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汽车的未来---电动化(图文)

时间:2021-07-11 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
The science of today is the technology of tomorrow.” – Edward Teller 今天的科学研究就是明天的生产力---Edward Teller
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众所周知,汽车工业发展了上百年,之前都是内燃机和变速箱技术主导,但是近几年电控和电驱等电子设备越来越受到各厂商的关注。得益于微电子学的迅猛发展,大功率电子器件的不断进步,使得车载娱乐、照明和多传感器的应用显著增加,并且产品的可靠性大幅提升。据行业相关分析师估计,在未来几年整个汽车行业的应收将超过800亿美元。与此同时,自动驾驶技术也正在努力开发预警系统,通过驾驶稳定控制和驾驶员疲劳监控等多种手段来确保驾乘人员的生命安全。

随着人工智能技术的出现,人们对使用了GPS和高速信号的车载物联网系统产生了浓厚兴趣。目前有三大需求:自动驾驶、新能源和车载娱乐系统。而无人驾驶又是迄今为止人类面临的最大挑战之一,利用预先设定好的程序和道路信息来操控车辆在道路的状态,不仅减轻了驾驶员的负担,更能减少交通事故的发生,挽救更多人的生命。

 

图源:EE Times

MEMS(微机电系统)技术

对于MEMS最典型的应用是基于MEMS的陀螺仪和加速度计等传感器构成的安全气囊和驾驶员辅助系统。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)采用超微缩制造技术将微电子学技术和微传感器的机械特性相结合,制造出高效率、体积小和低成本的高集成芯片。其满足性能达标的同时还拥有很高的可靠性,能够快速有效的被设计人员所采用,因此MEMS技术在汽车驾驶和车身安全等模块应用广泛。现在,MEMS的加速度计在三轴方向上测量加速度,可以识别重力、振动和冲击力等多种方向的力;而且MEMS测量的信息还可以是热和电容,并且有关于测量电容的方式更适合车辆碰撞检测和安全气囊激活等方面。

 

图源:Google

另一方面,MEMS陀螺仪也可以测量角速度(旋转轴转速),现在很多的民用消费,例如智能手机都用了陀螺仪。目前流行的4轴传感器和陀螺仪的方案同样也被汽车电子所采用,用来确保车身稳定和动态平衡。MEMS陀螺仪原理是基于一种特殊加工制出的音叉结构,在一定方向上不停震荡,当对传感器施加力时,其作用在音叉上的力产生的科里奥利力是的其微单元结构发生变化,产生一个与角速度呈正比的变化,这个变化又能够被转化为电信号,再传输到制动系统刹车或者激活安全气囊。

因此,MEMS加速度计被广泛用于汽车的安全气囊和车身悬挂;而MEMS的陀螺仪则用于车身稳定控制系统和GPS导航装置。由于其高灵敏度和体积小巧目前已经在汽车中广泛应用,随着纳米MEMS的出现,更高灵敏度的传感器还在不断的研发之中。

EMC(电磁兼容)

汽车工业的快速发展和自动驾驶\ADAS(高级辅助驾驶)的趋势继续推动着汽车电子的发展,值得关注的是面对日益复杂的工作环境新的电磁兼容需求越来越被大家所重视。汽车电子系统越来越复杂的同时,系统对于关键零部件的可靠性和抗电磁干扰性能的要求也越来越高。

 

图源:Google

目前汽车无线通信系统频率越来越高,对于各个子系统模块来说,其抗干扰能力要更强才行。在电子元器件制造尺寸更加微缩的同时,其制造公差也不能忽视,因为公差内的波动很可能会导致器件的不稳定,此时再加上EMC的干扰,在某种情况下很可能会发生问题,所以IEC(国际电工协会)协会制定了严苛的国际标准来卡控它们,目前国际通用的标准为CISPR 25。该标准要求测试区域内的电磁噪声水平要比最低水平低约6分贝。另一个测试标准是ISO 11452-4(BCI),可以用来检测窄带电磁场对于元件的干扰,这些标准都适用于车身内部的电子元件系统。

车辆噪音

对于燃油车来说,低频噪音的来源几乎都是来自于内燃机气缸的爆燃,工程师们也一直致力于发展减小这种低频噪音的技术。目前基本上都是采用更加高效、更多气缸数的发动机来降低其产生的低频噪音,与此同时工程师们还会使用主动噪音控制系统(ANC)或者有源噪声控制(ANR)来抵消噪音(ANC主动噪声控制技术是一种信号处理技术,通过降低噪声信号的有效振幅来提高车内环境的信噪比,从而减少噪声;ANR有源噪声控制技术基于相干声学原理,利用车内放大器和麦克风以及数字信号处理DSP来消除噪声)。

