汽車電子行業(yè)痛點與技術(shù)解析 汽車是如何實現(xiàn)主動降噪的？

一場疫情推動了線上視頻直播的潮流，許多電子行業(yè)的主流廠商也紛紛加入，ADI 就是其中一家，本以為會是“軟廣”，一個多小時聽下來，卻感覺十分“硬核”，于是寫下文字，一方面是一種記錄，另一方面也為了與大家分享，希望給在汽車行業(yè)傳統(tǒng)崗位上，或是即將進入汽車行業(yè)的工程師們一點啟示。

汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向解讀

2019 Global Automotive Supplier Study | 信息源：Deloitte

根據(jù)德勤全球的數(shù)據(jù)，2018 年全球汽車供應(yīng)商的總收入為 1.7 萬億美元。從 2018-2025 年的預(yù)期來看，一方面，與車身或是傳統(tǒng)發(fā)動機和變速箱相關(guān)的業(yè)務(wù)將呈現(xiàn)增長緩慢或者慢慢開始下跌的趨勢，某些細分市場甚至可能面臨高達 20%的收入流失；而另一方面，一些增長較快的細分市場可能實現(xiàn)收入增加兩倍以上。其中，電氣化驅(qū)動系統(tǒng)、電池和燃料電池是最具增長潛力和差異化能力的領(lǐng)域，將有超過或接近 3 倍的增長幅度；ADAS 和傳感器部分緊隨其后，也會有超過 2 倍的增長幅度。

因此，我們可以從報告中得出一個結(jié)論：智能化、電氣化和自動駕駛將是汽車發(fā)展的三大主要推動力。

下面分別針對汽車智能化、電氣化和自動駕駛?cè)齻€方向，深入淺出地談一下其中將涉及的行業(yè)痛點與解決方案解析。

“智能化、電氣化、智能駕駛”進程中的行業(yè)痛點與技術(shù)解析

智能化

當(dāng)我們談汽車智能化，一般指的就是智能化座艙，也就是被我們稱之為 infotainment 的系統(tǒng)，它存在的意義在于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。

那么，智能化座艙具體是指哪些方面的技術(shù)呢？

一是沉浸式的音頻體驗；二是相應(yīng)的主動降噪、超寬帶回聲消除以及定向麥克風(fēng)技術(shù)。

而要達到這些效果，除了需要頂級麥克風(fēng)、揚聲器技術(shù)和 3D 音頻技術(shù)以外，對傳輸線束的要求也很高。大家知道音響的線束大都非常粗，目的是為了保證音頻質(zhì)量。如果大家有過裝修經(jīng)驗，就會發(fā)現(xiàn)，只要有音響的布線，裝修成本就會非常高。

那么如何才能在降低成本的同時，還能滿足上述需求呢？

學(xué)過數(shù)電和 DSP 課程的小伙伴是不是和我有了同樣的想法？那就是把傳統(tǒng)音響數(shù)字化，然后采用數(shù)字化總線傳輸替代模擬信號傳輸，這樣就能降低在傳輸過程中的損耗和對線束的要求，降低線材重量，簡化布線過程，軟件開發(fā)與算法復(fù)雜度也會大大降低。站在電動汽車的角度上，數(shù)字化的音頻總線在傳輸數(shù)據(jù)的同時，具有一定的供電能力，因此還能降低整車能耗，拉長續(xù)航里程。其實，我們已經(jīng)能在不少車內(nèi)的音響品牌中找到 ADI 的這項 A2B 技術(shù)。

A2B 技術(shù)，什么意思？

Automotive Audio Bus | 信息源：ADI

ADI 中國汽車技術(shù)市場高級經(jīng)理王星煒告訴我們：“A2B，是英文 Automotive Audio Bus 的縮寫，全稱是車內(nèi)音頻總線，對整個聲音的營造會有更多的基于總線的數(shù)字化理念應(yīng)用在里面，也有相應(yīng)的產(chǎn)品?！?/p>

那么除了采用數(shù)字總線傳輸以外，我們的汽車制造商或者說解決方案提供商還能為提升智能化座艙音頻體驗做點什么呢？

那就是不得不提時下流行的“主動降噪技術(shù)了”，可能有的小伙伴要問，主動降噪到底是什么概念？生活中，我們能夠買的到很多主動降噪產(chǎn)品，如主動降噪耳機，它的理念是當(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別人交流的聲音，里面也采用了 ADI 的音頻處理技術(shù)。而這項技術(shù)，對于汽車領(lǐng)域同樣適用。

