汽車的智能座艙、電池管理及距離感測將有何大變樣

汽車電子正推動汽車進(jìn)行一場深刻變革。據(jù)德勤2019年“全球汽車供應(yīng)商調(diào)研報告”，從2018—2025年的預(yù)期來看，汽車重點發(fā)展方向之一是電動化，相關(guān)的驅(qū)動系統(tǒng)以及電池/燃料電池，都有約3倍的增幅。另外，自動駕駛/ADAS和相應(yīng)的傳感器部分，也會有超過2倍的增長。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，汽車的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)相對增長緩慢或慢慢開始下跌。

增長最快的電驅(qū)動、自動駕駛/ADAS的傳感器、智能座艙等，未來將會有哪些大變樣？近日， ADI中國汽車技術(shù)市場高級經(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 汽車技術(shù)市場 高級經(jīng)理 王星煒

1 智能化座艙

智能化座艙，即infotainment系統(tǒng)，應(yīng)用方向是使坐在座艙中的人更加舒適，更有時間去享受出行的第三空間的車內(nèi)相關(guān)設(shè)備；以及駕駛員駕車更加安全。

1）未來座艙會變成更加智能的座艙，變成一個非常獨(dú)立的聲音分區(qū)，可以說坐在車的不同位置，聽到的完全可以不一樣，這就需要非常強(qiáng)大的DSP處理器來做處理，需要主動降噪（ANC）技術(shù)。為了減輕線纜重量，有很多車型在應(yīng)用A²B總線。

2）人機(jī)操控的界面變得更加智能，例如通過紅外非接觸式手勢操控，還有現(xiàn)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，做出相應(yīng)的算法以后進(jìn)行非接觸操控。這種操控技術(shù)在手機(jī)上應(yīng)用比較廣泛，例如手機(jī)的人臉識別和手勢識別，未來智能化座艙也將會引入這種人機(jī)交互系統(tǒng)。

3）隨著自動駕駛的普及，相應(yīng)的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)也會變得越來越重要，會有駕駛員的注意力監(jiān)控系統(tǒng)，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(quán)。

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

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

1.1 A²B總線

A²B的總線，全稱是車內(nèi)音頻總線（Automotive  Audio  Bus），是數(shù)字化的音頻總線。優(yōu)勢是：①可以使電動車的能耗更低，使續(xù)航里程更長；②傳輸數(shù)據(jù)的同時，也會有一定的供電能力；③相應(yīng)軟件開發(fā)也會更簡單。

A²B為何使電動車的能耗降低？因為通常音響的線束很粗，以保證音質(zhì)不下降。例如人們在家庭裝修時會發(fā)現(xiàn)，裝修成本中，只要有音響的布線，成本就會非常貴。A²B技術(shù)可以理解成把傳統(tǒng)音響數(shù)字化以后，對線束的要求就會降低，對應(yīng)在車?yán)?，最大的好處是使用的線材重量更小，相應(yīng)布線更簡單，成本也會更低。

1.2 主動降噪

生活中典型的是主動降噪耳機(jī)。主動降噪的理念是當(dāng)你把耳塞塞到耳朵里，就會把噪音去除掉，你只會聽到你想聽的音樂和與別人交流的聲音。例如，當(dāng)你乘坐飛機(jī)或者在很嘈雜的工作環(huán)境下，戴上主動降噪的耳機(jī)，會覺得環(huán)境一下子安靜下來。實際上，主動降噪在汽車?yán)镆灿袘?yīng)用，可把車內(nèi)的一些噪音，例如路噪和發(fā)動機(jī)的噪音消除掉（如下圖），讓你專心聽車內(nèi)音響發(fā)出來的音樂，或者你打電話時，可以應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)，把聲音管理得更好。

具體地，傳統(tǒng)車內(nèi)會有很多音響和喇叭的布線。主動降噪技術(shù)會由控制器來控制這些喇叭，同時也會有A²B總線相應(yīng)地把車內(nèi)不同位置的麥克風(fēng)的噪音收集下來。除此之外，人們會發(fā)現(xiàn)有時候車在行駛中，有些噪音是非常低頻的噪音，可能是來自于車的震動，所以主動降噪控制器也會把車身四周的加速度、震動信息等傳到主動處理的控制器。這個控制器核心的技術(shù)往往是DSP技術(shù)。

