汽車(chē)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)導向

摘要：本文從ADAS(高級駕駛輔助系統)、電池管理、Powertrain(動(dòng)力傳動(dòng)系)以及充電樁四個(gè)方面分析了當下傳統汽車(chē)和新能源汽車(chē)的相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，并邀請專(zhuān)業(yè)技術(shù)專(zhuān)家探討了汽車(chē)行業(yè)的技術(shù)變革的挑戰和發(fā)展思路。

　　1990年一輛普通乘用車(chē)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(chē)如果售價(jià)10萬(wàn)元人民幣，成本價(jià)值約3~4萬(wàn)人民幣，電子元器件在普通的乘用車(chē)中大概是2000~3000元人民幣的價(jià)值水平。如果是電動(dòng)汽車(chē)、新能源汽車(chē)，車(chē)用電子元器件的數值還要更高，數值取決于它的傳動(dòng)或電子設備。

　　預計2016年全世界投產(chǎn)輕型車(chē)9000萬(wàn)輛，中國是2500萬(wàn)輛左右。如果加上重型卡車(chē)，還要增加幾百萬(wàn)輛。另?yè)衅麉f(xié)發(fā)布的數據，中國品牌大搶風(fēng)頭，其中本土品牌乘用車(chē)2015年共銷(xiāo)售874萬(wàn)輛，同比增長(cháng)15.3%，占乘用車(chē)銷(xiāo)售總量的41.3%。另外新能源車(chē)增長(cháng)迅速，預計2016年將會(huì )達到70萬(wàn)輛。

　　可見(jiàn)，車(chē)用電子元器件廠(chǎng)商迎來(lái)了最好的時(shí)代。本文將聚焦新能源車(chē)、自動(dòng)駕駛，邀請國內外元器件原廠(chǎng)、IDH(獨立設計公司)、代理商等展開(kāi)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量精度和更完備的安全機制

　　隨著(zhù)業(yè)界對電池電量計算的精度要求不斷提高，以及越來(lái)越優(yōu)異的電池工藝技術(shù)的出現，使得電池充放電曲線(xiàn)更加平坦，所以電池管理芯片需要擁有更高的測量精度。另外，由于鋰電池的失效特性，電池管理系統的可靠性和安全性至關(guān)重要。國內廠(chǎng)商開(kāi)始關(guān)注系統級的安全性設計以及ISO26262標準的引入。集成越來(lái)越完備的故障報錯機制、數據校驗機制以及冗余監控機制是當下新的技術(shù)趨勢，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：ADI已經(jīng)推出一系列可應用在混合動(dòng)力車(chē)及純電動(dòng)車(chē)上的鋰電池監控和保護系統產(chǎn)品，這些系統集成了鋰電池安全監控器，可以幫助用戶(hù)實(shí)現故障安全電路診斷，并為之構建安全環(huán)境的安全監控器件。該器件由電池組供電，可以針對過(guò)壓、過(guò)溫或欠壓這三種狀況中的任何一種提供共享式或單獨式報警。

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

　　隔離：在電池管理和電機控制系統中，很多地方要進(jìn)行強弱電信號的隔離。ADI的iCoupler ?和isoPower ?系列數據和電源隔離器，具備優(yōu)異的數據速率和功率消耗，同時(shí)滿(mǎn)足隔離等級要求。我們也正在推出新一代有著(zhù)更高EMC性能和可靠性的產(chǎn)品，以幫助國內外客戶(hù)達到日益提高的新能源車(chē)各項技術(shù)標準。

　　電機控制：相對于可在變速箱、EPS和HEV/EV電機中用于電機軸角度和速度測量的AD2S1205和AD2S1210。ADI的ADA4571，集成了信號調理放大器和ADC驅動(dòng)器可以產(chǎn)生兩路模擬輸出，可用于指示周?chē)艌?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(標稱(chēng)增益為40)儀表放大器，提供與旋轉磁場(chǎng)角度相關(guān)的干凈且放大的余弦和正弦輸出信號。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控制的應用，大大降低系統成本，并且達到很好的功能性能。

　　TI通過(guò)主動(dòng)均衡16節電池方案提升EV/HEV效率

　　據IHS，2016年中國汽車(chē)半導體市場(chǎng)總值將達到60億美元。平均每量車(chē)中的半導體約占兩三千元人民幣。由于我國政府采購用車(chē)30%是新能源車(chē)，因此半導體含量更高的新能源車(chē)受到矚目。

　　但是新能源車(chē)的痛點(diǎn)主要是電池，其中之一是電池充電，人們擔心電池壽命——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(guò)采用主動(dòng)均衡方案時(shí)，電池的潛能可被完全釋放出來(lái)。例如，在上海已有EV公交車(chē)使用了TI主動(dòng)均衡方案。理論上，EV公交車(chē)的行駛里程充滿(mǎn)電能跑150公里。實(shí)際運營(yíng)當中只跑了83公里，后來(lái)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，現在能跑到約105公里?？梢?jiàn)，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節主動(dòng)均衡方案——TIDA-00817?！巴ㄟ^(guò)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(chē)跑得更遠?！币χ境烧f(shuō)：“另外，內置自檢有助于驗證內部功能，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，防止意外發(fā)生?！?/p>

