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汽车的智能座舱、电池治理及距离感测将有何大变样

作者:王莹时间:2020-04-03来源:电子产品世界收藏

汽车电子正推动汽车进行一场深刻变革。据德勤2019年“全球汽车供应商调研报告”,从2018—2025年的预期来看,汽车重点进展方向之一是电动化,相关的驱动系统以及电池/燃料电池,都有约3倍的增幅。另外,自动驾驶/ADAS和相应的传感器部分,也会有超过2倍的增长。再有,与电气化相关的智能也有快速进展。与此同时,汽车的传统业务相对增长缓慢或慢慢开始下跌。

本文引用地址:/article/202004/411689.htm

增长最快的电驱动、自动驾驶/ADAS的传感器、智能等,未来将会有哪些大变样?近日, ADI中国汽车技术市场高级经理王星炜做客知乎直播,介绍了相关的变革及ADI的解决方案。

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ADI中国 汽车技术市场 高级经理 王星炜

1 智能化

智能化座舱,即infotainment系统,应用方向是使坐在座舱中的人更加舒适,更有时间去享受出行的第三空间的车内相关设备;以及驾驶员驾车更加安全。

1)未来座舱会变成更加智能的座舱,变成一个非常独立的声音分区,可以说坐在车的不同位置,听到的完全可以不一样,这就需要非常强大的DSP处理器来做处理,需要主动降噪(ANC)技术。为了减轻线缆重量,有很多车型在应用A2B总线。

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2)人机操控的界面变得更加智能,例如通过红外非接触式手势操控,还有现在比较流行的ToF摄像头/带景深摄象头,把人的表情、手势采集下来,做出相应的算法以后进行非接触操控。这种操控技术在手机上应用比较广泛,例如手机的人脸识别和手势识别,未来智能化座舱也将会引入这种人机交互系统。

3)随着自动驾驶的普及,相应的驾驶员监控系统也会变得越来越重要,会有驾驶员的注意力监控系统,看驾驶员是不是一直在注意路面,是不是有能力接管驾驶权。

4)对驾驶员健康状况的监控,可以去监测驾驶员心率或者血压,监测驾驶员的状态是不是适合去驾驶。如果不适合驾驶,自动驾驶的相关功能会去接管汽车,停到路边联系并启动紧急呼叫系统。

以下介绍一下沉醉式音频体验所蕴含的高科技,包括A2B的总线和主动降噪。

1.1 A2B总线

A2B的总线,全称是车内音频总线(Automotive  Audio  Bus),是数字化的音频总线。优势是:①可以使电动车的能耗更低,使续航里程更长;②传输数据的同时,也会有一定的供电能力;③相应软件开发也会更简单。

A2B为何使电动车的能耗降低?因为通常音响的线束很粗,以保证音质不下降。例如人们在家庭装修时会发现,装修成本中,只要有音响的布线,成本就会非常贵。A2B技术可以理解成把传统音响数字化以后,对线束的要求就会降低,对应在车里,最大的好处是使用的线材重量更小,相应布线更简单,成本也会更低。

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1.2 主动降噪

生活中典型的是主动降噪耳机。主动降噪的理念是当你把耳塞塞到耳朵里,就会把噪音去除掉,你只会听到你想听的音乐和与别人交流的声音。例如,当你乘坐飞机或者在很嘈杂的工作环境下,戴上主动降噪的耳机,会觉得环境一下子安静下来。实际上,主动降噪在汽车里也有应用,可把车内的一些噪音,例如路噪和发动机的噪音消除掉(如下图),让你专心听车内音响发出来的音乐,或者你打电话时,可以应用相应的技术,把声音治理得更好。

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具体地,传统车内会有很多音响和喇叭的布线。主动降噪技术会由操纵器来操纵这些喇叭,同时也会有A2B总线相应地把车内不同位置的麦克风的噪音收集下来。除此之外,人们会发现有时候车在行驶中,有些噪音是非常低频的噪音,可能是来自于车的震动,所以主动降噪操纵器也会把车身四周的加速度、震动信息等传到主动处理的操纵器。这个操纵器核心的技术往往是DSP技术。

