汽车的未来：电子产品和电动汽车

汽车的未来：电子产品和电动汽车

电子产品是汽车行业的核心，电动汽车将越来越重要。微电子技术，尤其是大功率电子技术的巨大发展导致信息娱乐、照明和传感器应用显着增加，这些应用需要稳健可靠的设计。分析师估计，未来几年的营业额将超过 800 亿美元，并呈指数级增长。该行业正在通过开发和发展限制事故的技术（例如通过稳定性控制系统和驾驶员健康状况）为道路安全做出积极贡献。

从智能电网开始，智能（智能）技术的出现引起了人们对 GPS 和整个物联网生态系统的兴趣，以支持车辆接收和传输高速数据。三个主要因素使汽车对技术具有吸引力：自动驾驶、电动汽车以及消费者对信息娱乐服务的强烈需求。无人驾驶汽车代表了不久的将来的挑战。远程干预已编程的电子系统、减少道路事故的数量、从而避免危险情况的可能性，是使这一挑战取得成功的一个原因。

让我们看看电子是如何取代机械的。

MEMS技术

尽管典型应用是安全气囊和高级驾驶辅助系统，但基于 MEMS 的陀螺仪和加速度计等传感器的普及允许一系列控制解决方案提供更高的效率。微机电系统 (MEMS) 技术使用微制造技术将微电子学的能力与微传感器的机械特性相结合。这些方法的优点包括高效率、小尺寸和低成本。基于 MEMS 的电子安全系统可以确保符合功能安全标准，并使设计人员能够更有效地实现目标。汽车行业对安全和安保的需求不断增长是该市场增长的主要驱动力。微机电系统加速度计测量一个、两个或三个正交轴上的加速度，用于识别相对于重力加速度的倾斜或方向，以及测量振动和冲击。加速度计基于硅 (Si) 半导体。测量的物理原理基本上由热或电容方法组成。电容方法可能更适合某些应用，例如碰撞检测和安全气囊激活。另一方面，基于密封腔内加热的气体分子对流原理的热方法更适用于电子稳定控制（ESC）。电容式器件利用压电效应或晶体结构的应力和加速力，将机械应力转化为电信号。

另一方面，MEMS 陀螺仪提供了一种测量角速度（或旋转运动）的简便方法，并且是运动控制的流行选择。它们还用于大多数智能手机的消费领域。主动悬架采用四个传感器与加速度计和陀螺仪相结合，以确保车辆的稳定和规律的动态行为。大多数陀螺仪基于具有两个质量的音叉配置，在相反方向上连续振荡。当施加角力时，每个质量块上的科里奥利力作用于相反方向，从而产生与角速度成比例的容量变化，然后将其转换为电信号。至于噪音，我们有一个内在噪音代表静态惯性状态，也就是说没有旋转，振动，

因此，加速度计的汽车应用主要包括安全气囊和主动悬架，而陀螺仪则用于稳定性控制系统和 GPS 导航系统。陀螺仪可用于汽车激活电子稳定控制 (ESC) 制动系统以防止事故发生，或在发生倾斜情况或正面碰撞时激活安全气囊。纳米机电系统 (NEMS) 正在出现一个新的 MEMS 市场。由于它们的灵敏度，这些纳米尺寸的设备能够提供非常小的传感器，可以检测原子水平的应力和振动。

电磁兼容性 (EMC)

汽车行业的快速发展以及自动驾驶汽车和 ADAS 系统的趋势继续推动汽车行业对更复杂的 EMC 设计和测试场景的需求。车辆平台变得越来越复杂，其中的电子设备需要可靠运行而不影响安全或通信基础设施。汽车行业及其制造商旨在满足各种电磁兼容性要求。例如，有两个要求必须确保电子设备不会发出电磁干扰 (EMI) 或过大的噪声，并且不受其他电磁源发出的噪声的影响。