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

可見，在車內(nèi)有越來越多的主動降噪的應(yīng)用以后，音頻體驗會變得越來越好。ADI的音頻處理DSP技術(shù)與主動降噪的優(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(yīng)的線束拓?fù)涑杀竞艿?；同時傳輸延時也非常低，這樣可以帶來非常好的聲音處理表現(xiàn)。②在汽車?yán)锏膽?yīng)用和家里的應(yīng)用不同的是，車會經(jīng)歷各種各樣的溫度/濕度、震動，且電磁環(huán)境也非常復(fù)雜，因為有發(fā)動機(jī)、電機(jī)和各種各樣的用電器，因此必須要經(jīng)過嚴(yán)苛的EMC（電磁兼容）性能相關(guān)測試，ADI的技術(shù)滿足車規(guī)級要求。

2 電氣驅(qū)動的電芯監(jiān)控與電池組管理

傳統(tǒng)的基于發(fā)動機(jī)/內(nèi)燃機(jī)的動力總成，向2個方向發(fā)展：①向電氣化的驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展，②向各種控制系統(tǒng)的電氣化發(fā)展（如下圖）。

2.1 電驅(qū)的難點

驅(qū)動系統(tǒng)是怎么實現(xiàn)電氣化的呢？傳統(tǒng)車在前艙會有一個發(fā)動機(jī)，現(xiàn)在整體新能源車在車底會有一個電池系統(tǒng)，即電池管理系統(tǒng)（BMS）。同時，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的系統(tǒng)會慢慢過渡到由電機(jī)驅(qū)動的系統(tǒng)，如果是四輪驅(qū)動，后面和前面會各有一臺電機(jī)。

具體是怎么驅(qū)動的呢？首先，電池給出來的電是直流電。人們?nèi)粘Ｓ玫碾姵赝?.5V的5號電池，或者是手機(jī)鋰電池，是4V左右或3.7V的電壓。相較而言，電動車使用的動力電池電壓會高達(dá)400V的級別，屬于高壓電池，但是直流電。而電機(jī)驅(qū)動車輪需要的是交流電。因此需要電機(jī)控制器去控制直流電向交流電轉(zhuǎn)換，再去控制電機(jī)車輪旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，以及給多少動力到車輪上。這是相應(yīng)的電機(jī)控制器所需要完成的任務(wù)。

電機(jī)控制器到底有哪些組成部分？首先有控制器來控制相應(yīng)電機(jī)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(yīng)的隔離技術(shù)，因為高壓電池是400V，如果不隔離，出現(xiàn)漏電會引起人員的危險。

對應(yīng)地，要把直流電轉(zhuǎn)換成高壓的交流電，需要應(yīng)用到高壓的功率器件，常見的是IGBT的技術(shù)，未來是碳化硅MOSFET技術(shù)。現(xiàn)在已經(jīng)有開始使用碳化硅MOSFET技術(shù)了。

碳化硅MOSFET有一個問題，它需要高壓大功率驅(qū)動的信號。但是現(xiàn)在常用的MCU信號是弱電的，無法給出高壓、強(qiáng)的驅(qū)動能力。這里面需要相應(yīng)的隔離的門驅(qū)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(zhàn)

電池主要有三類。

1）圓柱形。例如某個品牌電動車使用的就是圓柱型的鋰電池。而民用版的鋰電池，例如無人機(jī)或航模會用到圓柱型電池，一些大功率的手電筒用的也是圓柱型電池。不過，該品牌汽車使用的圓柱型電池總共用了7000顆！所以，民用與車用不同之處在于：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；但是車的電池用量非常大，電池管理是非常有挑戰(zhàn)性的。

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

3）方殼型的電芯，每個電芯都需要做監(jiān)控，同時多個電芯會組成電池組，也需要做監(jiān)控。

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

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

縱觀整個行業(yè)需要的電池應(yīng)用的不同場景，從最小的48V弱混系統(tǒng)一直到插電混動電池包，再往上電池組的級別還會做到串并聯(lián)。例如一些大巴車會很長，需要不止一組電池組來提供相應(yīng)的能量。除了大巴以外，還有一些其他的應(yīng)用場景，例如電動船舶，也會非常長，里面也會有多組的電池組串并聯(lián)。而對于插電混動和純電動車，不同的電芯需要做非常多的串并聯(lián)，以組成1個電池組。因此，不同的使用場景會需要不同的產(chǎn)品家族去應(yīng)對。ADI公司有齊全的產(chǎn)品家族去應(yīng)對不同的使用場景需求。