主动降噪的工作原理是把噪音采集过来,就是相应的声音波形。通过喇叭处理后,给一个反向的波形,经过抵消就会变成幅度较小的音频波形,因而噪音变小了,变得更加安静。这些噪音通过麦克风或传感器采集下来,通过主动降噪的操纵器产生反向波形,并通过相应的喇叭放出去抵消这些噪音。

可见,在车内有越来越多的主动降噪的应用以后,音频体验会变得越来越好。ADI的音频处理DSP技术与主动降噪的优势有二:①有非常高的传输速率,而且是双向的传输速率,对应的线束拓扑成本很低;同时传输延时也非常低,这样可以带来非常好的声音处理表现。②在汽车里的应用和家里的应用不同的是,车会经历各种各样的温度/湿度、震动,且电磁环境也非常复杂,因为有发动机、电机和各种各样的用电器,因此必须要经过严苛的EMC(电磁兼容)性能相关测试,ADI的技术满足车规级要求。

2 电气驱动的电芯监控与电池组治理

传统的基于发动机/内燃机的动力总成,向2个方向进展:①向电气化的驱动系统进展,②向各种操纵系统的电气化进展(如下图)。

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2.1 电驱的难点

驱动系统是怎么实现电气化的呢?传统车在前舱会有一个发动机,现在整体新能源车在车底会有一个电池系统,即电池治理系统()。同时,由发动机驱动的系统会慢慢过渡到由电机驱动的系统,如果是四轮驱动,后面和前面会各有一台电机。

具体是怎么驱动的呢?首先,电池给出来的电是直流电。人们日常用的电池往往是1.5V的5号电池,或者是手机锂电池,是4V左右或3.7V的电压。相较而言,电动车使用的动力电池电压会高达400V的级别,属于高压电池,但是直流电。而电机驱动车轮需要的是交流电。因此需要电机操纵器去操纵直流电向交流电转换,再去操纵电机车轮旋转,相应的转速,以及给多少动力到车轮上。这是相应的电机操纵器所需要完成的任务。

电机操纵器到底有哪些组成部分?首先有操纵器来操纵相应电机的工况。操纵器需要有电源,也需要有通信收发器,通信收发器也要考虑相应的隔离技术,因为高压电池是400V,如果不隔离,出现漏电会引起人员的危险。

对应地,要把直流电转换成高压的交流电,需要应用到高压的功率器件,常见的是IGBT的技术,未来是碳化硅MOSFET技术。现在已经有开始使用碳化硅MOSFET技术了。

碳化硅MOSFET有一个问题,它需要高压大功率驱动的信号。但是现在常用的MCU信号是弱电的,无法给出高压、强的驱动能力。这里面需要相应的隔离的门驱芯片(gate driver & Isolation),这也是ADI在电气化中能够提供的非常重要的技术。

2.2 电池治理的挑战

电池主要有三类。

1)圆柱形。例如某个品牌电动车使用的就是圆柱型的锂电池。而民用版的锂电池,例如无人机或航模会用到圆柱型电池,一些大功率的手电筒用的也是圆柱型电池。不过,该品牌汽车使用的圆柱型电池总共用了7000颗!所以,民用与车用不同之处在于:我们平常使用的可能只要管好这一颗电池的状态就可以了;但是车的电池用量非常大,电池治理是非常有挑战性的。

2)软包,例如手机上用的非常多的就是软包的电芯,多个电芯组成电池组。

3)方壳型的电芯,每个电芯都需要做监控,同时多个电芯会组成电池组,也需要做监控。

因此,ADI产品家族不仅提供电芯监控,也提供电池组的监控,以及相应的电芯监控之间高压隔离的通信技术,是非常完整的产品家族,为整个行业提供系统级的解决方案。其优势体现在:ADI完整的产品家族支持从最高800V到相应48V的弱混系统,同时提供非常高的精度、稳定性,以及现在主流的行业所需要的非常高的功能安全等级。

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电池的治理是通过电芯的电压来治理的,通过电芯电压知道它有多少电量,因此需要准确地测量电芯的电压,转换成电量的信息。电池又由不同的材料组成,因此就有相应不同的放电曲线。例如磷酸铁锂电池的曲线会非常平。对非常平缓的曲线,每1mV对应的电池电量的百分比就非常关键。测量精度一旦有误差,测量出来的电量就会有非常大的安全余量,这样电池可以用的电量就变小了。

