汽车的自动驾驶、电池管理、动力传动系以及充电桩的相关技术导向

摘要：本文从ADAS(高级驾驶辅助系统)、电池管理、Powertrain(动力传动系)以及充电桩四个方面分析了当下传统汽车和新能源汽车的相关技术的发展情况，并邀请专业技术专家探讨了汽车行业的技术变革的挑战和发展思路。

　　1990年一辆普通乘用车中电子元器件所占的价值约62美元，而2015年已攀升至二三百美元。一辆车如果售价10万元人民币，成本价值约3~4万人民币，电子元器件在普通的乘用车中大概是2000~3000元人民币的价值水平。如果是电动汽车、新能源汽车，车用电子元器件的数值还要更高，数值取决于它的传动或电子设备。

　　预计2016年全世界投产轻型车9000万辆，中国是2500万辆左右。如果加上重型卡车，还要增加几百万辆。另据中汽协发布的数据，中国品牌大抢风头，其中本土品牌乘用车2015年共销售874万辆，同比增长15.3%，占乘用车销售总量的41.3%。另外新能源车增长迅速，预计2016年将会达到70万辆。

　　可见，车用电子元器件厂商迎来了最好的时代。本文将聚焦新能源车、自动驾驶，邀请国内外元器件原厂、IDH(独立设计公司)、代理商等展开讨论。

电池管理芯片及解决方案

电池管理芯片需要更高的测量精度和更完备的安全机制

　　随着业界对电池电量计算的精度要求不断提高，以及越来越优异的电池工艺技术的出现，使得电池充放电曲线更加平坦，所以电池管理芯片需要拥有更高的测量精度。另外，由于锂电池的失效特性，电池管理系统的可靠性和安全性至关重要。国内厂商开始关注系统级的安全性设计以及ISO26262标准的引入。集成越来越完备的故障报错机制、数据校验机制以及冗余监控机制是当下新的技术趋势，这也正是ADI在电池管理芯片领域致力的方向。

　　电池管理系统：ADI已经推出一系列可应用在混合动力车及纯电动车上的锂电池监控和保护系统产品，这些系统集成了锂电池安全监控器，可以帮助用户实现故障安全电路诊断，并为之构建安全环境的安全监控器件。该器件由电池组供电，可以针对过压、过温或欠压这三种状况中的任何一种提供共享式或单独式报警。

　　电流检测：ADI公司在传统12V铅酸电池管理领域中位列首席，在全球占有超过95%的市场份额。中国国内很多大城市，存在比较严重的拥堵情况。智能的铅酸电池管理可以使能启停系统，在电池能够支撑用电的情况下关闭发动机，以降低油耗，更重要的是可以大幅度降低对环境的污染。ADI的电流检测芯片ADuCM703x/ ADuCM33x可以精确检测电池组的电流，不但可以用于传统的启停系统，也被很多国内外客户大量使用在锂电池的管理系统中，对电池组的电流进行精确监控。

　　隔离：在电池管理和电机控制系统中，很多地方要进行强弱电信号的隔离。ADI的iCoupler ®和isoPower ®系列数据和电源隔离器，具备优异的数据速率和功率消耗，同时满足隔离等级要求。我们也正在推出新一代有着更高EMC性能和可靠性的产品，以帮助国内外客户达到日益提高的新能源车各项技术标准。

　　电机控制：相对于可在变速箱、EPS和HEV/EV电机中用于电机轴角度和速度测量的AD2S1205和AD2S1210。ADI的ADA4571，集成了信号调理放大器和ADC驱动器可以产生两路模拟输出，可用于指示周围磁场的角位置。其在一个封装中包含两个芯片、一个AMR传感器和一个固定增益(标称增益为40)仪表放大器，提供与旋转磁场角度相关的干净且放大的余弦和正弦输出信号。输出电压范围与电源电压成比例。该芯片可用于下一代电机控制的应用，大大降低系统成本，并且达到很好的功能性能。

　　TI通过主动均衡16节电池方案提升EV/HEV效率

　　据IHS，2016年中国汽车半导体市场总值将达到60亿美元。平均每量车中的半导体约占两三千元人民币。由于我国政府采购用车30%是新能源车，因此半导体含量更高的新能源车受到瞩目。

　　但是新能源车的痛点主要是电池，其中之一是电池充电，人们担心电池寿命——最后充不了多少电了。

　　电池充电通常有主动均衡和被动均衡两种方法。通过采用主动均衡方案时，电池的潜能可被完全释放出来。例如，在上海已有EV公交车使用了TI主动均衡方案。理论上，EV公交车的行驶里程充满电能跑150公里。实际运营当中只跑了83公里，后来TI帮助优化了其方案，原先的被动平衡换成了主动平衡，现在能跑到约105公里。可见，从早期的被动方案换成了主动均衡方案，有25%、26%的行驶里程增加。

