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行一場深刻變革。據(jù)德勤2019年“全球汽車供應商調(diào)研報告”，從2018—2025年的預期來看，汽車重點發(fā)展方向之一是電動化，相關的驅(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和相應的傳感器部分，也會有超過2倍的增長。再有，與電氣化相關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中國汽車技術市場高級經(jīng)理王星煒做客知乎直播，介紹了相關的變革及ADI的解決方案。

ADI中國 汽車技術市場 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)相關設備；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，這就需要非常強大的DSP處理器來做處理，需要主動降噪（ANC）技術。為了減輕線纜重量，有很多車型在應用A²B總線。

2）人機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，做出相應的算法以后進行非接觸操控。這種操控技術在手機上應用比較廣泛，例如手機的人臉識別和手勢識別，未來智能化座艙也將會引入這種人機交互系統(tǒng)。

3）隨著自動駕駛的普及，相應的駕駛員監(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。

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，對應在車里，最大的好處是使用的線材重量更小，相應布線更簡單，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。主動降噪的理念是當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，當你乘坐飛機或者在很嘈雜的工作環(huán)境下，戴上主動降噪的耳機，會覺得環(huán)境一下子安靜下來。實際上，主動降噪在汽車里也有應用，可把車內(nèi)的一些噪音，例如路噪和發(fā)動機的噪音消除掉（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，可以應用相應的技術，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。主動降噪技術會由控制器來控制這些喇叭，同時也會有A²B總線相應地把車內(nèi)不同位置的麥克風的噪音收集下來。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往往是DSP技術。

主動降噪的工作原理是把噪音采集過來，就是相應的聲音波形。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用以后，音頻體驗會變得越來越好。ADI的音頻處理DSP技術與主動降噪的優(yōu)勢有二：①有非常高的傳輸速率，而且是雙向的傳輸速率，對應的線束拓撲成本很低；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在汽車里的應用和家里的應用不同的是，車會經(jīng)歷各種各樣的溫度/濕度、震動，且電磁環(huán)境也非常復雜，因為有發(fā)動機、電機和各種各樣的用電器，因此必須要經(jīng)過嚴苛的EMC（電磁兼容）性能相關測試，ADI的技術滿足車規(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/內(nèi)燃機的動力總成，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，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)動機驅(qū)動的系統(tǒng)會慢慢過渡到由電機驅(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。

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400V的級別，屬于高壓電池，但是直流電。而電機驅(qū)動車輪需要的是交流電。因此需要電機控制器去控制直流電向交流電轉(zhuǎn)換，再去控制電機車輪旋轉(zhuǎn)，相應的轉(zhuǎn)速，以及給多少動力到車輪上。這是相應的電機控制器所需要完成的任務。

電機控制器到底有哪些組成部分？首先有控制器來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，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。

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

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、強的驅(qū)動能力。這里面需要相應的隔離的門驅(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。

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，以及相應的電芯監(jiān)控之間高壓隔離的通信技術，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對應的電池電量的百分比就非常關鍵。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的能量。除了大巴以外，還有一些其他的應用場景，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)品家族去應對。ADI公司有齊全的產(chǎn)品家族去應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的革新提高能量密度，又需要電池管理技術支撐。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，組成一個車級應用，車還會跟電網(wǎng)有相應的交互。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)。相應的ADI技術就可以提供12通道、15通道或18通道的產(chǎn)品去應對客戶的不同需要，而且是通過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，使相應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，相應的關鍵部件不出現(xiàn)衰減，電池就是關鍵部件，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)形的有線的拓撲。②無線的BMS（WBMS）架構，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技術在做持續(xù)監(jiān)控。等到電池在運輸中，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鍵的一點。基于這種無線通信的技術，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 毫米波雷達的進化

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?？煽康膫鞲衅骷夹g?，F(xiàn)在按照自動駕駛的技術來看，雷達技術和攝像頭技術是目前業(yè)界使用最廣泛的自動駕駛的傳感器技術。ADI的雷達技術有什么不同？一般的雷達是自適應巡航的長距離雷達，放在車輛中間的位置，也有的放在車輛后視鏡的位置。現(xiàn)在做自動駕駛的雷達會在車的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)界的雷達方案，有按照頻率來分的，例如有24G/77GHz的毫米波雷達，類似于蝙蝠超聲波通過回波檢測障礙物。毫米波雷達會發(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，導致砷化鎵工藝的生產(chǎn)成本非常高?，F(xiàn)在的發(fā)展方向則是使用硅鍺工藝來降低成本，以及增強可集成度的特性。硅鍺工藝會更好地與傳統(tǒng)硅工藝技術來做整合，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，基于硅來做相應的技術。因為隨著工藝革新，CMOS硅技術也在完善。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的雷達傳感器或者攝像頭，或者是后面會介紹的激光雷達技術，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，相應的雷達成像技術就會在這部分有非常好的支持。

ADI的雷達技術的優(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(qū)分出多個障礙物之間的距離。這為更精細的區(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。

3.2 激光雷達

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

對于汽車，激光雷達最好是固態(tài)的激光雷達。什么是固態(tài)？即沒有旋轉(zhuǎn)部件，完全通過半導體的方案來制造不同的探測角度。這是ADI關注的一個發(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，即景深攝像頭，背后也是激光技術，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激光技術在手機上的應用很多，例如 人臉識別技術，現(xiàn)在有些國產(chǎn)手機的人臉識別技術就是用ADI的ToF相關技術來實現(xiàn)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。導航器件在汽車里的應用變得越來越重要。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的導航信息。這種導航信息就需要來自慣性導航的芯片持續(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慣性導航相應的芯片基于原來在民航飛行器中的很多經(jīng)驗，轉(zhuǎn)化成汽車應用，與傳統(tǒng)地從手機消費類提升到汽車應用的方案不同。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，也會通過慣導相應的算法和技術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位置的導航支持。

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。