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汽车电子技术论坛热点分享:网关进化、牵引逆变器在变、测试测量新需求…

时间:2020-11-26 作者:黄烨锋 阅读:
如果技术足够先进,有超过一半的人是不愿意自己开车的。有种叫做robocab的概念,可以指代“没有司机的网约车”——实际上也就是共享出行,有可能是自动驾驶汽车的分时租赁,流行的说法叫Mobility-as-a-Service。在这种模式下的未来社会里,人们是不需要自己购买汽车的……
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去年的Aspencore汽车电子论坛上,我们曾提到如果技术足够先进,有超过一半的人是不愿意自己开车的。有种叫做robocab的概念,可以指代“没有司机的网约车”——实际上也就是共享出行,有可能是自动驾驶汽车的分时租赁,流行的说法叫Mobility-as-a-Service。

在这种模式下的未来社会里,人们是不需要自己购买汽车的,而仅在有需要的时候才使用共享汽车资源;而且汽车是能够支持自动驾驶,以及提供针对乘车者的个性化定制服务的。

今年中国国际汽车电子高峰论坛上午场的技术论坛上,苏州苏试试验集团股份有限公司副总经理朱燕欢再度提到了这个概念:“出行通过app去订就可以,我们的用车方式发生了变化。终端消费者买车的可能就会变少。路上行驶的车变少了,交通拥堵也就少了。”

这是智能网联电动车改变我们生活方式的一个发展方向,即便现在暂时还无法实现。中国国际汽车电子高峰论坛由上海市科学技术协会、中国(上海)自由贸易试验区临港新片区管理委员会指导,由上海市集成电路行业协会主办,以及Aspencore、上海集成电路产业投资基金联合举办的。

上午场的技术论坛,我们看到了至少有3家做测试测量的企业参与了话题演讲,另有两家则分别针对网关和牵引逆变器相关的议题做了内容分享。期望通过对这些演讲议题的呈现,对各位读者理解汽车电子的技术和市场趋势有帮助。除了技术论坛外,也可以点击这里,从下午高峰论坛更宏观的角度来观察这一行业的现状。

质量、可靠性需要很多测试

本文开头所提的这种出行方式便捷又理想,即便现在看来还远,但至少如今的智能网联车已经包括ADAS在内的各种系统,实现自动辅助变道、自动辅助导航、自动泊车、自动紧急制动、侧撞预防等特性了。未来双手解放,交通事故也越来越少、出行越来越安全。

但智能网联电动车的特性,实则也就是电子电气器件相比过去的比重大了非常多——所以我们才常说汽车电子革新了整个汽车行业,令其增加了更多的附加价值,而且还将汽车内部的原有架构做了各种翻天覆地的变动。

这带来的巨大问题就是可靠性、安全性、稳定性等各方面的疑虑。朱燕欢从车质网获取到的以下这份数据:

这是今年1月到10月的各种质量投诉案例,超过了45000起。其中约有39%是跟汽车电子电气相关的,另外还有一些包括26%与引擎相关,17%与变速箱有关等。柱状图部分,则是对相关车身配件以及电子电气组件投诉100单以上的车厂做细分得到的。

这些实则都还是我们普遍比较熟悉的产品,当系统复杂度越来越高,又如何保证质量与可靠性。所以“对检测人员来说,产品功能当然重要,但产品质量可靠性也相当重要。”而且现状是,现在的产品量产SOP往前推,研发时间更短;但市场对可靠性的要求却更高了(客户的期许越来越高)。

所以确保产品的质量、可靠性,朱燕欢提到的就是A+D+V,即A分析、D开发、V验证。而分析是在不需要有实体产品的情况下,针对设计执行分析的过程,比如说电路板的共振频率分析;而D开发阶段,是分析完以后做试生产,样品可以做很多的开发测试——在小批量测试以后,是否能够发现早前未预料到的缺陷和失效问题。比如做HALT测试,要尝试找到温度、震动极限值,“在这个阶段发现问题做整改,还是很好的。”

