编者按


一场疫情推动了线上视频直播的潮流,许多电子行业的主流厂商也纷纷加入,ADI 就是其中一家,本以为会是“软广”,一个多小时听下来,却感觉十分“硬核”,于是写下文字,一方面是一种记录,另一方面也为了与大家分享,希望给在汽车行业传统岗位上,或是即将进入汽车行业的工程师们一点启示。


汽车产业发展方向解读


 
2019 Global Automotive Supplier Study | 信息源:Deloitte


根据德勤全球的数据,2018 年全球汽车供应商的总收入为 1.7 万亿美元。从 2018-2025 年的预期来看,一方面,与车身或是传统发动机和变速箱相关的业务将呈现增长缓慢或者慢慢开始下跌的趋势,某些细分市场甚至可能面临高达 20%的收入流失;而另一方面,一些增长较快的细分市场可能实现收入增加两倍以上。其中,电气化驱动系统、电池和燃料电池是最具增长潜力和差异化能力的领域,将有超过或接近 3 倍的增长幅度;ADAS 和传感器部分紧随其后,也会有超过 2 倍的增长幅度。


因此,我们可以从报告中得出一个结论:智能化、电气化和自动驾驶将是汽车发展的三大主要推动力。


下面分别针对汽车智能化、电气化和自动驾驶三个方向,深入浅出地谈一下其中将涉及的行业痛点与解决方案解析。


“智能化、电气化、智能驾驶”进程中的行业痛点与技术解析


智能化


当我们谈汽车智能化,一般指的就是智能化座舱,也就是被我们称之为 infotainment 的系统,它存在的意义在于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。


那么,智能化座舱具体是指哪些方面的技术呢?


一是沉浸式的音频体验;二是相应的主动降噪、超宽带回声消除以及定向麦克风技术。


而要达到这些效果,除了需要顶级麦克风、扬声器技术和 3D 音频技术以外,对传输线束的要求也很高。大家知道音响的线束大都非常粗,目的是为了保证音频质量。如果大家有过装修经验,就会发现,只要有音响的布线,装修成本就会非常高。


那么如何才能在降低成本的同时,还能满足上述需求呢?


学过数电和 DSP 课程的小伙伴是不是和我有了同样的想法?那就是把传统音响数字化,然后采用数字化总线传输替代模拟信号传输,这样就能降低在传输过程中的损耗和对线束的要求,降低线材重量,简化布线过程,软件开发与算法复杂度也会大大降低。站在电动汽车的角度上,数字化的音频总线在传输数据的同时,具有一定的供电能力,因此还能降低整车能耗,拉长续航里程。其实,我们已经能在不少车内的音响品牌中找到 ADI 的这项 A2B 技术。


A2B 技术,什么意思?


 
Automotive Audio Bus | 信息源:ADI


ADI 中国汽车技术市场高级经理王星炜告诉我们:“A2B,是英文 Automotive Audio Bus 的缩写,全称是车内音频总线,对整个声音的营造会有更多的基于总线的数字化理念应用在里面,也有相应的产品。”


那么除了采用数字总线传输以外,我们的汽车制造商或者说解决方案提供商还能为提升智能化座舱音频体验做点什么呢? 


那就是不得不提时下流行的“主动降噪技术了”,可能有的小伙伴要问,主动降噪到底是什么概念?生活中,我们能够买的到很多主动降噪产品,如主动降噪耳机,它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别人交流的声音,里面也采用了 ADI 的音频处理技术。而这项技术,对于汽车领域同样适用。


下面我们来了解一下汽车是如何实现主动降噪的?


首先通过车内不同位置的麦克风或传感器将噪音收集下来,包括车身四周的加速度、震动信息,然后通过 A2B 总线传到主动处理控制器,该控制器的核心技术是 ADI 音频处理 DSP 技术(芯片+算法),它可以将收集来的声音波形进行反向,再来控制相应的喇叭放出去抵消这些噪音,从而实现主动降噪的效果。


 
主动降噪原理示意图 | 信息源:ADI


当然,未来更深层次的智能化座舱还将包括独立的声音分区、智能的人机交互系统、驾驶员健康安全监控等,这些都将随着 ADAS 和传感器技术的发展而逐渐走向成熟化。


电气化

 

  • 电气化驱动系统


首先,我们来了解一下电气化系统是什么样的?


这得从电气化架构开始讲起,电气化架构正从传统的基于发动机的架构、基于内燃机的动力总成,往两个方向发展:一个是往电气化的驱动系统发展,另一个是各种控制系统的电气化发展。


 
电气化驱动架构 | 信息源:ADI


接下来,我们再来了解一下驱动系统到底是怎么实现电气化的?