下面我們來了解一下汽車是如何實現(xiàn)主動降噪的？

首先通過車內(nèi)不同位置的麥克風(fēng)或傳感器將噪音收集下來，包括車身四周的加速度、震動信息，然后通過 A2B 總線傳到主動處理控制器，該控制器的核心技術(shù)是 ADI 音頻處理 DSP 技術(shù)（芯片+算法），它可以將收集來的聲音波形進行反向，再來控制相應(yīng)的喇叭放出去抵消這些噪音，從而實現(xiàn)主動降噪的效果。

主動降噪原理示意圖 | 信息源：ADI

當(dāng)然，未來更深層次的智能化座艙還將包括獨立的聲音分區(qū)、智能的人機交互系統(tǒng)、駕駛員健康安全監(jiān)控等，這些都將隨著 ADAS 和傳感器技術(shù)的發(fā)展而逐漸走向成熟化。

電氣化

電氣化驅(qū)動系統(tǒng)

首先，我們來了解一下電氣化系統(tǒng)是什么樣的？

這得從電氣化架構(gòu)開始講起，電氣化架構(gòu)正從傳統(tǒng)的基于發(fā)動機的架構(gòu)、基于內(nèi)燃機的動力總成，往兩個方向發(fā)展：一個是往電氣化的驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展，另一個是各種控制系統(tǒng)的電氣化發(fā)展。

電氣化驅(qū)動架構(gòu) | 信息源：ADI

接下來，我們再來了解一下驅(qū)動系統(tǒng)到底是怎么實現(xiàn)電氣化的？

傳統(tǒng)車在前艙會有一個發(fā)動機，而現(xiàn)在整體新能源車在車底會有一個電池系統(tǒng)，包括電池管理和動力電池系統(tǒng)。未來，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個電機。

具體是怎么驅(qū)動的呢？首先，電池給出來的電是直流電，大家用過傳統(tǒng)電池，我們手邊可接觸到的電池基本是 1.5V 的 5 號電池，或者是手機鋰電池，差不多是 4V 左右或 3.7V 的電壓。新能源電動車使用的動力電池電壓會達到 400V 的級別，它是一個高壓電池，但是直流電。而電機驅(qū)動車輪，它所需要的是交流電。當(dāng)中需要有一個電機控制器去控制直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，同時要控制電機車輪去旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，以及給多少動力到車輪上。這是相應(yīng)的電機控制器所需要完成的任務(wù)。

電機控制器到底有哪些組成部分呢？首先有控制器來控制相應(yīng)電機的工況。控制器需要有電源，也需要有通信收發(fā)器，通信收發(fā)器也要考慮相應(yīng)隔離的技術(shù)，因為高壓電池是 400V，不做隔離的話出現(xiàn)一些漏電會引起人員的危險。

對應(yīng)來說，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，常見的是現(xiàn)在 IGBT 的技術(shù)，少數(shù)已經(jīng)開始使用 SIC MOSFET 技術(shù)了，但未來絕對是屬于 SIC MOSFET 的世界。

SIC MOSFET 有一個問題，它需要高壓大功率驅(qū)動的信號。MCU 信號是弱電的，它沒法給出那么高壓、那么強的驅(qū)動能力。這里面相應(yīng)的隔離門驅(qū)芯片，我們叫做 gate driver & Isolation 芯片，也是 ADI 在電氣化中非常重要的技術(shù)。

前面提到的 BMS 芯片，有隔離的通信芯片和驅(qū)動芯片，也有電機位置傳感器芯片。在電機位置傳感器方面，ADI 中國汽車技術(shù)市場高級經(jīng)理王星煒告訴我們：“ADI 有非常高市占率的傳感器方案，就是旋轉(zhuǎn)變壓器方案，也會有相應(yīng)的電流傳感、電壓傳感和供電方案給客戶做這樣一個高壓電氣化驅(qū)動架構(gòu)?！?/p>