V就是验证测试了,包括定量测试、定性测试,“实际的功能表现,是否与设计要求的性能一致。量产之前确保产品质量。”

上面这张图是某美系车厂的车辆开发流程图,以SOP量产为原点。其上有不同阶段测试工作的标注。

测试存在多样性,但根据负载大致可以归类为电测试、化学测试、温度测试、气候测试、机械测试;而根据被测对象,则又可以分为材料级别测试、零部件级别测试、系统级别测试和整车级别测试;根据标准测试,就有AEC、ASTM、DIN、ISO等各种国际或行业标准。

上面就是参考测试流程计划。左边是IC测试认证AEC-Q100之上的;而右边是典型的零部件级别的验证测试计划。“总的来说,电子电气,从wafer开始到板级、零部件,到系统总成,到整车存在很多的测试和相关的活动。”苏试试验就提供一站式的这种测试服务——实际上,测试的多样性本身也是体现汽车电子复杂性,及变革汽车行业的重要组成部分。

测试测量的两个例子

针对汽车各组成部分的测试测量,技术论坛现场恰好也有两个例子。电动车的动力与传动系统中,有个重要的构成部分即BMS电池管理系统。这套系统的功能多样,包括了保护能量存储;多电池单元检测和均衡;电池包和DC link测量;电流和温度测量;接触器和风扇控制电路;荷电状态(SOC);健康管理(SOH);功能状态(SOF)。

Isabellenhutte亚洲区销售副总裁Ladislav Varga告诉我们:“每个蓄电池都有一个最低充电状态(SOC),需要保持该状态以避免永久损坏。充电状态表示电池中的理论可用电能量——如电池SOC为100%,则表示可使用最大理论电能量;而如果电池最小SOC为20%,则表示只能使用理论最大值的80%。”

“根据电池的尺寸、功率与化学特性,最小SOC是不一样的。”上面这张表综合了包括微混、轻混、全混等在内的混合动力电动车的最低SOC电池功能。为了实现100%的SOC,需要将测量精度保持在0.1%。

在此就应用了采样电阻或者说电流传感器。采样电阻在汽车中的应用实际上是比较广泛的,BMS与马达控制是其主要应用。在此,采样电阻用作电流信号检测采样。

这种基于分流器的电流采样,相比一般霍尔传感器的优势在于体积小、成本低、原理简单(欧姆定律);此外采样信号是小信号,电阻值小,电压采样信号小,对信号而言需要做电路放大。

Varga列举了ISA系列产品的技术特性和优势,包括ISA-Weld基于焊接工艺产品,其特点包括了TCR温漂能够达到50ppm(在一定温差下,电阻值产生变化的值);极低的热内阻,功率衰减曲线的拐点也就比竞品要好;

ISA电阻合金Manganin、Zeranin和Isaohm在生产时经过了严谨的煅烧,退火和阻值稳定性工艺处理,达到最佳均质固溶状态,能够确保电阻合金材料的长期稳定性;另外Isabellenhuette的锰铜合金,具备了超低热电动势,也就有了更高的测量精度。

在具体的产品线布局上,ISA-WELD产品线面向的就是BMS。除此之外,有适合电池和电极控制系统的ISH系列(右下图,主测量通道是分流器技术;备份测量通道为集成霍尔传感器);以及适合电池系统的IVT-S系列(左下图),读数精度可以达到±0.1%

是德科技大中华区电源产品渠道经理万俊辉则主要介绍了动力电池及其关键参数,还有比较有趣的“动力电池模拟器”,以及电池测试的不同解决方案。

锂电池相关的参数很多,例如其寿命与截至电压是相关的(电池充电截至电压与其寿命息息相关,4.2V也许可以进行1000个周期的充放,而4.3V就皆有可能变成了350个周期——当然这是个举例的相对数据);电池容量又与温度/倍率有着很大的关系(一辆车在上海开和在东北开,里程数会有差异);用快充充电时,快充只对低压区间有效(需要很小的电流预充电,后续还需要涓流充电等);内阻与端电压Vt/开路电压Voc之间的关系又是如何。

