汽車(chē)的智能座艙、電池管理及距離感測將有何大變樣

汽車(chē)電子正推動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行一場(chǎng)深刻變革。據德勤2019年“全球汽車(chē)供應商調研報告”，從2018—2025年的預期來(lái)看，汽車(chē)重點(diǎn)發(fā)展方向之一是電動(dòng)化，相關(guān)的驅動(dòng)系統以及電池/燃料電池，都有約3倍的增幅。另外，自動(dòng)駕駛/ADAS和相應的傳感器部分，也會(huì )有超過(guò)2倍的增長(cháng)。再有，與電氣化相關(guān)的智能座艙也有快速發(fā)展。與此同時(shí)，汽車(chē)的傳統業(yè)務(wù)相對增長(cháng)緩慢或慢慢開(kāi)始下跌。

增長(cháng)最快的電驅動(dòng)、自動(dòng)駕駛/ADAS的傳感器、智能座艙等，未來(lái)將會(huì )有哪些大變樣？近日， ADI中國汽車(chē)技術(shù)市場(chǎng)高級經(jīng)理王星煒做客知乎直播，介紹了相關(guān)的變革及ADI的解決方案。

ADI中國 汽車(chē)技術(shù)市場(chǎng) 高級經(jīng)理 王星煒

1 智能化座艙

智能化座艙，即infotainment系統，應用方向是使坐在座艙中的人更加舒適，更有時(shí)間去享受出行的第三空間的車(chē)內相關(guān)設備；以及駕駛員駕車(chē)更加安全。

1）未來(lái)座艙會(huì )變成更加智能的座艙，變成一個(gè)非常獨立的聲音分區，可以說(shuō)坐在車(chē)的不同位置，聽(tīng)到的完全可以不一樣，這就需要非常強大的DSP處理器來(lái)做處理，需要主動(dòng)降噪（ANC）技術(shù)。為了減輕線(xiàn)纜重量，有很多車(chē)型在應用A²B總線(xiàn)。

2）人機操控的界面變得更加智能，例如通過(guò)紅外非接觸式手勢操控，還有現在比較流行的ToF攝像頭/帶景深攝象頭，把人的表情、手勢采集下來(lái)，做出相應的算法以后進(jìn)行非接觸操控。這種操控技術(shù)在手機上應用比較廣泛，例如手機的人臉識別和手勢識別，未來(lái)智能化座艙也將會(huì )引入這種人機交互系統。

3）隨著(zhù)自動(dòng)駕駛的普及，相應的駕駛員監控系統也會(huì )變得越來(lái)越重要，會(huì )有駕駛員的注意力監控系統，看駕駛員是不是一直在注意路面，是不是有能力接管駕駛權。

4）對駕駛員健康狀況的監控，可以去監測駕駛員心率或者血壓，監測駕駛員的狀態(tài)是不是適合去駕駛。如果不適合駕駛，自動(dòng)駕駛的相關(guān)功能會(huì )去接管汽車(chē)，停到路邊聯(lián)系并啟動(dòng)緊急呼叫系統。

以下介紹一下沉浸式音頻體驗所蘊含的高科技，包括A²B的總線(xiàn)和主動(dòng)降噪。

1.1 A²B總線(xiàn)

A²B的總線(xiàn)，全稱(chēng)是車(chē)內音頻總線(xiàn)（Automotive  Audio  Bus），是數字化的音頻總線(xiàn)。優(yōu)勢是：①可以使電動(dòng)車(chē)的能耗更低，使續航里程更長(cháng)；②傳輸數據的同時(shí)，也會(huì )有一定的供電能力；③相應軟件開(kāi)發(fā)也會(huì )更簡(jiǎn)單。

A²B為何使電動(dòng)車(chē)的能耗降低？因為通常音響的線(xiàn)束很粗，以保證音質(zhì)不下降。例如人們在家庭裝修時(shí)會(huì )發(fā)現，裝修成本中，只要有音響的布線(xiàn)，成本就會(huì )非常貴。A²B技術(shù)可以理解成把傳統音響數字化以后，對線(xiàn)束的要求就會(huì )降低，對應在車(chē)里，最大的好處是使用的線(xiàn)材重量更小，相應布線(xiàn)更簡(jiǎn)單，成本也會(huì )更低。