　　为了促进主动均衡的采用，TI于2016年7月将上市16节主动均衡方案——TIDA-00817。“通过实用精确的主动均衡，TIDA-00817可以充分利用电池的电量，从而使汽车跑得更远。”姚志成说：“另外，内置自检有助于验证内部功能，其中包括集成的电压比较器，可以将电池电压保持在正确范围内，防止意外发生。”

　　具体地，TIDA-00817的亮点是：基于bq76PL455A-Q1可堆叠式监视器和保护器，可用于大容量锂离子电池。另外，可进行16节锂离子电池的高度准确地监视。有集成保护器。具备高度系统可靠性，包括具有1Mb/s可堆叠隔离式差分UART;支持导线开路检测。可实现2～5A主动均衡，可以完全隔离传输至外部12V电源/电池。

　　Intersil用于锂离子电池单元均衡的IC产品

　　性能和安全目标是开发人员在选择用于电池管理应用的IC产品重要因素。性能主要由IC 中模拟前端、精密基准源和模/数转换器(ADC)三个关键功能块来决定的。这些功能块的性能对精度和温度稳定性有直接影响，这关系到对电池组的可用电能的准确测量以及整体电池组的寿命。电池系统工程师将这些参数称为电池的健康状态和充电状态，并用它们来进行一些测定，例如汽车电池可行使多少里程。

　　Intersil的现有产品系列使用的是无源电池单元均衡技术。无源均衡可为目前的高质量和高度稳定的锂电池单元提供最佳成本/性能比。至于安全方面，这些先进的电池监测IC可防止高能锂电池单元达到临界工作极限：充电期间的过压、放电期间的欠压、过温工作、电池单元均衡失配以及对单独电池组产品的短路电流故障检测。通过准确和及时的监测，锂电池组能够保持多年的良好工作状态。

　　Intersil近期推出的ISL78610是一款最多可级联14个器件的12通道汽车级电池监测器，该器件支持多种电池类型，可在独立模式下用作主管理器件，或在需要更高汽车安全完整性等级(ASIL)时，连同ISL78600电池管理器一起用作后备器件。另外，Intersil还在不断通过改进流程和制造来改进现有产品组合。

　　对于汽车电池组，ISL78600和ISL78610 12通道MCB IC中采用的菊链通信具有卓越的瞬态电阻和业内领先的EMC/EMI及热插拔性能。另外，这些产品的初始精度和长期漂移对温度和电压具有高度稳定性。相关使用寿命和精度数字的测量和特征鉴定，是在PCB上而非简单地在器件层面(出厂时)进行的。而且，通过采用全差分模拟前端，电池单元测量输入允许电压为负值。通过采用高度节省空间的64引线方形封装，客户能够优化其PCB布局。

主动驾驶或主动安全的挑战

　　瑞萨电子通过硬件实现的ADAS功能效率更高

　　作为一家半导体公司，在ADAS(高级驾驶辅助系统)应用方面，瑞萨电子与第三方合作已经可以提供包括软件和硬件的整套解决方案，对于比较基础的功能都已经可以实现，而且针对不同的市场和客户需求，可以提供具有不同功能的套件。

　　完全自动驾驶是一个比较复杂的系统，不仅需要精准的雷达和各种传感器如摄像头，还需要每辆汽车能够实现车联网功能，车与车之间要有信息交换，车与基础设施之间也要有信息交换。V2X(车对外界的信息交换)可以通过基站进行网络无线传输方式实现车与其周边环境的信息交换，而这项技术，美国政府的相关规定将在2019年正式实施。而如今，由于基础设施不够完善，这项技术即使配备到车上，也无法完全依赖它。瑞萨电子在V2X应用方面，可以提供针对欧美5.9GHz和日本760MHz标准的解决方案。

　　雷达方面，国外主要是77GHz的标准，国内目前一般为24GHz，而且还没有形成统一的标准。随着77GHz标准的成本逐渐降低，技术逐渐成熟，未来国内的标准也可能向国外的77GHz标准发展。瑞萨电子在这一部分，主要是做信息融合和处理控制，通过跟传感器厂商合作，提供整套软件和硬件的雷达解决方案。

