汽車的自動(dòng)駕駛、電池管理、動(dòng)力傳動(dòng)系以及充電樁的相關(guān)技術(shù)導(dǎo)向

摘要：本文從ADAS(高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng))、電池管理、Powertrain(動(dòng)力傳動(dòng)系)以及充電樁四個(gè)方面分析了當(dāng)下傳統(tǒng)汽車和新能源汽車的相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，并邀請(qǐng)專業(yè)技術(shù)專家探討了汽車行業(yè)的技術(shù)變革的挑戰(zhàn)和發(fā)展思路。

　　1990年一輛普通乘用車中電子元器件所占的價(jià)值約62美元，而2015年已攀升至二三百美元。一輛車如果售價(jià)10萬元人民幣，成本價(jià)值約3~4萬人民幣，電子元器件在普通的乘用車中大概是2000~3000元人民幣的價(jià)值水平。如果是電動(dòng)汽車、新能源汽車，車用電子元器件的數(shù)值還要更高，數(shù)值取決于它的傳動(dòng)或電子設(shè)備。

　　預(yù)計(jì)2016年全世界投產(chǎn)輕型車9000萬輛，中國(guó)是2500萬輛左右。如果加上重型卡車，還要增加幾百萬輛。另據(jù)中汽協(xié)發(fā)布的數(shù)據(jù)，中國(guó)品牌大搶風(fēng)頭，其中本土品牌乘用車2015年共銷售874萬輛，同比增長(zhǎng)15.3%，占乘用車銷售總量的41.3%。另外新能源車增長(zhǎng)迅速，預(yù)計(jì)2016年將會(huì)達(dá)到70萬輛。

　　可見，車用電子元器件廠商迎來了最好的時(shí)代。本文將聚焦新能源車、自動(dòng)駕駛，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外元器件原廠、IDH(獨(dú)立設(shè)計(jì)公司)、代理商等展開討論。

電池管理芯片及解決方案

　　電池管理芯片需要更高的測(cè)量精度和更完備的安全機(jī)制

　　隨著業(yè)界對(duì)電池電量計(jì)算的精度要求不斷提高，以及越來越優(yōu)異的電池工藝技術(shù)的出現(xiàn)，使得電池充放電曲線更加平坦，所以電池管理芯片需要擁有更高的測(cè)量精度。另外，由于鋰電池的失效特性，電池管理系統(tǒng)的可靠性和安全性至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)廠商開始關(guān)注系統(tǒng)級(jí)的安全性設(shè)計(jì)以及ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的引入。集成越來越完備的故障報(bào)錯(cuò)機(jī)制、數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制以及冗余監(jiān)控機(jī)制是當(dāng)下新的技術(shù)趨勢(shì)，這也正是ADI在電池管理芯片領(lǐng)域致力的方向。

　　電池管理系統(tǒng)：ADI已經(jīng)推出一系列可應(yīng)用在混合動(dòng)力車及純電動(dòng)車上的鋰電池監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)品，這些系統(tǒng)集成了鋰電池安全監(jiān)控器，可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)故障安全電路診斷，并為之構(gòu)建安全環(huán)境的安全監(jiān)控器件。該器件由電池組供電，可以針對(duì)過壓、過溫或欠壓這三種狀況中的任何一種提供共享式或單獨(dú)式報(bào)警。

　　電流檢測(cè)：ADI公司在傳統(tǒng)12V鉛酸電池管理領(lǐng)域中位列首席，在全球占有超過95%的市場(chǎng)份額。中國(guó)國(guó)內(nèi)很多大城市，存在比較嚴(yán)重的擁堵情況。智能的鉛酸電池管理可以使能啟停系統(tǒng)，在電池能夠支撐用電的情況下關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，以降低油耗，更重要的是可以大幅度降低對(duì)環(huán)境的污染。ADI的電流檢測(cè)芯片ADuCM703x/ ADuCM33x可以精確檢測(cè)電池組的電流，不但可以用于傳統(tǒng)的啟停系統(tǒng)，也被很多國(guó)內(nèi)外客戶大量使用在鋰電池的管理系統(tǒng)中，對(duì)電池組的電流進(jìn)行精確監(jiān)控。