1.2 主動(dòng)降噪

生活中典型的是主動(dòng)降噪耳機。主動(dòng)降噪的理念是當你把耳塞塞到耳朵里，就會(huì )把噪音去除掉，你只會(huì )聽(tīng)到你想聽(tīng)的音樂(lè )和與別人交流的聲音。例如，當你乘坐飛機或者在很嘈雜的工作環(huán)境下，戴上主動(dòng)降噪的耳機，會(huì )覺(jué)得環(huán)境一下子安靜下來(lái)。實(shí)際上，主動(dòng)降噪在汽車(chē)里也有應用，可把車(chē)內的一些噪音，例如路噪和發(fā)動(dòng)機的噪音消除掉（如下圖），讓你專(zhuān)心聽(tīng)車(chē)內音響發(fā)出來(lái)的音樂(lè )，或者你打電話(huà)時(shí)，可以應用相應的技術(shù)，把聲音管理得更好。

具體地，傳統車(chē)內會(huì )有很多音響和喇叭的布線(xiàn)。主動(dòng)降噪技術(shù)會(huì )由控制器來(lái)控制這些喇叭，同時(shí)也會(huì )有A²B總線(xiàn)相應地把車(chē)內不同位置的麥克風(fēng)的噪音收集下來(lái)。除此之外，人們會(huì )發(fā)現有時(shí)候車(chē)在行駛中，有些噪音是非常低頻的噪音，可能是來(lái)自于車(chē)的震動(dòng)，所以主動(dòng)降噪控制器也會(huì )把車(chē)身四周的加速度、震動(dòng)信息等傳到主動(dòng)處理的控制器。這個(gè)控制器核心的技術(shù)往往是DSP技術(shù)。

主動(dòng)降噪的工作原理是把噪音采集過(guò)來(lái)，就是相應的聲音波形。通過(guò)喇叭處理后，給一個(gè)反向的波形，經(jīng)過(guò)抵消就會(huì )變成幅度較小的音頻波形，因而噪音變小了，變得更加安靜。這些噪音通過(guò)麥克風(fēng)或傳感器采集下來(lái)，通過(guò)主動(dòng)降噪的控制器產(chǎn)生反向波形，并通過(guò)相應的喇叭放出去抵消這些噪音。

可見(jiàn)，在車(chē)內有越來(lái)越多的主動(dòng)降噪的應用以后，音頻體驗會(huì )變得越來(lái)越好。ADI的音頻處理DSP技術(shù)與主動(dòng)降噪的優(yōu)勢有二：①有非常高的傳輸速率，而且是雙向的傳輸速率，對應的線(xiàn)束拓撲成本很低；同時(shí)傳輸延時(shí)也非常低，這樣可以帶來(lái)非常好的聲音處理表現。②在汽車(chē)里的應用和家里的應用不同的是，車(chē)會(huì )經(jīng)歷各種各樣的溫度/濕度、震動(dòng)，且電磁環(huán)境也非常復雜，因為有發(fā)動(dòng)機、電機和各種各樣的用電器，因此必須要經(jīng)過(guò)嚴苛的EMC（電磁兼容）性能相關(guān)測試，ADI的技術(shù)滿(mǎn)足車(chē)規級要求。

2 電氣驅動(dòng)的電芯監控與電池組管理

傳統的基于發(fā)動(dòng)機/內燃機的動(dòng)力總成，向2個(gè)方向發(fā)展：①向電氣化的驅動(dòng)系統發(fā)展，②向各種控制系統的電氣化發(fā)展（如下圖）。

2.1 電驅的難點(diǎn)