纵观整个行业需要的电池应用的不同场景,从最小的48V弱混系统一直到插电混动电池包,再往上电池组的级别还会做到串并联。例如一些大巴车会很长,需要不止一组电池组来提供相应的能量。除了大巴以外,还有一些其他的应用场景,例如电动船舶,也会非常长,里面也会有多组的电池组串并联。而对于插电混动和纯电动车,不同的电芯需要做非常多的串并联,以组成1个电池组。因此,不同的使用场景会需要不同的产品家族去应对。ADI公司有齐全的产品家族去应对不同的使用场景需求。

2.3 ADI提升电池用电量的方案

电子产品世界记者的一个问题是:我国的一些新能源车只讲求续航里程,不太讲究能耗,因此,电池技术下一步该怎么走?王星炜经理解释道,这其中即需要电池技术的革新提高能量密度,又需要电池治理技术支撑。ADI电池治理芯片的高精度性能能够提升电池可用电量10%~15%。

因为总体来看,整个电池会有不同的层级,从前文所述的电芯最基本的底层到模块层,到电池包层,再装到车上,组成一个车级应用,车还会跟电网有相应的交互。电池治理中,400V的电池有接近96节或者100节的电芯在里面做串联。相应的ADI技术就可以提供12通道、15通道或18通道的产品去应对客户的不同需要,而且是通过双绞隔离聚化链的架构去做相应的隔离通信,然后再把相应电芯的电压和温度信息去给到电池治理的主控芯片做相应的测量。

ADI的技术有哪些好处?ADI在汽车级的电池治理芯片就会用到掩埋式齐纳参考源(Buried Zener),使整车的电池治理测量时达到最高的测量精度。就像一扎啤酒中,类似于把啤酒上的泡沫减少(浪费掉的那部分电量尽量减少),留下我们可以喝的美酒的部分尽量多(能使用的电量尽量多),如下图。也就是用高精度的测量技术,使相应的可用的电量最大化,最终拥有更多的续航里程。

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现在ADI迭代到第五代相应的产品,如果看行业内使用比较多的LTC6811 12串的系列,以及前面提到的15串、18串的产品,可见LTC6813产品系列是完整的产品家族,适合不同的应用场景。

因此,①ADI的产品家族提供业内最高的精度,带来更长的行驶里程。②ADI也会提供业界最高的可靠性,体现在焊接完芯片以后,PCB(印制板)非常小,无需做产线额外的标定,因而节省了生产成本。③高的稳定性,体现在汽车方面,出厂时会有一个行驶质保,例如是6年10万或15万公里的行驶,相应的关键部件不出现衰减,电池就是关键部件,要做稳定性的保障。ADI从芯片级别就给到汽车长寿命、高性能的支撑。④系统级的解决方案,不仅体现在相应电压电流的检测功能性上,还包括对功能安全非常全面的支持。

2.4 看好无线的潜力

另外,现在通信架构也有两种进展方向,①有线的isoSPI。即每个电芯模组上有1个采样板,采样板之间是通过隔离的双绞线连接,组成1个环形的有线的拓扑。②无线的BMS(WBMS)架构,每个模块之间不再有传输的通信线了。ADI在两个方向都有耕耘,并十分看好无线BMS的进展潜力。

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无线的优势是使得电池的全生命周期治理都可以获得监控。例如,在电池生产的时候,可以与无线的治理系统做绑定,有点像电池的身份证。电池的身份证从生产的时候就跟着电池,等到电池生产完送到仓库去,在仓储治理的时候,也是由无线BMS技术在做持续监控。等到电池在运输中,以及最终装车,都会有持续的记录:这个电池是什么时候出厂的,行驶了多少里程,可用电量有没有衰减,衰减到什么程度。

未来的一个进展的方向是通过无线BMS系统使得监控系统可以和电池进行全生命周期的绑定,变成一个身份证。具体地,传统车的使用周期大概是五六年或更长时间,就会考虑变成二手车出售,再去买新车。这个周期内电动车怎么去评估残值?其中动力电池的残值评估就是非常关键的一点。基于这种无线通信的技术,电池里就有自己的无线身份证,会知道它的可用电量衰减到什么样的程度,就可以评估它的残值了。另外,如果这块电池不再适合车用,还可以二次利用,例如变成一个大楼的备用电源或者数据中心的备用电源(如下图)。

