先进动力总成控制的挑战与解决方案

每一代新一代动力总成控制系统设计人员都面临着更高复杂性和更高计算性能的挑战。在全球法规的推动下,性能要求包括增加吞吐量,内存,外设和高级封装功能。越来越严格的排放法规,以及前所未有的燃油效率目标,需要复杂的系统,远远超越传统火花点火(SI)发动机和变速箱控制。混合动力电动车辆和插入式混合动力电动车辆与电动机,电池和系统管理电子设备的增加决定了偏离传统改进趋势的控制技术。
作为汽车动力总成微控制器(MCU)的领先供应商,飞思卡尔半导体解决了这些挑战,因为它促进了汽车行业在电子控制方面的开创性努力。本白皮书将提供需要高级控制体系结构和多核解决方案的背景,以满足当前和未来的动力总成需求。

全球法规影响动力总成

根据国际能源署(IEA)的报告“运输能源效率”,交通运输占全球二氧化碳排放量的23%。基于全球的担忧,各地政府都采取措施减少二氧化碳和其他排放物,提高车辆的燃油经济性。(减少燃料消耗直接导致更低的二氧化碳排放量。)
全球CAFE法规
图1:全球CAFE法规各不相同,但都需要对当今船队的系统进行重大改变。
在美国,最近的立法要求汽车制造商在2025年之前达到每加仑54.5英里的企业平均燃料经济(CAFE)目标。从今天乘用车的平均27.8英里/加仑的减少要求平均增加5%的汽车燃料经济性到2021年每年轻型卡车将达到3.5%,之后所有车辆将增长5%。欧盟(EU)在油耗方面已经远远领先于美国,计划在2020年前实现65英里的平均车队平均水平。
图1显示了欧盟法规的逐步实施,即到2012年将每辆汽车的排放限制在120克/公里的二氧化碳排放量的65%,并在2015年将要求提高到100%。违规可能导致欧盟罚款每售出一辆汽车,每克二氧化碳的价格高达95欧元。内燃机的改进以及电气化都需要符合标准。
欧洲在这一领域的法规领先,但其他地区,包括美国和日本,都有自己的挑战性要求。在美国,满足2016年目标(见图1)的变化将需要最大的改进。即使到2016年达到这个水平,这个价值也会与欧洲五年前的情况相匹配。这个改进的机会需要更高的动力总成控制性能。
虽然减少二氧化碳的一些改进可以通过减轻重量,滚动阻力和改善空气动力特性来实现,但是动力总成已经被确定为可以提供最大改进的系统,具有10%的发动机燃料消耗减少和10至15g的二氧化碳减少。在这种情况下,增加MCU额外性能的支出,例如将DMIPS从200(生产车辆的高端功能)提高到600或800,可以避免每辆车95欧元的附加费用。因此,绩效会直接影响成本或避免惩罚。
为了满足这些全球性的政府要求,汽车制造商必须大幅度更新现有的软件和硬件,但却受到限制,包括运行新算法的内存和吞吐量以及任何新控制的成本影响。这些限制的解决方案是采用业界最流行的动力总成架构构建的双核MCU。
特征 MPC5566 MPC5674F MPC5676R
处理 130纳米 90纳米 90纳米
核心 Z6 Z7 Z7
内核数量 1 1 2
性能 132 MHz 264兆赫 2 x 180 MHz
单精度浮点
SIMD
VLE
高速缓存 32 KB统一 16 KB指令+ 16 KB数据 16 KB指令+ 16 KB数据
不可屏蔽的中断 没有 NMI,关键 NMI,关键
MMU条目 32 64 32
MMU工具控制 没有 没有
MPU 没有
信号灯 没有 没有 16
CRC通道 没有 没有 3
软件看门狗定时器 没有 1 2
核心Nexus类 3+ 3+ 3+
SRAM 128 KB(32K待机) 256 KB(32K待机) 384 KB(待机48K)
3 MB 4 MB 6 MB
Flash获取加速器 2 x 256位 4 x 256位 4 x 256位
外部总线 32位
校准总线 16位 16位非多路复用器,16位,32位多路复用器 16位,32位多路复用
DMA通道 64 64 + 32 64 + 64
DMA(Nexus类) 3 3 3
串行接口(eSCI) 2 3 3
个FlexCAN 4 4 4
SPI 4 4
微秒总线 没有
的FlexRay™ 没有
以太网络 没有 没有
系统定时器 没有 1x RTI,4x PIT,4x AUTOSAR 1x RTI,4x PIT,4x AUTOSAR
eMIOS频道 24 32 32
eTPU频道 64 64 96
eTPU版本 2 x eTPU 2 x eTPU2 3 x eTPU2
eTPU代码存储器 12 KB 24 KB 24 KB + 12 KB
eTPU数据存储器 3 KB 6 KB 6 KB + 3 KB
中断控制器 308来源 448来源 500个来源
ADC输入引脚 40 64 64
ADC输入诊断 没有
ADC分辨率 12位 12位 12位
ADC数量 2 4 4
ADC可变增益放大器 没有
温度感应器 没有
抽取滤波器 没有 8 12
受保护的端口输出 没有 没有 4
自检控制器 没有 没有
开发工具信号量 没有 没有 32
PLL 调频 调频 调频
集成线性稳压器 1.5V 3.3V,1.2V 3.3V,1.2V
集成开关模式电压调节器 没有 1.2V 1.2V
外部电源 5V,3.3V 5V 5V
低功耗模式 没有 StopMode,SlowMode StopMode,SlowMode
DMIPS 200 600 818
如表1所示,基于PowerArchitecture®技术的双核Qorivva MPC5676R MCU在众多影响动力总成控制的领域提供了重大改进。旨在提供系统设计人员所要求的改进,下一代控制系统的复杂性日益增加,从现在的系统中可以直接获得一些令人兴奋的可能性。
MPC5676R是第一款用于动力总成应用的双核Power Architecture器件,与其单核前代产品MPC5674F几乎无缝兼容。同时,它还引入了一套强大的新型双核心功能,以应对虚拟感知和启发式控制算法等新型计算密集型软件的挑战。这些功能使开发人员无需使用许多外部组件,与传统系统相比,可将系统成本降低近30%,并使先进的节能技术更加经济实惠。
可以通过实例和概念来看待功能的增加,也可以使用以前难以或不可能的新型双核MCU实现的功能。