驅動(dòng)系統是怎么實(shí)現電氣化的呢？傳統車(chē)在前艙會(huì )有一個(gè)發(fā)動(dòng)機，現在整體新能源車(chē)在車(chē)底會(huì )有一個(gè)電池系統，即電池管理系統（BMS）。同時(shí)，由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的系統會(huì )慢慢過(guò)渡到由電機驅動(dòng)的系統，如果是四輪驅動(dòng)，后面和前面會(huì )各有一臺電機。

具體是怎么驅動(dòng)的呢？首先，電池給出來(lái)的電是直流電。人們日常用的電池往往是1.5V的5號電池，或者是手機鋰電池，是4V左右或3.7V的電壓。相較而言，電動(dòng)車(chē)使用的動(dòng)力電池電壓會(huì )高達400V的級別，屬于高壓電池，但是直流電。而電機驅動(dòng)車(chē)輪需要的是交流電。因此需要電機控制器去控制直流電向交流電轉換，再去控制電機車(chē)輪旋轉，相應的轉速，以及給多少動(dòng)力到車(chē)輪上。這是相應的電機控制器所需要完成的任務(wù)。

電機控制器到底有哪些組成部分？首先有控制器來(lái)控制相應電機的工況?？刂破餍枰须娫?，也需要有通信收發(fā)器，通信收發(fā)器也要考慮相應的隔離技術(shù)，因為高壓電池是400V，如果不隔離，出現漏電會(huì )引起人員的危險。

對應地，要把直流電轉換成高壓的交流電，需要應用到高壓的功率器件，常見(jiàn)的是IGBT的技術(shù)，未來(lái)是碳化硅MOSFET技術(shù)?，F在已經(jīng)有開(kāi)始使用碳化硅MOSFET技術(shù)了。

碳化硅MOSFET有一個(gè)問(wèn)題，它需要高壓大功率驅動(dòng)的信號。但是現在常用的MCU信號是弱電的，無(wú)法給出高壓、強的驅動(dòng)能力。這里面需要相應的隔離的門(mén)驅芯片（gate driver & Isolation），這也是ADI在電氣化中能夠提供的非常重要的技術(shù)。

2.2 電池管理的挑戰

電池主要有三類(lèi)。

1）圓柱形。例如某個(gè)品牌電動(dòng)車(chē)使用的就是圓柱型的鋰電池。而民用版的鋰電池，例如無(wú)人機或航模會(huì )用到圓柱型電池，一些大功率的手電筒用的也是圓柱型電池。不過(guò)，該品牌汽車(chē)使用的圓柱型電池總共用了7000顆！所以，民用與車(chē)用不同之處在于：我們平常使用的可能只要管好這一顆電池的狀態(tài)就可以了；但是車(chē)的電池用量非常大，電池管理是非常有挑戰性的。

2）軟包，例如手機上用的非常多的就是軟包的電芯，多個(gè)電芯組成電池組。

3）方殼型的電芯，每個(gè)電芯都需要做監控，同時(shí)多個(gè)電芯會(huì )組成電池組，也需要做監控。

因此，ADI產(chǎn)品家族不僅提供電芯監控，也提供電池組的監控，以及相應的電芯監控之間高壓隔離的通信技術(shù)，是非常完整的產(chǎn)品家族，為整個(gè)行業(yè)提供系統級的解決方案。其優(yōu)勢體現在：ADI完整的產(chǎn)品家族支持從最高800V到相應48V的弱混系統，同時(shí)提供非常高的精度、穩定性，以及現在主流的行業(yè)所需要的非常高的功能安全等級。

電池的管理是通過(guò)電芯的電壓來(lái)管理的，通過(guò)電芯電壓知道它有多少電量，因此需要準確地測量電芯的電壓，轉換成電量的信息。電池又由不同的材料組成，因此就有相應不同的放電曲線(xiàn)。例如磷酸鐵鋰電池的曲線(xiàn)會(huì )非常平。對非常平緩的曲線(xiàn)，每1mV對應的電池電量的百分比就非常關(guān)鍵。測量精度一旦有誤差，測量出來(lái)的電量就會(huì )有非常大的安全余量，這樣電池可以用的電量就變小了。