　　隔離：在電池管理和電機(jī)控制系統(tǒng)中，很多地方要進(jìn)行強(qiáng)弱電信號(hào)的隔離。ADI的iCoupler ?和isoPower ?系列數(shù)據(jù)和電源隔離器，具備優(yōu)異的數(shù)據(jù)速率和功率消耗，同時(shí)滿足隔離等級(jí)要求。我們也正在推出新一代有著更高EMC性能和可靠性的產(chǎn)品，以幫助國(guó)內(nèi)外客戶達(dá)到日益提高的新能源車各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　電機(jī)控制：相對(duì)于可在變速箱、EPS和HEV/EV電機(jī)中用于電機(jī)軸角度和速度測(cè)量的AD2S1205和AD2S1210。ADI的ADA4571，集成了信號(hào)調(diào)理放大器和ADC驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生兩路模擬輸出，可用于指示周圍磁場(chǎng)的角位置。其在一個(gè)封裝中包含兩個(gè)芯片、一個(gè)AMR傳感器和一個(gè)固定增益(標(biāo)稱增益為40)儀表放大器，提供與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角度相關(guān)的干凈且放大的余弦和正弦輸出信號(hào)。輸出電壓范圍與電源電壓成比例。該芯片可用于下一代電機(jī)控制的應(yīng)用，大大降低系統(tǒng)成本，并且達(dá)到很好的功能性能。

　　TI通過主動(dòng)均衡16節(jié)電池方案提升EV/HEV效率

　　據(jù)IHS，2016年中國(guó)汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)總值將達(dá)到60億美元。平均每量車中的半導(dǎo)體約占兩三千元人民幣。由于我國(guó)政府采購(gòu)用車30%是新能源車，因此半導(dǎo)體含量更高的新能源車受到矚目。

　　但是新能源車的痛點(diǎn)主要是電池，其中之一是電池充電，人們擔(dān)心電池壽命——最后充不了多少電了。

　　電池充電通常有主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種方法。通過采用主動(dòng)均衡方案時(shí)，電池的潛能可被完全釋放出來。例如，在上海已有EV公交車使用了TI主動(dòng)均衡方案。理論上，EV公交車的行駛里程充滿電能跑150公里。實(shí)際運(yùn)營(yíng)當(dāng)中只跑了83公里，后來TI幫助優(yōu)化了其方案，原先的被動(dòng)平衡換成了主動(dòng)平衡，現(xiàn)在能跑到約105公里。可見，從早期的被動(dòng)方案換成了主動(dòng)均衡方案，有25%、26%的行駛里程增加。

　　為了促進(jìn)主動(dòng)均衡的采用，TI于2016年7月將上市16節(jié)主動(dòng)均衡方案——TIDA-00817?！巴ㄟ^實(shí)用精確的主動(dòng)均衡，TIDA-00817可以充分利用電池的電量，從而使汽車跑得更遠(yuǎn)。”姚志成說：“另外，內(nèi)置自檢有助于驗(yàn)證內(nèi)部功能，其中包括集成的電壓比較器，可以將電池電壓保持在正確范圍內(nèi)，防止意外發(fā)生?！?/p>

　　具體地，TIDA-00817的亮點(diǎn)是：基于bq76PL455A-Q1可堆疊式監(jiān)視器和保護(hù)器，可用于大容量鋰離子電池。另外，可進(jìn)行16節(jié)鋰離子電池的高度準(zhǔn)確地監(jiān)視。有集成保護(hù)器。具備高度系統(tǒng)可靠性，包括具有1Mb/s可堆疊隔離式差分UART;支持導(dǎo)線開路檢測(cè)?？蓪?shí)現(xiàn)2～5A主動(dòng)均衡，可以完全隔離傳輸至外部12V電源/電池。