電池管理

說完了電氣化的架構(gòu)，我們來看看電池管理是什么樣的？

某個品牌電動汽車使用的就是圓柱型的鋰電池。而民用版的鋰電池，大家平常有很多地方都會用到，比如無人機或者玩航模的都會用到圓柱型電池，一些大功率的手電筒用的也是圓柱型電池。有網(wǎng)友提到，該品牌汽車使用的圓柱型電池也是 18650，但它總共用了有 7000 顆圓柱型電池。所以，民用和車用的不同就體現(xiàn)在這一點：我們平常使用可能只要管好這一顆電池的狀態(tài)就可以了，但車的用量非常大，像圓柱型電池，如果用 7000 多顆的話，電池管理是非常有挑戰(zhàn)的。

除了圓柱型的電池之外還有另外兩種，一個是軟包，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；另一個是方殼型的電芯，每個電芯都需要做監(jiān)控，同時多個電芯會組成一個電池組，也需要做監(jiān)控。因此，ADI 中國汽車技術(shù)市場高級經(jīng)理王星煒表示，“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)，是一個非常完整的產(chǎn)品家族，給到整個行業(yè)一個系統(tǒng)級的解決方案。主要好在哪兒？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。現(xiàn)在通信架構(gòu)也有兩種發(fā)展方向，有有線的 iso SPI 方向，也有無線的 BMS 架構(gòu)?？傮w來說，ADI 完整而全面的產(chǎn)品家族，使得整個系統(tǒng)往更低系統(tǒng)成本的方向發(fā)展?！?/p>

既然提到了電池管理和電芯監(jiān)控，那我們不妨再來了解一下其中原理。

電池管理都是通過電芯電壓來管理的，說白了就是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。電池又會有不同的材料，不同的材料就有相應(yīng)不同的放電曲線。比如磷酸鐵鋁的曲線就會非常平。對非常平緩的曲線，每一毫伏對應(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。

電池管理 | 信息源：ADI

我們來看一下整個行業(yè)需要的電池應(yīng)用的不同場景。

電池應(yīng)用場景會從最小的 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)。比如一些大巴車、電動船舶，身長較長，需要不止一組電池組串并聯(lián)來提供相應(yīng)的能量。而對于插電混動和純電動車來說，不同的電芯需要做非常多的串并聯(lián)組成一個電池組。因此，不同的使用場景會需要不同的產(chǎn)品家族去應(yīng)對。

總體來看，整個電池會有不同的層級，從前面說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)。ADI 中國汽車技術(shù)市場高級經(jīng)理王星煒表示，“目前 ADI 技術(shù)已迭代到第五代，可以提供 12 通道（如 LTC6811）、15 通道、18 通道（如 LTC6813）的產(chǎn)品去應(yīng)對客戶的不同需要，而且是通過雙腳隔離聚化鏈的架構(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。此外可靠性方面，體現(xiàn)在焊接完芯片以后 PCB 非常小，不需要做產(chǎn)線額外的標(biāo)定，生產(chǎn)成本比較低。穩(wěn)定性方面，體現(xiàn)在汽車質(zhì)保方面，比如六年十萬或十五萬公里的行駛，相應(yīng)的關(guān)鍵部件不出現(xiàn)衰減，電池就是關(guān)鍵部件。再者就是系統(tǒng)級的解決方案方面，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。”

要滿足以上需求的產(chǎn)品架構(gòu)是什么樣的呢？

現(xiàn)在業(yè)界的產(chǎn)品架構(gòu)在往兩個方向發(fā)展，一個是 BMS 有線通信架構(gòu)，即 BMS 每個電芯模組上有一個采樣板，采樣板之間是通過隔離的雙腳線連接，組成一個環(huán)形的有線的拓撲。另一個是未來的發(fā)展方向，就是無線 BMS，每個模塊之間不再有傳輸?shù)耐ㄐ啪€了。

無線有什么好處呢？

無線使得電池的全生命周期管理都可以獲得監(jiān)控。

怎么監(jiān)控呢？

在電池生產(chǎn)的時候，可以跟無線的管理系統(tǒng)做一個綁定，有點像電池的身份證。電池的身份證只要生產(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有無線 BMS 技術(shù)在做持續(xù)監(jiān)控。等到電池在運輸中，以及最終裝到車上以后，都會有一個持續(xù)的記錄：這個電池是什么時候生產(chǎn)的，行駛了多少里程，可用電量有沒有衰減，衰減到什么程度。

無線 BMS 使能電池二次利用 | 信息源：ADI

現(xiàn)在人們用車一般大概是五六年或者更長一段時間，就會考慮變成二手車出售再去買新車，這是傳統(tǒng)使用車的周期。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)鍵的一個點?；谶@種無線通信的技術(shù)，電池里面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。同時，如果這個電池不再適合車用，還可以二次利用，比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，這也是一個未來發(fā)展的方向，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。