縱觀(guān)整個(gè)行業(yè)需要的電池應用的不同場(chǎng)景，從最小的48V弱混系統一直到插電混動(dòng)電池包，再往上電池組的級別還會(huì )做到串并聯(lián)。例如一些大巴車(chē)會(huì )很長(cháng)，需要不止一組電池組來(lái)提供相應的能量。除了大巴以外，還有一些其他的應用場(chǎng)景，例如電動(dòng)船舶，也會(huì )非常長(cháng)，里面也會(huì )有多組的電池組串并聯(lián)。而對于插電混動(dòng)和純電動(dòng)車(chē)，不同的電芯需要做非常多的串并聯(lián)，以組成1個(gè)電池組。因此，不同的使用場(chǎng)景會(huì )需要不同的產(chǎn)品家族去應對。ADI公司有齊全的產(chǎn)品家族去應對不同的使用場(chǎng)景需求。

2.3 ADI提升電池用電量的方案

電子產(chǎn)品世界記者的一個(gè)問(wèn)題是：我國的一些新能源車(chē)只講求續航里程，不太講究能耗，因此，電池技術(shù)下一步該怎么走？王星煒經(jīng)理解釋道，這其中即需要電池技術(shù)的革新提高能量密度，又需要電池管理技術(shù)支撐。ADI電池管理芯片的高精度性能能夠提升電池可用電量10%~15%。

因為總體來(lái)看，整個(gè)電池會(huì )有不同的層級，從前文所述的電芯最基本的底層到模塊層，到電池包層，再裝到車(chē)上，組成一個(gè)車(chē)級應用，車(chē)還會(huì )跟電網(wǎng)有相應的交互。電池管理中，400V的電池有接近96節或者100節的電芯在里面做串聯(lián)。相應的ADI技術(shù)就可以提供12通道、15通道或18通道的產(chǎn)品去應對客戶(hù)的不同需要，而且是通過(guò)雙絞隔離聚化鏈的架構去做相應的隔離通信，然后再把相應電芯的電壓和溫度信息去給到電池管理的主控芯片做相應的測量。

ADI的技術(shù)有哪些好處？ADI在汽車(chē)級的電池管理芯片就會(huì )用到掩埋式齊納參考源（Buried Zener），使整車(chē)的電池管理測量時(shí)達到最高的測量精度。就像一扎啤酒中，類(lèi)似于把啤酒上的泡沫減少（浪費掉的那部分電量盡量減少），留下我們可以喝的美酒的部分盡量多（能使用的電量盡量多），如下圖。也就是用高精度的測量技術(shù)，使相應的可用的電量最大化，最終擁有更多的續航里程。

現在A(yíng)DI迭代到第五代相應的產(chǎn)品，如果看行業(yè)內使用比較多的LTC6811 12串的系列，以及前面提到的15串、18串的產(chǎn)品，可見(jiàn)LTC6813產(chǎn)品系列是完整的產(chǎn)品家族，適合不同的應用場(chǎng)景。

因此，①ADI的產(chǎn)品家族提供業(yè)內最高的精度，帶來(lái)更長(cháng)的行駛里程。②A(yíng)DI也會(huì )提供業(yè)界最高的可靠性，體現在焊接完芯片以后，PCB（印制板）非常小，無(wú)需做產(chǎn)線(xiàn)額外的標定，因而節省了生產(chǎn)成本。③高的穩定性，體現在汽車(chē)方面，出廠(chǎng)時(shí)會(huì )有一個(gè)行駛質(zhì)保，例如是6年10萬(wàn)或15萬(wàn)公里的行駛，相應的關(guān)鍵部件不出現衰減，電池就是關(guān)鍵部件，要做穩定性的保障。ADI從芯片級別就給到汽車(chē)長(cháng)壽命、高性能的支撐。④系統級的解決方案，不僅體現在相應電壓電流的檢測功能性上，還包括對功能安全非常全面的支持。