还有诸如直流内阻、交流内阻变化等;以及不同温度下,不同容量SOC之下,电池内阻也不一样大——“现在测试测量行业,所有东西都可以做电池模拟,模拟很重要的点就是模拟内阻的变化。”

这里的电池模拟器BSS尤为值得一提。其好处在于可控性、可靠性、重复性、安全性。对于实际的电池而言,电池状态调节困难,如SOC容量,内阻、循环次数、温度变化等;电池状态受温度、循环次数、压力等影响大、重复性差;PCS/BMS等研发测试,如果失效将导致电池的过充/放,甚至安全隐患;需要使用其他测量设备监控电压、电流、电量等参数。

其优势还体现在电压源、双向无缝电流、内阻模拟、电压/电量变化、强大的保护。适用于任意规格的电池模型;内置电池内阻仿真;任意设置电池模拟的起始点;模拟电池端电压与电量变化;无任何电池安全隐患和风险。

不过“电池模拟器唯一的问题,还是有纹波,这与电池一点都没有就不一样;瞬态响应也没有电池快,但仍然可以做到50ms的水平。”

网关功能的演进

NXP资深市场经理余军苗在谈智能网联电动车的架构演进过程里,提出一种“服务型网关”的概念。网关通常是只负责网络数据的路由的,但在NXP看来它正在往通信、计算功能部件的方向做演进。

网关通常是很多系统网络交汇点所在。所谓的服务型网关,就是在传统网关的基础上,令其具备更多实现新功能的能力,让网关充当中央大脑计算单元的角色。

“为什么要让网关去做,而不是其他独立组件?前两年行业内也有网关+MPU/SoC来做计算的。但随着时间的推移我们发现,网关是网络的中央枢纽,可以得到车辆所有的数据,能够访问所有的节点。所以它具备天时地利的条件,去成为中央计算的节点。”余军苗说。

这种服务型网关的几个重要特点包括了:基于SoA的新型网关(同时负责信号与计算;软件与硬件分离,软件分层;执行层作为信号处理层面,仍维持标准接口;而且执行层ECU可更换,上层功能与app不受影响);可以安全连接数据;对软件部署方便、快捷、低成本,可以由第三方提供app;可以通过OTA更新来快速部署新服务;要求更高的性能处理和路由。

这是个典型的域控制器结构,未来中央计算持续发展还会有结构上的变化。行业本身也正在朝着更为开放的架构,以多方合作的方式发展。

NXP的高性能服务型网关应该能够做到OTA升级;车辆与云端的交互;ECU虚拟化(ECU合并减少系统开销、重量、线缆布局复杂性等);IDS/IPS入侵检测与防护,实时的网络安全监测,并且针对新型网络威胁做防护的升级;数据的日志记录和取证,类似于中央的一个“黑匣子”,记录之外,还能做车辆数据过滤和预处理等等。

NXP S32G即是实现这种服务型网关的处理器产品,其内部大致构成如下图:

包含高算力,较强的通信能力、功能安全/通信安全(ASIL D功能安全,HSE硬件安全引擎),以及各种必要的应用。

域控制器架构下的服务型网关,“有一些领先的客户已经在做这样的开发,预计2021、2022年就会量产。而中央计算更先进的架构,其实我们的S32G也可以做中央节点和边缘节点,根据需求而定”。

除了芯片本身之外,NXP也提供更多基础软件支持,分别构建在这颗芯片的Cortex-M7实时核与A53核之上的上层软件栈。“基于Linux开发,我们做整套免费支持,当然一些高阶功能、第三方功能是收费的。”

NXP针对这种服务型网关的参考设计板是其重庆研发中心根据中国本地需求开发完成的。“融合传统常规汽车内的需求,比如CAN、LIN网络通信,传统的功能安全、通信安全,又融入了企业级通信服务器上面的技术,比如以太网支持、高算力处理器,面向未来几年的车辆架构,可做持续升级,可部署新功能。S32G是业界第一颗这样的芯片。”