传统车在前舱会有一个发动机,而现在整体新能源车在车底会有一个电池系统,包括电池管理和动力电池系统。未来,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个电机。


具体是怎么驱动的呢?首先,电池给出来的电是直流电,大家用过传统电池,我们手边可接触到的电池基本是 1.5V 的 5 号电池,或者是手机锂电池,差不多是 4V 左右或 3.7V 的电压。新能源电动车使用的动力电池电压会达到 400V 的级别,它是一个高压电池,但是直流电。而电机驱动车轮,它所需要的是交流电。当中需要有一个电机控制器去控制直流电到交流电的转换,同时要控制电机车轮去旋转,相应的转速,以及给多少动力到车轮上。这是相应的电机控制器所需要完成的任务。


电机控制器到底有哪些组成部分呢?首先有控制器来控制相应电机的工况。控制器需要有电源,也需要有通信收发器,通信收发器也要考虑相应隔离的技术,因为高压电池是 400V,不做隔离的话出现一些漏电会引起人员的危险。


对应来说,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,常见的是现在 IGBT 的技术,少数已经开始使用 SIC MOSFET 技术了,但未来绝对是属于 SIC MOSFET 的世界。


SIC MOSFET 有一个问题,它需要高压大功率驱动的信号。MCU 信号是弱电的,它没法给出那么高压、那么强的驱动能力。这里面相应的隔离门驱芯片,我们叫做 gate driver & Isolation 芯片,也是 ADI 在电气化中非常重要的技术。


前面提到的 BMS 芯片,有隔离的通信芯片和驱动芯片,也有电机位置传感器芯片。在电机位置传感器方面,ADI 中国汽车技术市场高级经理王星炜告诉我们:“ADI 有非常高市占率的传感器方案,就是旋转变压器方案,也会有相应的电流传感、电压传感和供电方案给客户做这样一个高压电气化驱动架构。”

 

  • 电池管理


说完了电气化的架构,我们来看看电池管理是什么样的?


某个品牌电动汽车使用的就是圆柱型的锂电池。而民用版的锂电池,大家平常有很多地方都会用到,比如无人机或者玩航模的都会用到圆柱型电池,一些大功率的手电筒用的也是圆柱型电池。有网友提到,该品牌汽车使用的圆柱型电池也是 18650,但它总共用了有 7000 颗圆柱型电池。所以,民用和车用的不同就体现在这一点:我们平常使用可能只要管好这一颗电池的状态就可以了,但车的用量非常大,像圆柱型电池,如果用 7000 多颗的话,电池管理是非常有挑战的。


除了圆柱型的电池之外还有另外两种,一个是软包,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;另一个是方壳型的电芯,每个电芯都需要做监控,同时多个电芯会组成一个电池组,也需要做监控。因此,ADI 中国汽车技术市场高级经理王星炜表示,“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,是一个非常完整的产品家族,给到整个行业一个系统级的解决方案。主要好在哪儿?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。现在通信架构也有两种发展方向,有有线的 iso SPI 方向,也有无线的 BMS 架构。总体来说,ADI 完整而全面的产品家族,使得整个系统往更低系统成本的方向发展。”


既然提到了电池管理和电芯监控,那我们不妨再来了解一下其中原理。


电池管理都是通过电芯电压来管理的,说白了就是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。电池又会有不同的材料,不同的材料就有相应不同的放电曲线。比如磷酸铁铝的曲线就会非常平。对非常平缓的曲线,每一毫伏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。


 
电池管理 | 信息源:ADI


我们来看一下整个行业需要的电池应用的不同场景。


电池应用场景会从最小的 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。比如一些大巴车、电动船舶,身长较长,需要不止一组电池组串并联来提供相应的能量。而对于插电混动和纯电动车来说,不同的电芯需要做非常多的串并联组成一个电池组。因此,不同的使用场景会需要不同的产品家族去应对。


总体来看,整个电池会有不同的层级,从前面说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。电池管理中,400V 的电池有接近 96 节或者 100 节的电芯在里面做串联。ADI 中国汽车技术市场高级经理王星炜表示,“目前 ADI 技术已迭代到第五代,可以提供 12 通道(如 LTC6811)、15 通道、18 通道(如 LTC6813)的产品去应对客户的不同需要,而且是通过双脚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管理的主控芯片做相应的测量。此外可靠性方面,体现在焊接完芯片以后 PCB 非常小,不需要做产线额外的标定,生产成本比较低。稳定性方面,体现在汽车质保方面,比如六年十万或十五万公里的行驶,相应的关键部件不出现衰减,电池就是关键部件。再者就是系统级的解决方案方面,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。”


要满足以上需求的产品架构是什么样的呢?