内燃机动力总成控制

除了解决当今柴油发动机的复杂要求(包括输送多个燃料脉冲以消除不希望的噪音并减少排放物中的微粒)之外,先进的双核MCU还可以改善火花点火发动机控制。在柴油发动机中,共轨喷油系统中的精确燃油控制需要复杂的计算来确定喷油正时,风量和压力,发动机温度等等。一些相同的技术正在为SI发动机添加或修改。

汽油直接喷射

尽管处理某些高级控制要求的方法已经存在多年,但是由于性能的限制,在一个MCU中处理这些方法的组合要么是非常困难的,要么是不可能的。例如,汽油直喷已经在欧洲进行了很多年,在美国也越来越多
燃油经济性和马力提高10-15%,碳氢排放量减少25%,预计直喷将在动力总成应用中迅速扩大,从2010年的20%左右上升到2017年的近40%策略分析。替换更宽容但更省油的端口注入需要处理能力提高一个数量级。MCU不必将一个脉冲打开或关闭一段时间,而是将其置于一个位置,MCU必须处理一个复杂的峰值并保持波形,并采用检测阀门运动的方法。该过程涉及精确的电流测量和显着的高速切换,以开发电流曲线。每个循环可能有多个注射。结果是,
双核MCU内部具有45K专用RAM的三个96通道增强型定时单元旨在轻松灵活地处理复杂的引擎定时事件。机械齿轮齿通常可以达到六度的精度,但是为了最佳地控制燃料喷雾和火花,需要0.1度精度。由于输入数据不如所需的输出精确,所以MCU必须预测何时需要火花。
如图3所示,MCU的三个第二代增强型时间处理器单元(eTPU2)中的一个可用于预测直接注入所需的精确时间并补偿机械限制。eTPU2测量最后两颗牙齿之间的时间,并进行角度 - 时间转换,这是芯片的虚拟感应功能之一。要实现每缸大约36,000转/秒,需要显着的性能。双核处理器通过更严格的控制提供了这种能力来提高燃油经济性。
MPC5676R框图
图2:MPC5676R框图显示了双核和附加外设。

