что для очень специфических поездок, которые совершают люди, существуют огромные возможности для мобильности как услуги», — сказал Джонс из KPMG. «Это означает, что транспортные средства будут использоваться на расстояния от 50 000 до 60 000 миль в год. Таким образом, даже если автомобиль стоит 120 000 долларов, через три года вы будете зарабатывать на нем, если он пройдет 50 000 миль в год. Мы также видим реальный интерес к этому в пенсионных областях. Это огромная возможность, даже при низкой скорости 30 миль в час ».

Gear IDTechEx соглашается, отмечая, что это окажет большое влияние на модели использования автомобилей. «Подъем самостоятельных пернвозок в городе начинается в 2025 году», сказал он. «Но потребуется некоторое время, чтобы начать работу из-за сокращения государственных субсидий и ослабления ограничений правительства США на автомобили. Субсидии заканчиваются в Китае и Норвегии в следующем году ».

Субсидии уже давно поддерживают зеленую энергию. Но по мере роста затрат и введения в действие в 2021 году новых нормативов, таких как новые жесткие нормы выбросов в Европе, составляющие 95 г CO2 / км, — текущий стандарт составляет 130 г / км, и новый стандарт будет введен в действие начиная с 2020 года, — что может помочь повысить мобильность как услугу. Двигателям внутреннего сгорания будет тяжело соответствовать этим стандартам, а владение электромобилем менее удобно для людей, у которых нет места для зарядки своих автомобилей.

Однако это другой взгляд на продажи автомобилей, и он требует другой модели поведения.

«Вы должны смотреть на автомобили следующего поколения как на план здания», — сказал Фриц из Mentor. «Это другой способ решения проблемы. Таким образом, вы разрабатываете для уровня 5, и вы получаете там один шаг за раз. Кажется, что многие компании сбились с пути ».

Вывод

Все эти изменения вызывают вопросы о том, как автомобильные компании будут выглядеть через десять лет. Станут ли Tier 1 или компании по производству электроники автомобильными производителями, или автомобильные гиганты станут производителями чипов и будут разрабатывать собственные чипы? На данный момент никто не знает ответ. И хотя сегодня у Tesla и новых стартапов BEV может быть лидерство, нет никаких гарантий, что все останется прежним. Фактически, будущие автомобильные гиганты сегодня могут выглядеть не как автопроизводители, а как компании-производители электроники.

Однако ясно, что полупроводниковая индустрия выиграет от большего количества электроники, большего количества услуг и большего количества инструментов, необходимых для создания этих чипов и систем. Индустрия автомобильной электроники снабжает и другие части конструкции через производственную цепочку, и это, вероятно, приведет к буму, который будет длиться десятилетиями.

P.S. — Еще один вариант выхода из за кризиса внедрения электромобилей, я описывал ранее в статье «Электромобили утянут на дно автокорпорации?».