 这些噪声消除系统都是由一套音频设备构成,发射一个振幅相同但是相位相差180°的波(反相位),又因为波在复合过程有相消干涉的物理特性,所以有源噪声控制系统通过混合信号输入噪声,经过控制算法来分析声波波形并产生一组反相的波到换能器中,然后在对车内噪声进行相消干涉。当然这些系统都严重依赖于系统SoC(集成了CPU、内存和相关软件部分),并且需要实时处理来达到快速响应和完成反馈控制电路。通常典型的3到6个车厢麦克风的音频系统,可以涵盖30-250Hz范围内的噪音。

LED照明

在汽车工业中,LED发光二极管被广泛应用于远光灯、制动指示灯和转向灯中,各种亮度和发光功率都有着不小的差异,主要是取决于车灯的用途,因此车辆就需要设计不同的调光控制电路。目前该控制电路主要是利用脉冲宽度调制(PWM)技术来调节LED电流脉冲宽度,从而调节发光亮度。通常调光系统还要注意的是在需要不同亮度时集成电路IC需要输出不同的电压,这部分控制电路一般分为降压和降压升压电路,从而让LED照明系统更加简洁和智能。

主流的LED照明解决方案需要一个恒定的电流来产生持续的发光,因此输出电压的波动和公差是对于控制系统来说最关键的参数,所以电源纹波是这个领域的难点。此外在设计阶段还需要考量众多的其他因素例如温度、湿度、供电电压范围和电磁兼容性(EMC)等因素。这些因素都关乎到汽车电子中最重要的要求就是可靠性,汽车电子元器件必须要满足在过压、欠压、过流、反极性短接、短路大电流和极端温度条件下的高可靠性,往往需要增加很多必要的保护电路,以防止更大的问题。所以一个较为简单的LED控制电路还需要在温度、湿度和连续振动等不同条件下严苛测试。

手势识别

手势控制是一种较为新兴的控制方法,通过车内电子摄像机的帮助在2D或者3D空间中利用ToF(飞行时间)技术来识别控制指令从而控制某些应用。而ToF技术是对识别目标发射红外线,然后接收反射信号,通过计算信号飞行时间来构建运动物体的动作。当然市面上还有基于机器视觉的方案:通过识别一个场景内的图像,测量每个像素的位置,通过边缘检测捕捉手势动作。

利用视觉图像识别也很容易受到光源的影响,不同的光子在摄像头捕捉时会有一些泊松分布的过程,在某些情况下,光子转化到电子也是有一个随机过程。同时手势识别技术也涉及到乘客的眼睛动作,设想一下如果我们想打开后雨刷或者开启车载收音机只需要将目光注视到对应按钮就可以实现想要的功能,而这些控制算法都是实时解码所带来的功能;不仅如此,眼神控制更能检测司机是否疲劳驾驶,现代眼球追踪系统能快速提醒司机注意休息,避免车祸的发生。

激光雷达

激光雷达是一个老生常谈的问题,其原理十分简单,但是构建一套功能完备的系统还是有些难度的。雷达都是采用发射-接收的原理:

与物体的距离=(光速x飞行时间)/2

通过测量信号飞行的时间来计算出信号飞行的距离,目前雷达基本上发射的波长都在830nm到940nm之间,并用一个镜片来扫描反射的激光。这种方式会带来一种十分复杂的情况:发射的激光可以被反射到不同的方向,例如,我们用激光来观察一颗树木,一些光会从树叶上反射回来,还有一些会穿透到达后面的平面再反射回来,这个会造成不小的困扰。

在技术上激光雷达和普通雷达非常相似,当然雷达识别的是无线电波而不是激光,激光雷达对于周围环境的扫描可以识别出大量的3D数据,通过适当的软件转换就能创建3D图像。

 

兰博基尼跑车,图源:EE Times

电动汽车

全球在构建可持续性未来时,至关重要的一环便是电动汽车。

电动汽车是利用电能来驱动发动机组从而产生带动轮胎转动来使车辆前进,它们需要DC/DC转换器,通常是12V转36V供控制电路供电;还有DC/AC变换器用于驱动电动机;还要AC/DC系统用来充电,当然该系统还能在车辆制动时回收电能,这就是市面上所说的“再生制动”功能,将动能转化成电能。

目前市面上的电动车主要分为三种类型:纯电汽车、插电式混动汽车和混合动力汽车。纯电汽车只有电池组作为能源,不带有汽油发动机等系统,在大容量电池中存储电力,因此汽车的一切能量来源都源自于电池组,并且在行驶过程中不排放任何有害气体。插电式混合动力汽车内部拥有两套系统,基本上可以在不用汽油发动机的情况下行驶10-70km。