启停系统

在怠速时关闭发动机的启停(或停车启动)或怠速停止系统,当驾驶员踩下加速踏板时可自动重启,可提高燃油经济性4至10%,甚至高达25% 。
直接注入,这些系统也将经历强劲的增长,并有助于实现排放法规遵从。最初在欧洲已经被广泛使用的地方,预计启停系统在所有地区都将有显着的增长率,一些专家预测在未来的四到五年内,北美的实施率将高达35%。
起停系统增加了控制电子设备的负担。为了使这些系统尽可能无缝,系统必须检测发动机停止的位置。这可能需要检测发动机方向的反转以确定发动机静止的曲轴循环中的确切位置。除了标准的曲轴传感器外,还需要额外的传感器或更复杂的传感器来提供这些信息。双核MCU的eTPU2提供了解决启停系统复杂性的能力,即使这个方面与直接注入的时序要求相结合。

敲检测

爆震控制系统优化了燃烧循环,并将燃油经济性提高了三到五个百分点。爆震检测的控制技术包括缸内压力感测,振动传感器和火花塞电离。在当今的系统中,专用的专用集成电路(ASIC)通常在几毫秒的时间窗内识别来自其​​他发动机噪声的爆震信号。来自爆震检测传感器的模拟信号通常以150KHz采样,并作为输入参数应用于火花控制系统。爆震检测涉及大量的数字滤波和计算。
具有三个增强时间处理器单元的双核MCU可以处理这种复杂性以及其他控制任务。如图4所示,一旦模拟信号被数字化,eTPU2将使用虚拟感测来预测爆震窗口。
双核MCU的四通道ADC可以在800 KHz的频率下连续转换,从而允许充足的带宽同时对系统中的爆震和其他模拟输入进行采样。双核MCU具有十二个抽取滤波器,能够支持最先进的爆震检测系统,并且还具有用于其他控制功能的多个滤波器。它甚至可以处理复杂的爆震检测压力感测技术,需要多个模数(ADC)转换器和大容量的RAM和闪存阵列来处理大量的数据和复杂的算法。此外,MPC5676R硬件集成商,DMA和SPE代码消除了外部硬件。最终的结果是通过省去传动系统中的ASIC,滤波器,外部ADC和多路复用器来降低系统成本。
高级eTPU2定时器
图3:高级eTPU2定时器提供直接注入的精度。

缸内压力感测

缸内压力感应可以替代爆震/失火检测,质量空气流量和歧管绝对压力传感器以及汽缸平衡子系统。然而,在整个720度(八缸发动机的每个气缸一个传感器)上最多可获得八个压力曲线对闭环燃烧控制提出了挑战。对于双核MCU,一种可能的解决方案是在一个专用核心上包含多个并行抽取滤波器路径和高性能软件,而另一个核心运行应用策略。在目前的系统中,爆震和拉姆达传感器为下一个发动机循环提供反馈。通过压力控制系统,设计人员想要降低当前循环中的压力。为了满足更低NOx的欧6要求,

MultiAir系统

菲亚特开创的MultiAir系统采用电动液压技术,而不是机械可变气门正时(VVT),控制进气的技术将功率提高到10%,扭矩提高到15%。另外,它可以减少10%到25%的二氧化碳排放量。该方法允许发动机小型化,并且在与增压器一起使用时提供更大的改进。
菲亚特/克莱斯勒MultiAir系统目前使用单独的ECU。利用双核系统,可将MultiAir控制功能集成到发动机ECU中,从而降低总体成本。

气缸停用

混合动力系统需要在车辆停止时完全停用发动机,并且发动机将正常地闲置并消耗燃料而不增加任何英里到MPG计算。这要求MCU具有更高的性能。发动机运行时的气缸停用涉及在一定的轻载行驶条件下将八缸气缸变成四气缸或六气缸变成三缸发动机。也称为“可变位移”或“位移指令”,这项技术是由于取决于公路和巡航条件或测试周期从10%提高到16%。在这些系统中,数字控制通过电控节气门选择性地停用汽缸。这个过程需要改进动力传动系统微控制器的计算能力和精确定时,以及额外的扭矩匹配软件。双核MCU不仅仅是这些系统面临的挑战。