　　Intersil用于鋰離子電池單元均衡的IC產(chǎn)品

　　性能和安全目標(biāo)是開發(fā)人員在選擇用于電池管理應(yīng)用的IC產(chǎn)品重要因素。性能主要由IC 中模擬前端、精密基準(zhǔn)源和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)三個(gè)關(guān)鍵功能塊來決定的。這些功能塊的性能對(duì)精度和溫度穩(wěn)定性有直接影響，這關(guān)系到對(duì)電池組的可用電能的準(zhǔn)確測(cè)量以及整體電池組的壽命。電池系統(tǒng)工程師將這些參數(shù)稱為電池的健康狀態(tài)和充電狀態(tài)，并用它們來進(jìn)行一些測(cè)定，例如汽車電池可行使多少里程。

　　Intersil的現(xiàn)有產(chǎn)品系列使用的是無源電池單元均衡技術(shù)。無源均衡可為目前的高質(zhì)量和高度穩(wěn)定的鋰電池單元提供最佳成本/性能比。至于安全方面，這些先進(jìn)的電池監(jiān)測(cè)IC可防止高能鋰電池單元達(dá)到臨界工作極限：充電期間的過壓、放電期間的欠壓、過溫工作、電池單元均衡失配以及對(duì)單獨(dú)電池組產(chǎn)品的短路電流故障檢測(cè)。通過準(zhǔn)確和及時(shí)的監(jiān)測(cè)，鋰電池組能夠保持多年的良好工作狀態(tài)。

　　Intersil近期推出的ISL78610是一款最多可級(jí)聯(lián)14個(gè)器件的12通道汽車級(jí)電池監(jiān)測(cè)器，該器件支持多種電池類型，可在獨(dú)立模式下用作主管理器件，或在需要更高汽車安全完整性等級(jí)(ASIL)時(shí)，連同ISL78600電池管理器一起用作后備器件。另外，Intersil還在不斷通過改進(jìn)流程和制造來改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品組合。

　　對(duì)于汽車電池組，ISL78600和ISL78610 12通道MCB IC中采用的菊鏈通信具有卓越的瞬態(tài)電阻和業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的EMC/EMI及熱插拔性能。另外，這些產(chǎn)品的初始精度和長(zhǎng)期漂移對(duì)溫度和電壓具有高度穩(wěn)定性。相關(guān)使用壽命和精度數(shù)字的測(cè)量和特征鑒定，是在PCB上而非簡(jiǎn)單地在器件層面(出廠時(shí))進(jìn)行的。而且，通過采用全差分模擬前端，電池單元測(cè)量輸入允許電壓為負(fù)值。通過采用高度節(jié)省空間的64引線方形封裝，客戶能夠優(yōu)化其PCB布局。

主動(dòng)駕駛或主動(dòng)安全的挑戰(zhàn)

　　瑞薩電子通過硬件實(shí)現(xiàn)的ADAS功能效率更高

　　作為一家半導(dǎo)體公司，在ADAS(高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng))應(yīng)用方面，瑞薩電子與第三方合作已經(jīng)可以提供包括軟件和硬件的整套解決方案，對(duì)于比較基礎(chǔ)的功能都已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，而且針對(duì)不同的市場(chǎng)和客戶需求，可以提供具有不同功能的套件。

　　完全自動(dòng)駕駛是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅需要精準(zhǔn)的雷達(dá)和各種傳感器如攝像頭，還需要每輛汽車能夠?qū)崿F(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)功能，車與車之間要有信息交換，車與基礎(chǔ)設(shè)施之間也要有信息交換。V2X(車對(duì)外界的信息交換)可以通過基站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)車與其周邊環(huán)境的信息交換，而這項(xiàng)技術(shù)，美國(guó)政府的相關(guān)規(guī)定將在2019年正式實(shí)施。而如今，由于基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善，這項(xiàng)技術(shù)即使配備到車上，也無法完全依賴它。瑞薩電子在V2X應(yīng)用方面，可以提供針對(duì)歐美5.9GHz和日本760MHz標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。