应用于汽车领域的新无线通信模式需要高性能电子系统，这些系统能够以高数据速率运行，因此，取决于运行环境，需要以高频率运行。这些新子系统中的每一个都必须符合电磁兼容性标准。此外，信号完整性以及传输和处理的数据模式是关键方面。电子设备的小型化是必须的，因此不能再忽视制造公差。标称设计参数的变化会导致对 EMC 和信号完整性产生负面影响的不稳定行为。汽车系统在汽车周围安装了多个无线电接收器。IEC 委员会制定了国际标准来保护它们。这种电磁噪声的国际标准被制定为 CISPR 25。CISPR 25 是一个包含多种测试方法的标准。测试区域的电磁噪声电平应至少比被测最低电平低 6 dB。另一个测试标准是 ISO 11452-4 大电流注入 (BCI)，它检查组件是否受到窄带电磁场的不利影响。测试是通过使用电流探头直接在布线中注入噪声来执行的。CISPR 25 包含在 150 kHz 至 1000 MHz 频率范围内测量无线电干扰的限制和程序。该标准适用于任何用于车辆、拖车和各种设备的电子/电气组件。测试区域的电磁噪声电平应至少比被测最低电平低 6 dB。另一个测试标准是 ISO 11452-4 大电流注入 (BCI)，它检查组件是否受到窄带电磁场的不利影响。测试是通过使用电流探头直接在布线中注入噪声来执行的。CISPR 25 包含在 150 kHz 至 1000 MHz 频率范围内测量无线电干扰的限制和程序。该标准适用于任何用于车辆、拖车和各种设备的电子/电气组件。测试区域的电磁噪声电平应至少比被测最低电平低 6 dB。另一个测试标准是 ISO 11452-4 大电流注入 (BCI)，它检查组件是否受到窄带电磁场的不利影响。测试是通过使用电流探头直接在布线中注入噪声来执行的。CISPR 25 包含在 150 kHz 至 1000 MHz 频率范围内测量无线电干扰的限制和程序。该标准适用于任何用于车辆、拖车和各种设备的电子/电气组件。测试是通过使用电流探头直接在布线中注入噪声来执行的。CISPR 25 包含在 150 kHz 至 1000 MHz 频率范围内测量无线电干扰的限制和程序。该标准适用于任何用于车辆、拖车和各种设备的电子/电气组件。测试是通过使用电流探头直接在布线中注入噪声来执行的。CISPR 25 包含在 150 kHz 至 1000 MHz 频率范围内测量无线电干扰的限制和程序。该标准适用于任何用于车辆、拖车和各种设备的电子/电气组件。

车内噪音

汽车行业最重要的方面之一是吸热发动机气缸中的燃烧阶段。由于这些电机已经存在多年，工程师们一直致力于设计技术来处理低频噪声。我们将看到，对于电动汽车，要管理的问题恰恰相反：它们发出的噪音太低，出于安全原因，我们必须制造更多噪音。

节能技术有助于生产更环保的车辆，但并不总是提供噪音较小的客舱体验。通过减少气缸数来配备更高效、更环保的发动机，从而降低发动机噪音的频率。为降低发动机噪音，汽车工程师使用主动声学控制或主动噪声控制 (ANC) 来生成由车内扬声器再现的降噪信号。主动噪音控制 (ANC) 技术使用车辆的音频系统来减少发动机产生的有害噪音。有源音频声音控制是一种信号处理方法，可降低声音的有效幅度以提高信噪比 (SNR)，从而使不需要的噪声不易察觉。主动噪声控制方法也称为 ANR（音频降噪）。ANC 或 ANR 基于相干声学，旨在使用车辆内的放大器和麦克风以及数字信号处理 (DSP) 来消除噪音，从而准确地复制各种形式的原始声场。在实践中，声音可以描述为由振幅和相位组成的压力波。

噪声消除系统由一个音频设备组成，该设备发出具有相同幅度但相移为 180°（反相，也称为反相）的波。两种波的复合过程基于称为相消干涉的物理原理。有源噪声控制是通过使用混合信号电路或数字信号处理实现的，使用控制算法分析声音波形并生成放大到换能器的反相波。这些系统严重依赖配备高性能标准 CPU 和软件基础设施的集成 SoC（片上系统）。需要实时处理资源来快速实施和完成反馈控制回路，以使 ANC 解决方案正常工作。在具有三到六个麦克风的典型汽车系统设计中。

LED照明

在汽车行业，发光二极管 (LED) 广泛用于远光灯、制动灯和位置灯以及侧转向灯和后转向灯。在一个 LED 驱动项目中，各种照明设备的亮度强度是不一样的，而是取决于它们的具体功能。因此，LED 工作在不同的亮度级别；例如，制动时的最大亮度和尾灯亮度的 10% 至 25%。LED 调光电路用于通过脉冲宽度调制 (PWM) 驱动技术来区分亮度级别，该技术调制施加到 LED 的电流脉冲的宽度。然而，对于户外照明应用，需要为同一个 LED 提供不同的亮度级别。例如，停车灯和侧灯或近光灯和远光灯被定义为两个亮度级别。在某些情况下，

照明控制系统的一个重要方面是管理由不同配置的集成电路 (IC) 驱动器提供的电源，称为降压和升降压。LED 易于控制，使其成为智能照明系统。

LED 解决方案需要恒定电流来产生均匀的亮度。电源的精度、电压波动和其他参数实际上是正确驱动器实现最相关的设计参数。因此，必须仔细考虑车辆的电源纹波供应。此外，设计阶段反映的其他要求包括温度和湿度、电压范围、电磁兼容性 (EMC) 以及资格测试规定的可靠性要求。汽车应用的高可靠性表明驱动器 IC 内部有必要的保护电路，可防止过压、欠压、反极性、过流、短路和极端高温或低温。恶劣的汽车环境需要保护电路来防止发生故障时出现问题。汽车级设备还有望在扩展的温度和湿度范围内表现出可靠的运行，并能够承受持续的振动。