自动变速器

自动变速器控制越来越成为现代复杂动力总成系统的标准部分。今天的六速变速箱有六个或更多精密电流控制电磁阀,由数字电子装置驱动。这要求过采样电流波形32,64或128次,对于上一代传输大约在300微秒而不是1毫秒。计算和感应能力比之前所需要的要大得多。最近宣布,九速自动变速器的标准六速自动变速器的燃油经济性提高了16%。越来越复杂的传输可以依靠双核MCU的处理,定时和过滤能力。

双离合变速器

双离合器六档变速器提供了手动变速箱的燃油效率,同时还提供了便捷的高档自动变速器。双离合变速器(DCT)的效率更高(减少高达百分之九的燃油消耗),并以毫秒为单位进行换档,并且需要更多的处理能力才能正确及时地进行网格划分。从本质上说,这款离合器的机电版本预计将从2010年的约10%上升到2017年的20%以上。DCT需要改进的MCU性能,以便在离合器应用时同步不同轴的转速。这可以通过双核MCU中的一个eTPU2轻松完成。

动力总成电气化

短期来看,发动机小型化,汽油直接喷射转换和启停实施将在提高车辆燃油经济性和达到排放标准方面发挥主导作用。没有这两个特征的车辆在未来几年内有更大的可能性转移到这些车辆上。在较长的时间内,也许是三到七年,全车电气化和插电式混合动力汽车和电动汽车将大幅增长。七年之后,将会出现多技术的出现。
爆震检测的例子
图4:使用抽取滤波器(DecFil),ADC,eTPU2和额外的双核MCU硬件和软件功能的爆震检测示例。
混合动力汽车和电动汽车中的电子控制将车辆中的微控制器发挥到了新的层次。电动机的功能可以像在中型或者甚至是微型混合动力车中的起动 - 停止系统一样简单地用于全混合动力车辆,插电式混合动力车辆或者全电动车辆。在这些车辆中,MCU控制电机并管理电池。对于还具有用于推进或充电的发动机的混合动力车,控制增加了管理内燃机的复杂性。

电机控制

在混合动力汽车和电动汽车中,逆变器操作涉及到精确的波形整形。采用三相逆变器控制,需要智能外设来简化计算和计时。该过程类似于已经在其他车辆系统(例如电动助力转向(EPS))中实施的高效三相电机的控制,但是需要更多的计算能力。
使用小而强大的电动机需要大量的极点,并且在例如大约1kHz的频率下工作。为了满足这些要求,双核MCU利用了eTPU2的高分辨率能力,如图5所示。在低速情况下,必须产生不到10%的额定电压。双核MCU中的eTPU2可以产生这个低电压来实现平滑的转矩控制。
eTPU2性能
图5:与底部显示的较低分辨率输出相比,eTPU2(顶部)的高分辨率能力允许在低电压下产生平滑的波形,以在该工作区域实现平滑的转矩控制。
多个eTPU为系统设计者提供了更多选择。有了MPC5676R中的三个eTPU,一些系统设计人员正在考虑用一个MCU控制两个直流电机。

电池管理

混合动力和电动汽车中的电池管理是一项复杂的任务,因为它涉及的不仅仅是管理进出电池的电力。监控单个电池以安全地接通电源并断开电源,这意味着需要多个输入和输出以及用于控制的大量计算能力。动力总成MCU需要与电池管理系统进行广泛的沟通。双核MCU解决方案提供一系列串行通信协议,例如eSCI,DSPI,FlexRay,微秒级通道和CAN,以提供一系列可靠的通信设计选项。

解决系统问题

除了解决动力总成子系统日益复杂的问题之外,最新的多核动力总成体系结构MCU还有几个强大的功能,可以对动力总成系统设计产生重大影响。这些例子包括:自检,简化校准,降低功耗,软件任务和共享数据管理。

自检

双核MCU具有扩展自检能力。自检控制单元包括可编程逻辑内置自检(LBIST)功能,该功能尚未在其他动力总成MCU上使用。有了这个功能,MPC5676R改善了与软件执行相关的硬件逻辑(如核心流水线和缓存控制器)的故障覆盖率。
VertiCal系统
图6:VertiCal系统
LBIST功能提高了检测潜在故障条件的能力,为MCU和控制系统提供了更高的可靠性。通常在启动时执行,自检涉及硬件的非常广泛的检查。自检操作会阻止运行任何应用程序代码,因为自检会控制芯片上的所有逻辑。为了实现可编程性,LBIST在一个内核上运行,而另一个内核运行应用程序代码。这为系统设计人员提供了进行自我检查以确定芯片逻辑状态的机会。