　　瑞萨电子采用专门的硬件IP处理器集成在专用SoC如R-Car产品系列，从一开始就将产品定义为汽车等级相关的产品要求。尤其是在ADAS应用上，通过硬件来实现图像处理和识别等相关功能，这样也会使得整个系统效率更高，更稳定。据悉，瑞萨电子还会将主动安全和安防的功能模块也集成到新一代R-Car的产品系列中。瑞萨电子最新开发的产品是引用驾驶舱的概念，即将整个仪表、导航多媒体信息娱乐系统和ADAS相关的功能集成到单一芯片来实现，R-Car产品可以提供最多八路摄像头输入和三路视频输出。目前市场上360环视系统只需4路摄像头，随着整车厂对未来视觉相关应用的需求，瑞萨电子可以提供支持多达八路摄像头的产品。通过和第三方合作，瑞萨电子提供包括软件和硬件的整套解决方案给市场和客户。

　　自动驾驶技术需要增加更多的技术干预

　　ADAS的技术挑战来自提升“辅助”特性的成效。许多ADAS系统局限于警告驾驶员，但汽车在哪里主动刹车或转向的“主动安全”能力正在成长。这些系统需要在更多情况下干预，如夜间驾驶、市区驾驶或识别骑车人及行人。具体挑战包括平衡误检(无故刹车)和漏检(未检测到应当刹车的危险)，以及平衡成本和效益，使系统吸引汽车零售买家。全自动驾驶加重这些挑战，因为汽车需在所有情况和所有条件可给定的任务参数导航，即使条件变化出人意料。这意味着传感器的性能、算法和安全机制都足以满足需求。

　　性能的改进使传感器能看到更多细节，并在最具挑战性的汽车条件下做到。关键性能特性包括高动态范围(HDR)、减少闪烁、高分辨率、夜视微光灵敏度以及高速接口、散热特性和可选的协处理器以帮助客户把图像传感器与其他系统元件整合。安森美半导体提供新的能力解决这些挑战，提升传感器性能及安全机制，具备全汽车级品质。

　　功能安全是我们的产品另一重要特性，因为更高水平的主动安全和自动化承担更多驾驶任务。安森美半导体的下一代图像传感器提供先进的安全特性，使客户能创建汽车安全完整性等级(ASIL)评定系统，符合ISO 26262标准。我们看到客户针对安全应用从ASIL B到最苛刻的ASIL D级。我们的安全特性通过对每帧嵌入式统计数据报告图像传感器健康，而不影响系统性能。可解决故障模式如冻结图像帧、镜像图像(左到右)、部分冻结或重复图像等，不加重系统CPU及软件负担。

　　ARM冗余和故障检测助力自动驾驶水平

　　赋予车辆(实际上任何“机器人”，例如无人机)感知周围环境的能力并安全地做出回应，一直以来都是一项挑战，计算机视觉行业致力于此已经许多年了。然而过去几年里，通过改善计算硬件和更强劲的视觉算法，计算机视觉行业已经取得了显著的进步。高度自动化或者全自动汽车迟早会实现大规模部署。这只是一个时间问题。

　　我们从计算机视觉和人工智能技术研究人员和开发人员获得关于汽车技术的反馈，他们可以使用几乎无限量的计算能力。无论他们现在拥有多少，为其提供更多计算能力，有助于他们实现更多功能，例如更高分辨率相机，处理更多信息来源(例如，结合更多相机和雷达数据)，或者仅仅是运用以往遥不可及的新算法类型。

　　行业所面临的挑战在于在预算和温度有限的条件下把这些功能集成到汽车上，同时还需要冗余和故障检测来处理硬件故障。这正是ARM所擅长的领域。鉴于我们在移动市场已取得的成功, 低功耗和低成本一直以来都是我们的两大前进原动力。

Powertrain：传统车vs新能源车

　　Powertrian(动力传动系)是汽车的核心技术之一，也是传统汽车电子厂商的经典绝活。如今的混动汽车和电动汽车(HEV/EV)主要靠主功率电动机等实现，这为powertrain带来了新的技术挑战。

　　瑞萨0.9L/2.9L主驱电机控制方案

　　从现今全球低碳化需求来看，在可预见的将来，传统汽车的动力总成技术还是要围绕着节能减排的这个目标前行。但是可提高的效率空间已经非常小了。

　　中国目前有很明确的平均油耗和单车油耗标准。比如到2020年实现平均油耗5L/100km，这几乎就在根本上要求所有的车厂必须实现新能源化。在新能源车Powertrain方面，未来的趋势就在于：“小型化”、“高功率密度”、“高可靠性”和“高灵活性”。 瑞萨电子一直关注新能源汽车，尤其在主驱电机控制方面投入良多。我公司主推的MCU产品，现在占有全球72%的主驱电机控制器市场份额。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第7期第13页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。