目前所有的新能源汽车的设计厂商们都在努力改进其能源转换效率,热量管理和能源损耗方面的高可靠性也是一大挑战,其传动系统功率、转换效率、工作温度和散热等一系列问题都是新开发时必须考虑的环节。在电动汽车众多零部件中其核心是电池和电机系统,现在各家大厂都在讨论电车的续航,即充满电的行驶里程。目前新的无线电池管理系统(WBM)正在开发当中,进一步提升电池的安全和可靠性。

在电动车电池中锂离子电池的最受瞩目的一种,但是也需要在使用时特别注意,电池在过放时极度危险(主要是对于电池的损伤很大),所以在制造过程中要尽力避免断电。同时必须要对于多个电池组都要实时监控,所以电池管理系统的覆盖范围、持续时间和可靠性都是一大考验。

几乎市面上所有的电动汽车都会在减速时利用再生制动给电池充电,并且还有些厂商会配备一定数量的太阳能电池板,通过太阳能、热能和其他压电机械能等能量来源也能当做电能来源之一。与此同时,还有一种方式是通过收集车辆内部的振动能来转化成电能,目前业界都在开发超低功耗的微控制器,就是为了降低系统的整体功耗水平,使得通过各种能量转化成的电能发挥更大的作用,这种被动式的能量收集系统能给汽车续航和成本带来不小的影响。

我们已经看到电池应该是未来电动汽车的核心,电池的设计和前进方向几句决定着电动汽车的发展。目前锂离子电池面对的两个重要问题:一是材料本身的化学性质,另一个是其电性能。因此在电池整个生命周期内,良好的电池管理和监控系统对于电池是至关重要的,而现在无线电池管理系统的出现,又让整个系统上升了一个台阶,因为不仅消除了繁杂的布线,降低了系统的复杂度,还引入了一种模块化的方式来设计电池组。当一个电池组整体出现问题时,可以检查到哪部分电池模块出现问题,然后进行适当的替换又能重新使用。

电池管理单元(BMS)除了计算电池的性能和寿命,还可以规定电池组的最佳使用电量范围,在性能、安全和寿命等方面进行管理,该系统拥有所有的控制和诊断功能,不仅控制车辆各个模块的功耗情况,甚至还可以管理电费。所以一个完备的电池管理系统可以概括为:保护电池安全可靠工作,用于管理和监测车辆各部分的耗电情况,通过平衡车辆耗电和剩余电量,来优化最终行驶里程。

所以,电动车越来越受到人们的喜爱,不仅仅是其结构简单,能源效率超高(燃烧汽车的能源效率为16% ,而电动汽车的能源效率为85%)还因为其能源再生的超高灵活性获得的更长的续航。可以说在可见的未来,电动车被动能量收集技术将是各家研究的前沿领域。

有关于电动汽车的发展另一个领域是无线充电,设想是放在车库和公共停车场上,而从更加长远的角度来看,在公共停车场上建设大量的充电板,当电动车在道路上行驶时,可以无线充电。但是这个难度极大,政府建设此类公共设施困难重重。无线充电技术不管负载的类型和容量大小,通过发射器和线圈将电能传输到负载接收端上,一般工作频率在105kHz-205kHz之间。

 

图源:EE Times

氢动力汽车

新一代新能源汽车的目标是为了环保,电池电动汽车兼顾所有类型的优点,但是其充电时间过长,几乎不用来做长途旅行,于是乎人们又开发了氢能源来解决这个问题。氢燃料汽车是将化学能转化为汽车的机械能,氢气可以直接在内燃机中燃烧,这种叫做氢气内燃机;或者可以和氧气发生反应提供能量,这种叫做燃料电池汽车。近年来,燃料电池汽车已经引起了众多制造商的关注,整车由电动马达驱动,内部就有一个发电装置(通过氢气化学反应,将化学能转变为电能)。氢动力汽车对于环境的影响微乎其微,因为不产生任何污染物,只会产生水蒸气,所以十分环保。并且氢是地球上最丰富的化学元素,但不是以单质形态存在自然界中,必须要用不同的方法来生产出,所以在制造氢能的过程中也存在着一定的污染。

目前获取氢能的方式主要有两种:提取和电解,前者对于环境的影响巨大,因为要涉及到原油的开采、运输和提炼;而后者电解是通过电解水引起的化学反应将水分解成氢原子和氧原子的过程。虽然电解水不存在其他污染物,但却需要大量的能源,而能源获取的过程又或多或少的带来污染。

总之与电动车一样,氢能对于未来可持续绿色发展做出了重要贡献。目前还需要解决这二者(氢能和电能)获取、运输和分配的基础设施成本。无论是电能还是氢能在整个汽车产业链中的任何一环都需要共同进步,因为任何一个细小的领域都关乎着整个汽车行业的明天。

 

责编:我的果果超可爱

编译自:The Future of Automotive: Electronics and EVs --EE Times

 

 

 

 

 

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