现在业界的产品架构在往两个方向发展,一个是 BMS 有线通信架构,即 BMS 每个电芯模组上有一个采样板,采样板之间是通过隔离的双脚线连接,组成一个环形的有线的拓扑。另一个是未来的发展方向,就是无线 BMS,每个模块之间不再有传输的通信线了。


无线有什么好处呢?


无线使得电池的全生命周期管理都可以获得监控。


怎么监控呢?


在电池生产的时候,可以跟无线的管理系统做一个绑定,有点像电池的身份证。电池的身份证只要生产的时候就跟着电池,等到电池生产完送到仓库去,在仓储管理的时候也是有无线 BMS 技术在做持续监控。等到电池在运输中,以及最终装到车上以后,都会有一个持续的记录:这个电池是什么时候生产的,行驶了多少里程,可用电量有没有衰减,衰减到什么程度。


 
无线 BMS 使能电池二次利用 | 信息源:ADI


现在人们用车一般大概是五六年或者更长一段时间,就会考虑变成二手车出售再去买新车,这是传统使用车的周期。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个点。基于这种无线通信的技术,电池里面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。同时,如果这个电池不再适合车用,还可以二次利用,比如变成一个大楼的备用电源或者数据中心的备用电源,这也是一个未来发展的方向,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。


自动驾驶

 

  • ADAS 与传感器技术


再看一下未来的自动驾驶是什么样的。


现在路上跑的已经有很多车是带自动驾驶辅助系统(ADAS)的,我们先看一下驾驶辅助系统。


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,雷达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。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,也有放在车辆后视镜的位置。现在做自动驾驶的雷达会在车的四个角落都放,后面也会有。它所需要做的探测,就是探测障碍物。


 
高性能成像雷达方案 | 信息源:ADI


如果单去看现在业界的方案,有按照频率来分的,比如有 24G/77G 雷达,这是毫米波雷达,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 双方案体现到相应的半导体技术来说,原来分离式的方案,主流的芯片工艺都是 GaAs 工艺,因为它可以满足探测传感器所需的高速开关。但 GaAs 工艺和传统 Si 工艺,由于工艺上的差别,导致生产成本非常高。因此,折中选择现在的发展方向——SiGe 工艺,既能降低成本,又可增强可集成度的特性。SiGe 工艺会更好地与传统 Si 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。对于 ADI 来说,其固态激光雷达技术和 ToF 摄像头技术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,为自动驾驶量产提供基础保障。

 


有的小伙伴可能第一次听说惯性导航,它在所有汽车技术中不太起眼,却是在自动驾驶方面非常重要的一个方案。在一些比较高性能、高可靠性的航空器里使用比较多,比如民航飞机。


 
汽车级惯性导航 MEMS 方案 | 信息源:ADI


导航器件在汽车里的应用变得越来越重要,如果是基于高清地图的自动驾驶行驶,就无法避免过隧道、高架桥下方,这些地方 GPS 信号不好,但我们仍旧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和算法持续给基于车的转向或者车的加速度、减速度,来定位车的具体位置。ADI 中国汽车技术市场高级经理王星炜告诉我们:“目前 ADI 的惯性导航相应的芯片是基于原来在民航飞行器中的很多经验,转化成汽车应用,与传统的从手机消费类提升到汽车应用的方案不同,拥有非常高的可靠性和精度。”


写在最后


智能化、电气化、自动驾驶将是未来汽车发展的三大方向,这已经在产业内形成了共识。对于半导体厂商而言,无疑是变革中大蛋糕的分享者,但机遇往往与挑战并存,瓶颈铸成壁垒。


举个例子,大家都知道特斯拉最大的技术优势之一在于其凭借纯电动平台以及较好的电池管理系统 BMS,使得整车在冬季以及高速巡航状态下,续航里程都不至于下滑太多。针对 BMS 这一部分拉开的差距,它涉及到电池组、监控管理芯片、算法、极限测试等多个方面,那么突破方向何在?


ADI 中国汽车技术市场高级经理王星炜告诉我们:“对于电池管理 BMS 芯片来说,采用实验室级的齐纳二极管基准电压源是一个突破方向,这种埋入式齐纳二极管将结放置在硅表面下方,远离污染物和氧化层的影响,从而达到精确、稳定的测量效果,赋予电池更多的‘可用电量’,也使得电动车在冬季或者其他使用工况下有更好的续航里程。”


的确,将大问题拆解,寻求细节落实与突破,确实是不变的应战准则,未来随着半导体厂商在汽车领域经验的不断积累,变革的脚步预计会越来越快。