2.4 看好無(wú)線(xiàn)BMS的潛力

另外，現在通信架構也有兩種發(fā)展方向，①有線(xiàn)的isoSPI。即BMS每個(gè)電芯模組上有1個(gè)采樣板，采樣板之間是通過(guò)隔離的雙絞線(xiàn)連接，組成1個(gè)環(huán)形的有線(xiàn)的拓撲。②無(wú)線(xiàn)的BMS（WBMS）架構，每個(gè)模塊之間不再有傳輸的通信線(xiàn)了。ADI在兩個(gè)方向都有耕耘，并十分看好無(wú)線(xiàn)BMS的發(fā)展潛力。

無(wú)線(xiàn)的優(yōu)勢是使得電池的全生命周期管理都可以獲得監控。例如，在電池生產(chǎn)的時(shí)候，可以與無(wú)線(xiàn)的管理系統做綁定，有點(diǎn)像電池的身份證。電池的身份證從生產(chǎn)的時(shí)候就跟著(zhù)電池，等到電池生產(chǎn)完送到倉庫去，在倉儲管理的時(shí)候，也是由無(wú)線(xiàn)BMS技術(shù)在做持續監控。等到電池在運輸中，以及最終裝車(chē)，都會(huì )有持續的記錄：這個(gè)電池是什么時(shí)候出廠(chǎng)的，行駛了多少里程，可用電量有沒(méi)有衰減，衰減到什么程度。

未來(lái)的一個(gè)發(fā)展的方向是通過(guò)無(wú)線(xiàn)BMS系統使得監控系統可以和電池進(jìn)行全生命周期的綁定，變成一個(gè)身份證。具體地，傳統車(chē)的使用周期大概是五六年或更長(cháng)時(shí)間，就會(huì )考慮變成二手車(chē)出售，再去買(mǎi)新車(chē)。這個(gè)周期內電動(dòng)車(chē)怎么去評估殘值？其中動(dòng)力電池的殘值評估就是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)?；谶@種無(wú)線(xiàn)通信的技術(shù)，電池里就有自己的無(wú)線(xiàn)身份證，會(huì )知道它的可用電量衰減到什么樣的程度，就可以評估它的殘值了。另外，如果這塊電池不再適合車(chē)用，還可以二次利用，例如變成一個(gè)大樓的備用電源或者數據中心的備用電源（如下圖）。

3 自動(dòng)駕駛的感測距離傳感器

3.1 毫米波雷達的進(jìn)化

現在路上很多汽車(chē)已配有自動(dòng)駕駛輔助系統。

一般駕駛輔助系統都需要非?？煽康膫鞲衅骷夹g(shù)?，F在按照自動(dòng)駕駛的技術(shù)來(lái)看，雷達技術(shù)和攝像頭技術(shù)是目前業(yè)界使用最廣泛的自動(dòng)駕駛的傳感器技術(shù)。ADI的雷達技術(shù)有什么不同？一般的雷達是自適應巡航的長(cháng)距離雷達，放在車(chē)輛中間的位置，也有的放在車(chē)輛后視鏡的位置?，F在做自動(dòng)駕駛的雷達會(huì )在車(chē)的4個(gè)角落都放。它們所需要做的就是探測障礙物。如果單去看現在業(yè)界的雷達方案，有按照頻率來(lái)分的，例如有24G/77GHz的毫米波雷達，類(lèi)似于蝙蝠超聲波通過(guò)回波檢測障礙物。毫米波雷達會(huì )發(fā)射微波，通過(guò)回波特性來(lái)知道障礙物在哪里。

傳統的24G/77G Hz雙方案，往往是分立式的方案，主流的芯片工藝是砷化鎵的工藝。由于與傳統的硅工藝不同，導致砷化鎵工藝的生產(chǎn)成本非常高?，F在的發(fā)展方向則是使用硅鍺工藝來(lái)降低成本，以及增強可集成度的特性。硅鍺工藝會(huì )更好地與傳統硅工藝技術(shù)來(lái)做整合，可以有更多的數字電路集成到這些芯片上去。未來(lái)的發(fā)展方向是：77GHz或79GHz更高頻率，基于硅來(lái)做相應的技術(shù)。因為隨著(zhù)工藝革新，CMOS硅技術(shù)也在完善。如果用硅來(lái)做高頻的射頻芯片，會(huì )有更高的集成度。