2.3 ADI提升電池用電量的方案

電子產(chǎn)品世界記者的一個問題是：我國的一些新能源車只講求續(xù)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%。

因為總體來看，整個電池會有不同的層級，從前文所述的電芯最基本的底層到模塊層，到電池包層，再裝到車上，組成一個車級應(yīng)用，車還會跟電網(wǎng)有相應(yīng)的交互。電池管理中，400V的電池有接近96節(jié)或者100節(jié)的電芯在里面做串聯(lián)。相應(yīng)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(yīng)對客戶的不同需要，而且是通過雙絞隔離聚化鏈的架構(gòu)去做相應(yīng)的隔離通信，然后再把相應(yīng)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(yīng)的測量。

ADI的技術(shù)有哪些好處？ADI在汽車級的電池管理芯片就會用到掩埋式齊納參考源（Buried Zener），使整車的電池管理測量時達(dá)到最高的測量精度。就像一扎啤酒中，類似于把啤酒上的泡沫減少（浪費(fèi)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(yīng)的可用的電量最大化，最終擁有更多的續(xù)航里程。

現(xiàn)在ADI迭代到第五代相應(yīng)的產(chǎn)品，如果看行業(yè)內(nèi)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LTC6813產(chǎn)品系列是完整的產(chǎn)品家族，適合不同的應(yīng)用場景。

因此，①ADI的產(chǎn)品家族提供業(yè)內(nèi)最高的精度，帶來更長的行駛里程。②ADI也會提供業(yè)界最高的可靠性，體現(xiàn)在焊接完芯片以后，PCB（印制板）非常小，無需做產(chǎn)線額外的標(biāo)定，因而節(jié)省了生產(chǎn)成本。③高的穩(wěn)定性，體現(xiàn)在汽車方面，出廠時會有一個行駛質(zhì)保，例如是6年10萬或15萬公里的行駛，相應(yīng)的關(guān)鍵部件不出現(xiàn)衰減，電池就是關(guān)鍵部件，要做穩(wěn)定性的保障。ADI從芯片級別就給到汽車長壽命、高性能的支撐。④系統(tǒng)級的解決方案，不僅體現(xiàn)在相應(yīng)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 看好無線BMS的潛力

另外，現(xiàn)在通信架構(gòu)也有兩種發(fā)展方向，①有線的isoSPI。即BMS每個電芯模組上有1個采樣板，采樣板之間是通過隔離的雙絞線連接，組成1個環(huán)形的有線的拓?fù)?。②無線的BMS（WBMS）架構(gòu)，每個模塊之間不再有傳輸?shù)耐ㄐ啪€了。ADI在兩個方向都有耕耘，并十分看好無線BMS的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

無線的優(yōu)勢是使得電池的全生命周期管理都可以獲得監(jiān)控。例如，在電池生產(chǎn)的時候，可以與無線的管理系統(tǒng)做綁定，有點像電池的身份證。電池的身份證從生產(chǎn)的時候就跟著電池，等到電池生產(chǎn)完送到倉庫去，在倉儲管理的時候，也是由無線BMS技術(shù)在做持續(xù)監(jiān)控。等到電池在運(yùn)輸中，以及最終裝車，都會有持續(xù)的記錄：這個電池是什么時候出廠的，行駛了多少里程，可用電量有沒有衰減，衰減到什么程度。

未來的一個發(fā)展的方向是通過無線BMS系統(tǒng)使得監(jiān)控系統(tǒng)可以和電池進(jìn)行全生命周期的綁定，變成一個身份證。具體地，傳統(tǒng)車的使用周期大概是五六年或更長時間，就會考慮變成二手車出售，再去買新車。這個周期內(nèi)電動車怎么去評估殘值？其中動力電池的殘值評估就是非常關(guān)鍵的一點?；谶@種無線通信的技術(shù)，電池里就有自己的無線身份證，會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用，還可以二次利用，例如變成一個大樓的備用電源或者數(shù)據(jù)中心的備用電源（如下圖）。