　　具體地，TIDA-00817的亮點(diǎn)是：基于bq76PL455A-Q1可堆疊式監視器和保護器，可用于大容量鋰離子電池。另外，可進(jìn)行16節鋰離子電池的高度準確地監視。有集成保護器。具備高度系統可靠性，包括具有1Mb/s可堆疊隔離式差分UART;支持導線(xiàn)開(kāi)路檢測?？蓪?shí)現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

　　性能和安全目標是開(kāi)發(fā)人員在選擇用于電池管理應用的IC產(chǎn)品重要因素。性能主要由IC 中模擬前端、精密基準源和模/數轉換器(ADC)三個(gè)關(guān)鍵功能塊來(lái)決定的。這些功能塊的性能對精度和溫度穩定性有直接影響，這關(guān)系到對電池組的可用電能的準確測量以及整體電池組的壽命。電池系統工程師將這些參數稱(chēng)為電池的健康狀態(tài)和充電狀態(tài)，并用它們來(lái)進(jìn)行一些測定，例如汽車(chē)電池可行使多少里程。

　　Intersil的現有產(chǎn)品系列使用的是無(wú)源電池單元均衡技術(shù)。無(wú)源均衡可為目前的高質(zhì)量和高度穩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)的電池監測IC可防止高能鋰電池單元達到臨界工作極限：充電期間的過(guò)壓、放電期間的欠壓、過(guò)溫工作、電池單元均衡失配以及對單獨電池組產(chǎn)品的短路電流故障檢測。通過(guò)準確和及時(shí)的監測，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是一款最多可級聯(lián)14個(gè)器件的12通道汽車(chē)級電池監測器，該器件支持多種電池類(lèi)型，可在獨立模式下用作主管理器件，或在需要更高汽車(chē)安全完整性等級(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(guò)改進(jìn)流程和制造來(lái)改進(jìn)現有產(chǎn)品組合。

　　對于汽車(chē)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(cháng)期漂移對溫度和電壓具有高度穩定性。相關(guān)使用壽命和精度數字的測量和特征鑒定，是在PCB上而非簡(jiǎn)單地在器件層面(出廠(chǎng)時(shí))進(jìn)行的。而且，通過(guò)采用全差分模擬前端，電池單元測量輸入允許電壓為負值。通過(guò)采用高度節省空間的64引線(xiàn)方形封裝，客戶(hù)能夠優(yōu)化其PCB布局。

主動(dòng)駕駛或主動(dòng)安全的挑戰

　　瑞薩電子通過(guò)硬件實(shí)現的ADAS功能效率更高

　　作為一家半導體公司，在ADAS(高級駕駛輔助系統)應用方面，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，對于比較基礎的功能都已經(jīng)可以實(shí)現，而且針對不同的市場(chǎng)和客戶(hù)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)比較復雜的系統，不僅需要精準的雷達和各種傳感器如攝像頭，還需要每輛汽車(chē)能夠實(shí)現車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能，車(chē)與車(chē)之間要有信息交換，車(chē)與基礎設施之間也要有信息交換。V2X(車(chē)對外界的信息交換)可以通過(guò)基站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)現車(chē)與其周邊環(huán)境的信息交換，而這項技術(shù)，美國政府的相關(guān)規定將在2019年正式實(shí)施。而如今，由于基礎設施不夠完善，這項技術(shù)即使配備到車(chē)上，也無(wú)法完全依賴(lài)它。瑞薩電子在V2X應用方面，可以提供針對歐美5.9GHz和日本760MHz標準的解決方案。

　　雷達方面，國外主要是77GHz的標準，國內目前一般為24GHz，而且還沒(méi)有形成統一的標準。隨著(zhù)77GHz標準的成本逐漸降低，技術(shù)逐漸成熟，未來(lái)國內的標準也可能向國外的77GHz標準發(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(guò)跟傳感器廠(chǎng)商合作，提供整套軟件和硬件的雷達解決方案。

　　瑞薩電子采用專(zhuān)門(mén)的硬件IP處理器集成在專(zhuān)用SoC如R-Car產(chǎn)品系列，從一開(kāi)始就將產(chǎn)品定義為汽車(chē)等級相關(guān)的產(chǎn)品要求。尤其是在A(yíng)DAS應用上，通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現圖像處理和識別等相關(guān)功能，這樣也會(huì )使得整個(gè)系統效率更高，更穩定。據悉，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(kāi)發(fā)的產(chǎn)品是引用駕駛艙的概念，即將整個(gè)儀表、導航多媒體信息娛樂(lè )系統和ADAS相關(guān)的功能集成到單一芯片來(lái)實(shí)現，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)視系統只需4路攝像頭，隨著(zhù)整車(chē)廠(chǎng)對未來(lái)視覺(jué)相關(guān)應用的需求，瑞薩電子可以提供支持多達八路攝像頭的產(chǎn)品。通過(guò)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(hù)。