简化的校准过程

双核MPC5676R具有专利机制,通过允许外部校准工具直接与MPC5676R的存储器管理单元(MMU)非直接交互,可以更轻松地校准引擎映射。该方法大大简化了在引擎校准过程中执行的存储器映射的AB切换,并且消除了对外部逻辑(例如,严格用于校准的外部双端口RAM)的需要,以及需要中断处理器的操作以切换记忆。
将这一专利机制与经过验证的VertiCal校准系统相结合,可将校准过程与应用程序代码隔离,从而实现更快,更强大的系统开发生命周期。
VertiCal校准系统在芯片级封装(CSP)中使用生产硅芯片,以确保生产和校准系统之间的完全硬件和软件兼容性,支持覆盖存储器的简化使用,基于Nexus的调试工具支持,支持全功能校准工具通过提供全面的设备信号,灵活地支持新的调试和校准功能(如高速串行通信),并允许在不影响标准MCU I / O资源的情况下进行系统校准。

在低功耗约束下性能更高

在现代车辆所需的低功率限制下获得更高的性能决定了个人计算机微处理器供应商已经拥抱了数年的设计理念的改变。这种变化是由性能进一步提高的局限性造成的,而牺牲了功耗的增加。
波拉克的规则指出,业绩的增长大致与复杂性增长的平方根成正比。换句话说,为了从一个核心获得两倍的性能,它的复杂性必须增加四倍。一般来说,增加的复杂度基本上等于功耗的增加。如图7所示,使用两个以相同频率运行的CPU可以降低功耗。增加逻辑门或增加频率的其他选项都会导致更高的功耗。
加倍CPU
图7:加倍CPU是实现两倍性能的最有效方法。

软件任务和共享数据管理

将本文描述的技术应用于MPC5676R的双核架构时,很可能需要协调软件任务和访问共享资源,如ADC结果表,程序变量和硬件I / O访问。
MPC5676R通过使用硬件高速缓存一致性机制和信号量,提供增强的功能以支持任务同步和共享数据管理。高速缓存一致性提供了一种在内核之间共享快速访问高速缓存数据的方法以及由DMA控制器更新的数据。利用内存映射硬件信号量块实现信号量或者通过软件实现的预留机制提供在核心之间共享资源和同步任务的手段。程序员可以利用这些强大的技术来提高应用软件和硬件的性能,可靠性和灵活性。

软件工具和启用

飞思卡尔拥有用于支持双核MCU的全面生态系统的工具和软件。作为业界标准Power Architecture系列产品的一部分,最新的双核MCU受益于飞思卡尔的全面开发工具以及VertiCal校准解决方案的多核支持的第三方。随着性能要求的提高,转换非常简单。有几家公司为软件工具,编译器和调试器提供了大量的开发工具。
Power Architecture技术在汽车领域的广泛使用吸引了许多第三方工具开发商。这简化了系统设计人员的工作,尽管他们解决的问题远比过去复杂得多。熟悉Power Architecture工具集的设计人员可以很方便地将其用于双核处理器。全面的软件兼容性可缩短开发时间并缩短上市时间。双核MCU为其他Power Architecture系列成员提供了非常简单的迁移路径,并且与单核MPC5674F兼容。因此,这些工具集中的投资适用于下一代处理器。另外,MPC5676R的6 MB非易失性闪存支持计算密集型建模环境和自动代码生成软件工具(如AUTOSAR),无需增加片外存储器的成本和复杂性。此外,飞思卡尔现在提供了一个完整的集成开发环境,以100%的周期精度来设计,测试和调试eTPU软件。

动力总成启用的历史

自20世纪70年代最早的MCU应用以来,飞思卡尔一直是汽车动力总成的一个组成部分,当时需要开创性技术来满足清洁空气法规。1998年推出的32位Power Architecture技术开创了动力总成性能的新纪元,成为业内最成功的32位动力总成微控制器系列。
现在,随着汽车制造商及其一级供应商应对全球每个地区的新排放和燃油经济性问题,基于Power Architecture技术的灵活双核MCU为他们提供性能和设计工具,以解决极其复杂的问题变成可以解决的情况。

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