　　雷達(dá)方面，國(guó)外主要是77GHz的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)目前一般為24GHz，而且還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。隨著77GHz標(biāo)準(zhǔn)的成本逐漸降低，技術(shù)逐漸成熟，未來國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)也可能向國(guó)外的77GHz標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展。瑞薩電子在這一部分，主要是做信息融合和處理控制，通過跟傳感器廠商合作，提供整套軟件和硬件的雷達(dá)解決方案。

　　瑞薩電子采用專門的硬件IP處理器集成在專用SoC如R-Car產(chǎn)品系列，從一開始就將產(chǎn)品定義為汽車等級(jí)相關(guān)的產(chǎn)品要求。尤其是在ADAS應(yīng)用上，通過硬件來實(shí)現(xiàn)圖像處理和識(shí)別等相關(guān)功能，這樣也會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)效率更高，更穩(wěn)定。據(jù)悉，瑞薩電子還會(huì)將主動(dòng)安全和安防的功能模塊也集成到新一代R-Car的產(chǎn)品系列中。瑞薩電子最新開發(fā)的產(chǎn)品是引用駕駛艙的概念，即將整個(gè)儀表、導(dǎo)航多媒體信息娛樂系統(tǒng)和ADAS相關(guān)的功能集成到單一芯片來實(shí)現(xiàn)，R-Car產(chǎn)品可以提供最多八路攝像頭輸入和三路視頻輸出。目前市場(chǎng)上360環(huán)視系統(tǒng)只需4路攝像頭，隨著整車廠對(duì)未來視覺相關(guān)應(yīng)用的需求，瑞薩電子可以提供支持多達(dá)八路攝像頭的產(chǎn)品。通過和第三方合作，瑞薩電子提供包括軟件和硬件的整套解決方案給市場(chǎng)和客戶。

　　自動(dòng)駕駛技術(shù)需要增加更多的技術(shù)干預(yù)

　　ADAS的技術(shù)挑戰(zhàn)來自提升“輔助”特性的成效。許多ADAS系統(tǒng)局限于警告駕駛員，但汽車在哪里主動(dòng)剎車或轉(zhuǎn)向的“主動(dòng)安全”能力正在成長(zhǎng)。這些系統(tǒng)需要在更多情況下干預(yù)，如夜間駕駛、市區(qū)駕駛或識(shí)別騎車人及行人。具體挑戰(zhàn)包括平衡誤檢(無故剎車)和漏檢(未檢測(cè)到應(yīng)當(dāng)剎車的危險(xiǎn))，以及平衡成本和效益，使系統(tǒng)吸引汽車零售買家。全自動(dòng)駕駛加重這些挑戰(zhàn)，因?yàn)槠囆柙谒星闆r和所有條件可給定的任務(wù)參數(shù)導(dǎo)航，即使條件變化出人意料。這意味著傳感器的性能、算法和安全機(jī)制都足以滿足需求。

　　性能的改進(jìn)使傳感器能看到更多細(xì)節(jié)，并在最具挑戰(zhàn)性的汽車條件下做到。關(guān)鍵性能特性包括高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)、減少閃爍、高分辨率、夜視微光靈敏度以及高速接口、散熱特性和可選的協(xié)處理器以幫助客戶把圖像傳感器與其他系統(tǒng)元件整合。安森美半導(dǎo)體提供新的能力解決這些挑戰(zhàn)，提升傳感器性能及安全機(jī)制，具備全汽車級(jí)品質(zhì)。