　　自動(dòng)駕駛技術(shù)需要增加更多的技術(shù)干預

　　ADAS的技術(shù)挑戰來(lái)自提升“輔助”特性的成效。許多ADAS系統局限于警告駕駛員，但汽車(chē)在哪里主動(dòng)剎車(chē)或轉向的“主動(dòng)安全”能力正在成長(cháng)。這些系統需要在更多情況下干預，如夜間駕駛、市區駕駛或識別騎車(chē)人及行人。具體挑戰包括平衡誤檢(無(wú)故剎車(chē))和漏檢(未檢測到應當剎車(chē)的危險)，以及平衡成本和效益，使系統吸引汽車(chē)零售買(mǎi)家。全自動(dòng)駕駛加重這些挑戰，因為汽車(chē)需在所有情況和所有條件可給定的任務(wù)參數導航，即使條件變化出人意料。這意味著(zhù)傳感器的性能、算法和安全機制都足以滿(mǎn)足需求。

　　性能的改進(jìn)使傳感器能看到更多細節，并在最具挑戰性的汽車(chē)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(hù)把圖像傳感器與其他系統元件整合。安森美半導體提供新的能力解決這些挑戰，提升傳感器性能及安全機制，具備全汽車(chē)級品質(zhì)。

　　功能安全是我們的產(chǎn)品另一重要特性，因為更高水平的主動(dòng)安全和自動(dòng)化承擔更多駕駛任務(wù)。安森美半導體的下一代圖像傳感器提供先進(jìn)的安全特性，使客戶(hù)能創(chuàng )建汽車(chē)安全完整性等級(ASIL)評定系統，符合ISO 26262標準。我們看到客戶(hù)針對安全應用從ASIL B到最苛刻的ASIL D級。我們的安全特性通過(guò)對每幀嵌入式統計數據報告圖像傳感器健康，而不影響系統性能?？山鉀Q故障模式如凍結圖像幀、鏡像圖像(左到右)、部分凍結或重復圖像等，不加重系統CPU及軟件負擔。

　　ARM冗余和故障檢測助力自動(dòng)駕駛水平

　　賦予車(chē)輛(實(shí)際上任何“機器人”，例如無(wú)人機)感知周?chē)h(huán)境的能力并安全地做出回應，一直以來(lái)都是一項挑戰，計算機視覺(jué)行業(yè)致力于此已經(jīng)許多年了。然而過(guò)去幾年里，通過(guò)改善計算硬件和更強勁的視覺(jué)算法，計算機視覺(jué)行業(yè)已經(jīng)取得了顯著(zhù)的進(jìn)步。高度自動(dòng)化或者全自動(dòng)汽車(chē)遲早會(huì )實(shí)現大規模部署。這只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。

　　我們從計算機視覺(jué)和人工智能技術(shù)研究人員和開(kāi)發(fā)人員獲得關(guān)于汽車(chē)技術(shù)的反饋，他們可以使用幾乎無(wú)限量的計算能力。無(wú)論他們現在擁有多少，為其提供更多計算能力，有助于他們實(shí)現更多功能，例如更高分辨率相機，處理更多信息來(lái)源(例如，結合更多相機和雷達數據)，或者僅僅是運用以往遙不可及的新算法類(lèi)型。

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

Powertrain：傳統車(chē)vs新能源車(chē)

　　Powertrian(動(dòng)力傳動(dòng)系)是汽車(chē)的核心技術(shù)之一，也是傳統汽車(chē)電子廠(chǎng)商的經(jīng)典絕活。如今的混動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)(HEV/EV)主要靠主功率電動(dòng)機等實(shí)現，這為powertrain帶來(lái)了新的技術(shù)挑戰。

　　瑞薩0.9L/2.9L主驅電機控制方案

　　從現今全球低碳化需求來(lái)看，在可預見(jiàn)的將來(lái)，傳統汽車(chē)的動(dòng)力總成技術(shù)還是要圍繞著(zhù)節能減排的這個(gè)目標前行。但是可提高的效率空間已經(jīng)非常小了。

　　中國目前有很明確的平均油耗和單車(chē)油耗標準。比如到2020年實(shí)現平均油耗5L/100km，這幾乎就在根本上要求所有的車(chē)廠(chǎng)必須實(shí)現新能源化。在新能源車(chē)Powertrain方面，未來(lái)的趨勢就在于：“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(chē)，尤其在主驅電機控制方面投入良多。我公司主推的MCU產(chǎn)品，現在占有全球72%的主驅電機控制器市場(chǎng)份額。

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