3 自動駕駛的感測距離傳感器

3.1 毫米波雷達(dá)的進(jìn)化

現(xiàn)在路上很多汽車已配有自動駕駛輔助系統(tǒng)。

一般駕駛輔助系統(tǒng)都需要非常可靠的傳感器技術(shù)?，F(xiàn)在按照自動駕駛的技術(shù)來看，雷達(dá)技術(shù)和攝像頭技術(shù)是目前業(yè)界使用最廣泛的自動駕駛的傳感器技術(shù)。ADI的雷達(dá)技術(shù)有什么不同？一般的雷達(dá)是自適應(yīng)巡航的長距離雷達(dá)，放在車輛中間的位置，也有的放在車輛后視鏡的位置?，F(xiàn)在做自動駕駛的雷達(dá)會在車的4個角落都放。它們所需要做的就是探測障礙物。如果單去看現(xiàn)在業(yè)界的雷達(dá)方案，有按照頻率來分的，例如有24G/77GHz的毫米波雷達(dá)，類似于蝙蝠超聲波通過回波檢測障礙物。毫米波雷達(dá)會發(fā)射微波，通過回波特性來知道障礙物在哪里。

傳統(tǒng)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(tǒng)的硅工藝不同，導(dǎo)致砷化鎵工藝的生產(chǎn)成本非常高。現(xiàn)在的發(fā)展方向則是使用硅鍺工藝來降低成本，以及增強(qiáng)可集成度的特性。硅鍺工藝會更好地與傳統(tǒng)硅工藝技術(shù)來做整合，可以有更多的數(shù)字電路集成到這些芯片上去。未來的發(fā)展方向是：77GHz或79GHz更高頻率，基于硅來做相應(yīng)的技術(shù)。因為隨著工藝革新，CMOS硅技術(shù)也在完善。如果用硅來做高頻的射頻芯片，會有更高的集成度。

現(xiàn)在自動駕駛的車在路上開，會遇到一些問題，例如行人較多的時候寸步難行，沒法往前開了。如果有一個非常精細(xì)的雷達(dá)傳感器或者攝像頭，或者是后面會介紹的激光雷達(dá)技術(shù)，可以把障礙物區(qū)分出來，車就可以選擇繼續(xù)行駛還是需要做一些避讓，這是自動駕駛的一個需求，相應(yīng)的雷達(dá)成像技術(shù)就會在這部分有非常好的支持。

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

3.2 激光雷達(dá)

現(xiàn)在激光雷達(dá)技術(shù)非常重要，以前傳統(tǒng)汽車車型在后視鏡的后方會有一個固態(tài)激光雷達(dá)作為緊急剎車來使用。

對于汽車，激光雷達(dá)最好是固態(tài)的激光雷達(dá)。什么是固態(tài)？即沒有旋轉(zhuǎn)部件，完全通過半導(dǎo)體的方案來制造不同的探測角度。這是ADI關(guān)注的一個發(fā)展方向。

3.3 ToF攝像頭

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

ToF激光技術(shù)在手機(jī)上的應(yīng)用很多，例如 人臉識別技術(shù)，現(xiàn)在有些國產(chǎn)手機(jī)的人臉識別技術(shù)就是用ADI的ToF相關(guān)技術(shù)來實現(xiàn)的。

3.4 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)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(jī)里面使用也比較多。導(dǎo)航器件在汽車?yán)锏膽?yīng)用變得越來越重要。例如如果是基于高清地圖的，在做自動駕駛行駛時，沒法避免過隧道，例如要經(jīng)過高架橋下面時，GPS信號就會不好，這種場景下還是會需要相應(yīng)的導(dǎo)航信息。這種導(dǎo)航信息就需要來自慣性導(dǎo)航的芯片持續(xù)給基于車的轉(zhuǎn)向或者車的加速度、減速度，來知道車的具體位置。

ADI慣性導(dǎo)航相應(yīng)的芯片基于原來在民航飛行器中的很多經(jīng)驗，轉(zhuǎn)化成汽車應(yīng)用，與傳統(tǒng)地從手機(jī)消費(fèi)類提升到汽車應(yīng)用的方案不同。民航過度過來給汽車，擁有非常高的可靠性和精度。目前來看，長里程（超過10公里）的行駛過程中，也會通過慣導(dǎo)相應(yīng)的算法和技術(shù)把車的位置信息更新在車道里，給到基于高清地圖的自動駕駛場景下慣導(dǎo)位置的導(dǎo)航支持。

4 汽車電子芯片的大趨勢

?由于未來汽車電子系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，因此不僅需要芯片解決方案，也需要相應(yīng)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(yīng)的軟件和算法支持，使各種應(yīng)用可以快速普及到車上。

?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盡快上市。