　　功能安全是我們的產(chǎn)品另一重要特性，因?yàn)楦咚降闹鲃?dòng)安全和自動(dòng)化承擔(dān)更多駕駛?cè)蝿?wù)。安森美半導(dǎo)體的下一代圖像傳感器提供先進(jìn)的安全特性，使客戶能創(chuàng)建汽車安全完整性等級(jí)(ASIL)評(píng)定系統(tǒng)，符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。我們看到客戶針對(duì)安全應(yīng)用從ASIL B到最苛刻的ASIL D級(jí)。我們的安全特性通過對(duì)每幀嵌入式統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)告圖像傳感器健康，而不影響系統(tǒng)性能?？山鉀Q故障模式如凍結(jié)圖像幀、鏡像圖像(左到右)、部分凍結(jié)或重復(fù)圖像等，不加重系統(tǒng)CPU及軟件負(fù)擔(dān)。

　　ARM冗余和故障檢測(cè)助力自動(dòng)駕駛水平

　　賦予車輛(實(shí)際上任何“機(jī)器人”，例如無人機(jī))感知周圍環(huán)境的能力并安全地做出回應(yīng)，一直以來都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，計(jì)算機(jī)視覺行業(yè)致力于此已經(jīng)許多年了。然而過去幾年里，通過改善計(jì)算硬件和更強(qiáng)勁的視覺算法，計(jì)算機(jī)視覺行業(yè)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。高度自動(dòng)化或者全自動(dòng)汽車遲早會(huì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署。這只是一個(gè)時(shí)間問題。

　　我們從計(jì)算機(jī)視覺和人工智能技術(shù)研究人員和開發(fā)人員獲得關(guān)于汽車技術(shù)的反饋，他們可以使用幾乎無限量的計(jì)算能力。無論他們現(xiàn)在擁有多少，為其提供更多計(jì)算能力，有助于他們實(shí)現(xiàn)更多功能，例如更高分辨率相機(jī)，處理更多信息來源(例如，結(jié)合更多相機(jī)和雷達(dá)數(shù)據(jù))，或者僅僅是運(yùn)用以往遙不可及的新算法類型。

　　行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)在于在預(yù)算和溫度有限的條件下把這些功能集成到汽車上，同時(shí)還需要冗余和故障檢測(cè)來處理硬件故障。這正是ARM所擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。鑒于我們?cè)谝苿?dòng)市場(chǎng)已取得的成功, 低功耗和低成本一直以來都是我們的兩大前進(jìn)原動(dòng)力。

Powertrain：傳統(tǒng)車vs新能源車

　　Powertrian(動(dòng)力傳動(dòng)系)是汽車的核心技術(shù)之一，也是傳統(tǒng)汽車電子廠商的經(jīng)典絕活。如今的混動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車(HEV/EV)主要靠主功率電動(dòng)機(jī)等實(shí)現(xiàn)，這為powertrain帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　瑞薩0.9L/2.9L主驅(qū)電機(jī)控制方案

　　從現(xiàn)今全球低碳化需求來看，在可預(yù)見的將來，傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力總成技術(shù)還是要圍繞著節(jié)能減排的這個(gè)目標(biāo)前行。但是可提高的效率空間已經(jīng)非常小了。

　　中國(guó)目前有很明確的平均油耗和單車油耗標(biāo)準(zhǔn)。比如到2020年實(shí)現(xiàn)平均油耗5L/100km，這幾乎就在根本上要求所有的車廠必須實(shí)現(xiàn)新能源化。在新能源車Powertrain方面，未來的趨勢(shì)就在于：“小型化”、“高功率密度”、“高可靠性”和“高靈活性”。 瑞薩電子一直關(guān)注新能源汽車，尤其在主驅(qū)電機(jī)控制方面投入良多。我公司主推的MCU產(chǎn)品，現(xiàn)在占有全球72%的主驅(qū)電機(jī)控制器市場(chǎng)份額。

本文來源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第13頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。