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3 自动驾驶的感测距离传感器

3.1 毫米波的进化

现在路上很多汽车已配有自动驾驶辅助系统。

一般驾驶辅助系统都需要非常可靠的传感器技术。现在按照自动驾驶的技术来看,技术和摄像头技术是目前业界使用最广泛的自动驾驶的传感器技术。ADI的技术有什么不同?一般的雷达是自适应巡航的长距离雷达,放在车辆中间的位置,也有的放在车辆后视镜的位置。现在做自动驾驶的雷达会在车的4个角落都放。它们所需要做的就是探测障碍物。如果单去看现在业界的雷达方案,有按照频率来分的,例如有24G/77GHz的毫米波雷达,类似于蝙蝠超声波通过回波检测障碍物。毫米波雷达会发射微波,通过回波特性来知道障碍物在哪里。

传统的24G/77G Hz双方案,往往是分立式的方案,主流的芯片工艺是砷化镓的工艺。由于与传统的硅工艺不同,导致砷化镓工艺的生产成本非常高。现在的进展方向则是使用硅锗工艺来降低成本,以及增强可集成度的特性。硅锗工艺会更好地与传统硅工艺技术来做整合,可以有更多的数字电路集成到这些芯片上去。未来的进展方向是:77GHz或79GHz更高频率,基于硅来做相应的技术。因为随着工艺革新,CMOS硅技术也在完善。如果用硅来做高频的射频芯片,会有更高的集成度。

现在自动驾驶的车在路上开,会遇到一些问题,例如行人较多的时候寸步难行,没法往前开了。如果有一个非常精细的雷达传感器或者摄像头,或者是后面会介绍的激光雷达技术,可以把障碍物区分出来,车就可以选择继续行驶还是需要做一些避让,这是自动驾驶的一个需求,相应的雷达成像技术就会在这部分有非常好的支持。

ADI的雷达技术的优势之一是非常适合做成像雷达,不仅可以探测障碍物,还可以区分出多个障碍物之间的距离。这为更精细的区分障碍物提供了可靠的保障,给自动驾驶一个量产的基础。

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3.2 激光雷达

现在激光雷达技术非常重要,以前传统汽车车型在后视镜的后方会有一个固态激光雷达作为紧急刹车来使用。

对于汽车,激光雷达最好是固态的激光雷达。什么是固态?即没有旋转部件,完全通过半导体的方案来制造不同的探测角度。这是ADI关注的一个进展方向。

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3.3 ToF摄像头

对于中短距离,ADI会提供ToF摄像头技术,即景深摄像头,背后也是激光技术,会有主动光源,按照主动光源反射的时间来计算出障碍物景深信息。

ToF激光技术在手机上的应用很多,例如 人脸识别技术,现在有些国产手机的人脸识别技术就是用ADI的ToF相关技术来实现的。

3.4 惯性导航

惯性导航在一些高性能、高可靠性的航空器里使用得较多,包括一些民航飞机里面使用也比较多。导航器件在汽车里的应用变得越来越重要。例如如果是基于高清地图的,在做自动驾驶行驶时,没法幸免过隧道,例如要经过高架桥下面时,GPS信号就会不好,这种场景下还是会需要相应的导航信息。这种导航信息就需要来自惯性导航的芯片持续给基于车的转向或者车的加速度、减速度,来知道车的具体位置。

ADI惯性导航相应的芯片基于原来在民航飞行器中的很多经验,转化成汽车应用,与传统地从手机消费类提升到汽车应用的方案不同。民航过度过来给汽车,拥有非常高的可靠性和精度。目前来看,长里程(超过10公里)的行驶过程中,也会通过惯导相应的算法和技术把车的位置信息更新在车道里,给到基于高清地图的自动驾驶场景下惯导位置的导航支持。

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4 汽车电子芯片的大趋势

由于未来汽车电子系统变得越来越复杂,因此不仅需要芯片解决方案,也需要相应的算法支持。因此,ADI等芯片公司不仅提供芯片,而且还有相应的软件和算法支持,使各种应用可以快速普及到车上。

需要较为齐全的产品家族,以及整套的解决方案,以方便各种型号的车尽快上市。

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关键词: 座舱 BMS 雷达

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