自動駕駛

ADAS 與傳感器技術(shù)

再看一下未來的自動駕駛是什么樣的。

現(xiàn)在路上跑的已經(jīng)有很多車是帶自動駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的，我們先看一下駕駛輔助系統(tǒng)。

一般駕駛輔助系統(tǒng)都需要非?？煽康膫鞲衅骷夹g(shù)?，F(xiàn)在按照自動駕駛的技術(shù)來看，雷達技術(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)。一般的雷達是自適應(yīng)巡航的長距離雷達，放在車輛中間的位置，也有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四個角落都放，后面也會有。它所需要做的探測，就是探測障礙物。

高性能成像雷達方案 | 信息源：ADI

如果單去看現(xiàn)在業(yè)界的方案，有按照頻率來分的，比如有 24G/77G 雷達，這是毫米波雷達，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 雙方案體現(xiàn)到相應(yīng)的半導(dǎo)體技術(shù)來說，原來分離式的方案，主流的芯片工藝都是 GaAs 工藝，因為它可以滿足探測傳感器所需的高速開關(guān)。但 GaAs 工藝和傳統(tǒng) Si 工藝，由于工藝上的差別，導(dǎo)致生產(chǎn)成本非常高。因此，折中選擇現(xiàn)在的發(fā)展方向——SiGe 工藝，既能降低成本，又可增強可集成度的特性。SiGe 工藝會更好地與傳統(tǒng) Si 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。對于 ADI 來說，其固態(tài)激光雷達技術(shù)和 ToF 攝像頭技術(shù)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，為自動駕駛量產(chǎn)提供基礎(chǔ)保障。

慣性導(dǎo)航

有的小伙伴可能第一次聽說慣性導(dǎo)航，它在所有汽車技術(shù)中不太起眼，卻是在自動駕駛方面非常重要的一個方案。在一些比較高性能、高可靠性的航空器里使用比較多，比如民航飛機。

汽車級慣性導(dǎo)航 MEMS 方案 | 信息源：ADI

導(dǎo)航器件在汽車里的應(yīng)用變得越來越重要，如果是基于高清地圖的自動駕駛行駛，就無法避免過隧道、高架橋下方，這些地方 GPS 信號不好，但我們?nèi)耘f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)航的芯片和算法持續(xù)給基于車的轉(zhuǎn)向或者車的加速度、減速度，來定位車的具體位置。ADI 中國汽車技術(shù)市場高級經(jīng)理王星煒告訴我們：“目前 ADI 的慣性導(dǎo)航相應(yīng)的芯片是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)的從手機消費類提升到汽車應(yīng)用的方案不同，擁有非常高的可靠性和精度?！?/p>

寫在最后

智能化、電氣化、自動駕駛將是未來汽車發(fā)展的三大方向，這已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)內(nèi)形成了共識。對于半導(dǎo)體廠商而言，無疑是變革中大蛋糕的分享者，但機遇往往與挑戰(zhàn)并存，瓶頸鑄成壁壘。

舉個例子，大家都知道特斯拉最大的技術(shù)優(yōu)勢之一在于其憑借純電動平臺以及較好的電池管理系統(tǒng) BMS，使得整車在冬季以及高速巡航狀態(tài)下，續(xù)航里程都不至于下滑太多。針對 BMS 這一部分拉開的差距，它涉及到電池組、監(jiān)控管理芯片、算法、極限測試等多個方面，那么突破方向何在？

ADI 中國汽車技術(shù)市場高級經(jīng)理王星煒告訴我們：“對于電池管理 BMS 芯片來說，采用實驗室級的齊納二極管基準(zhǔn)電壓源是一個突破方向，這種埋入式齊納二極管將結(jié)放置在硅表面下方，遠離污染物和氧化層的影響，從而達到精確、穩(wěn)定的測量效果，賦予電池更多的‘可用電量’，也使得電動車在冬季或者其他使用工況下有更好的續(xù)航里程。”

的確，將大問題拆解，尋求細節(jié)落實與突破，確實是不變的應(yīng)戰(zhàn)準(zhǔn)則，未來隨著半導(dǎo)體廠商在汽車領(lǐng)域經(jīng)驗的不斷積累，變革的腳步預(yù)計會越來越快。

編輯：hfy