現在自動(dòng)駕駛的車(chē)在路上開(kāi)，會(huì )遇到一些問(wèn)題，例如行人較多的時(shí)候寸步難行，沒(méi)法往前開(kāi)了。如果有一個(gè)非常精細的雷達傳感器或者攝像頭，或者是后面會(huì )介紹的激光雷達技術(shù)，可以把障礙物區分出來(lái)，車(chē)就可以選擇繼續行駛還是需要做一些避讓?zhuān)@是自動(dòng)駕駛的一個(gè)需求，相應的雷達成像技術(shù)就會(huì )在這部分有非常好的支持。

ADI的雷達技術(shù)的優(yōu)勢之一是非常適合做成像雷達，不僅可以探測障礙物，還可以區分出多個(gè)障礙物之間的距離。這為更精細的區分障礙物提供了可靠的保障，給自動(dòng)駕駛一個(gè)量產(chǎn)的基礎。

3.2 激光雷達

現在激光雷達技術(shù)非常重要，以前傳統汽車(chē)車(chē)型在后視鏡的后方會(huì )有一個(gè)固態(tài)激光雷達作為緊急剎車(chē)來(lái)使用。

對于汽車(chē)，激光雷達最好是固態(tài)的激光雷達。什么是固態(tài)？即沒(méi)有旋轉部件，完全通過(guò)半導體的方案來(lái)制造不同的探測角度。這是ADI關(guān)注的一個(gè)發(fā)展方向。

3.3 ToF攝像頭

對于中短距離，ADI會(huì )提供ToF攝像頭技術(shù)，即景深攝像頭，背后也是激光技術(shù)，會(huì )有主動(dòng)光源，按照主動(dòng)光源反射的時(shí)間來(lái)計算出障礙物景深信息。

ToF激光技術(shù)在手機上的應用很多，例如 人臉識別技術(shù)，現在有些國產(chǎn)手機的人臉識別技術(shù)就是用ADI的ToF相關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現的。

3.4 慣性導航

慣性導航在一些高性能、高可靠性的航空器里使用得較多，包括一些民航飛機里面使用也比較多。導航器件在汽車(chē)里的應用變得越來(lái)越重要。例如如果是基于高清地圖的，在做自動(dòng)駕駛行駛時(shí)，沒(méi)法避免過(guò)隧道，例如要經(jīng)過(guò)高架橋下面時(shí)，GPS信號就會(huì )不好，這種場(chǎng)景下還是會(huì )需要相應的導航信息。這種導航信息就需要來(lái)自慣性導航的芯片持續給基于車(chē)的轉向或者車(chē)的加速度、減速度，來(lái)知道車(chē)的具體位置。

ADI慣性導航相應的芯片基于原來(lái)在民航飛行器中的很多經(jīng)驗，轉化成汽車(chē)應用，與傳統地從手機消費類(lèi)提升到汽車(chē)應用的方案不同。民航過(guò)度過(guò)來(lái)給汽車(chē)，擁有非常高的可靠性和精度。目前來(lái)看，長(cháng)里程（超過(guò)10公里）的行駛過(guò)程中，也會(huì )通過(guò)慣導相應的算法和技術(shù)把車(chē)的位置信息更新在車(chē)道里，給到基于高清地圖的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下慣導位置的導航支持。

4 汽車(chē)電子芯片的大趨勢

?由于未來(lái)汽車(chē)電子系統變得越來(lái)越復雜，因此不僅需要芯片解決方案，也需要相應的算法支持。因此，ADI等芯片公司不僅提供芯片，而且還有相應的軟件和算法支持，使各種應用可以快速普及到車(chē)上。

?需要較為齊全的產(chǎn)品家族，以及整套的解決方案，以方便各種型號的車(chē)盡快上市。