最后与云端交互,大数据分析、机器学习、AI相关的工作可以放到云端去完成。

牵引逆变器的一些设计趋势

Power Integrations大功率FAE Manager王强则在分享中谈到了牵引逆变器安全可靠性的IC解决方案。Power Integrations在这部分的主要方案是电源芯片与驱动芯片。

王强谈到了牵引逆变器的设计趋势,包括使用更高的母线电压;采用SiC MOSFET模块;以及需要满足ISO26262的功能安全要求。而其门极驱动电路,新的技术特征包括软关断,以及AROC(高级阻性过压抑制)。

针对牵引逆变器需要更高电压的系统来满足市场需求的问题,目前大多数电动汽车通常使用400V电池电压。未来的中高端车型,电池电压逐渐会抬至800V甚至更高的925V。带来的价值在于实现更快的充电速度,且减小电缆中的电流,热量更低、重量更轻,最终也就实现了电动车性能的提升。

而在SiC MOSFET模块的问题上,新型的高端车型上的SiC MOSFET器件开关损耗可以做得更好,增加功率密度,减小尺寸降低重量,最终让电池续航能力变得更出色。

而针对ISO26262,汽车电气系统国际安全标准,功能安全要求车辆在故障后能够保护自己。“Power Integrations是新能源汽车市场的新玩家,我们让Power Integration擅长的产品找到新的契合点。”除了牵引逆变器的主驱部分,还包括EPS(应急电源)在内的电源芯片,在故障状态下令车辆也能动起来,具体结构如下图所示:

应对上述趋势的一些具体方案,更高母线电压,比较典型的比如Power Integrations的InnoSwitch 3-AQ系列:符合AEC-Q100标准;生产过程通过IATF16949认证;FluxLink技术可省去光耦;具备完善的保护;另外集成750V的MOSFET适用于400V母线,可串联高压FET。

而针对新的功率器件应用,Power Integrations所推的是适用于牵引逆变器的SCALE-iDriver。具体为适用于IGBT和SiC MOSFET的纯电动汽车和插电式混合动力汽车门极驱动解决方案——而且也通过了AEC-Q100认证1级标准;VDE 0884-10/11认证中;符合LV123标准。

其中有一些比较亮眼的参数,比如说FluxLink技术;保护措施方面,SiC MOSFET门极驱动器通过电阻串和AROC实现超快短路保护,典型短路响应时间<2μs;峰值输出门极驱动电流±8A @ TA = 125 °C。

其中的AROC是指高级阻性过压控制。通过电阻串检测集电极/漏极上的过压峰值,经过内部升压电路的介入来限制过压峰值。它能够优化关断电阻。要控制关断过电压,一般要抬升关断电阻。但在此可以将电阻做得很小,关断电阻甚至做到0 Ω;最大程度减小开关损耗,以及控制关断过电压。

以上是汽车电子技术论坛的部分内容分享。若以小见大,则无论是功率器件设计趋势的转变、车载网关职责变化,还是汽车测试测量各组成部分的愈发复杂和细化,都表现出汽车电子在整个汽车行业正扮演越来越重要的角色。

2010年的汽车内部,代码规模在1000万行左右。涉及的系统主要包括了电子稳定程序、防抱死制动系统、安全气囊、车身电子系统等。现如今汽车内部更多地加入了传感器,执行层采用更先进的功率器件,且控制层的算力在提升。汽车电子带来的,是未来车内3-5亿行的代码规模量。自动驾驶、车联网、智能座舱、信息娱乐系统等都成为未来智能网联车的关键。

预计到2030年,汽车电子在整车中的成本占比会达到45%。这也就为涉足汽车领域的电子及半导体企业提供了莫大的机遇。这个机遇已经成为汽车行业参与者走出市场下行期的重要组成通行证。

责编:Luffy Liu

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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