手势识别

手势识别或手势检测是设备识别人体一系列运动以应用某些控制功能的能力。这种电子技术基于在 2D 或 3D 场景中识别和扫描场景的相机的帮助，或者通过基于飞行时间 (ToF) 技术的解决方案。后者包括在要分析的目标上发送红外线，随后反射由接收电子设备处理的信号。电子设备通过分析各种运动来创建一种地图，并通过算法以正确的动作做出响应。其他解决方案采用超声波信号，例如用于停车传感器的超声波信号。

目标是扫描场景的整个图像。所使用的相机由一个发射器和一个接收器传感器组成（由一个像素矩阵组成，该矩阵收集来自同一感兴趣区域的光）。视觉控制算法必须扫描图像以分析手势并进行识别。传感器的目的是解调反射光，测量代表透射光和反射光之间相关性的每个像素的位置。像素从场景的各个不同部分收集光线。通过重新组合信号，创建重建图像。所有传感器像素均由解调和调制输入控制。像素解调与透射光信号的调制同步。

光子（在基质上反射的光）转化为量子过程的电子是由随机函数调节的。特别是，光子产生率使用泊松分布。类似地，目标反射的光子信号及其在像素内相对转换成电子的过程也是具有泊松分布的量子过程。在这些情况下，并非所有撞击像素的光都被转换为电子。为了检查系统的质量，最好测量作为传输中使用的光波长的函数的量子效率。

手势识别技术还涉及眼睛。假设您想通过简单地将眼睛移到后视镜来启动后雨刷，或者通过简单地将眼睛移到仪表板上来打开收音机。这些是控制算法应能够实时解码的众多示例和特征之一。一个关键功能是能够监测可能在驾驶时产生负面影响的心理-身体症状，例如疲劳。现代眼动追踪系统使用红外 (IR) LED 作为光源和高分辨率相机来检测反射光。

激光雷达

LiDAR背后的原理（有时也发现书面 Lidar 或 LIDAR）非常简单，但构建这种类型的系统并不一定简单。工程师用来计算距离的公式是：到物体的距离=（光速x飞行时间）/2。激光雷达测量飞行时间，用于计算行进距离。该系统基本上发送波长从 830 nm 到 940 nm 的高频光脉冲，并使用镜子而不是天线来扫描激光。该光从传感器反射回来，该传感器解释信号并通过测量其扩散来计算光行进的距离。通过这种方式，激光雷达系统允许自动驾驶车辆检测障碍物或其他车辆。

复杂的因素之一是发射的光可以在不同的方向上反射。看一棵树时，一些光子会从树枝反射，但其他光子会继续穿过并从地面反射。有可能，甚至很可能，多次反射会产生光脉冲。本质上，它与雷达技术非常相似。两者都使用速度、角度和范围等参数。当然，雷达使用无线电波而不是光。硬件本质上由一个发射器和一个接收器以及一组从扫描环境中识别大量数据的点组成。这将创建一个数据集，该数据集可以通过软件应用程序进行转换，以根据给定区域创建 3D 图像。

电动汽车

电动汽车是全球迈向更可持续未来的核心。

电动汽车基本上使用电力来驱动发动机。它们需要 DC/DC 转换器（从一种直流电转换为另一种始终连续但电压不同的直流电），通常从高压到 12V 为低压电子设备供电；DC/AC 牵引逆变器，用于驱动电动机（通常为三相）并为车轮提供电力，以及 AC/DC 转换器，用于在制动能量回收和住宅或大功率（用于快速充电）充电期间为车辆电池充电车站。汽车的制动系统可以产生电能为电池充电。这被称为“再生制动”，包括将动能转化为电能。

电动汽车 (EV) 主要分为三种类型，根据使用电力作为能源的程度进行分类。BEV 或电池电动汽车、PHEV、插电式混合动力电动汽车和 HEV 或混合动力电动汽车。电池电动汽车，也称为 BEV，更常见的是称为 EV（错误地），是带有可充电电池且没有汽油发动机的全电动汽车。电池电动汽车通过大容量电池组在车上储存电力。它们的电池电量用于操作电动机和所有车载电子设备。BEV 不会排放传统汽油车造成的有害排放物和危害。电动汽车 (EV) 充电器根据其为电动汽车电池充电的速度进行分类。插电式混合动力电动汽车或 PHEV 可以通过再生制动和通过“连接”到外部电源为电池充电。虽然“标准”混合动力车可以（低速）在汽油发动机点火前行驶约 1-2 英里，但 PHEV 车型可以在其汽油/汽油发动机发挥作用之前行驶 10-70 公里。

电动和混合动力汽车的设计人员推动提高能量转换效率，在热管理和减少损耗方面正朝着高度可靠的设备发展。设计参数不同，涉及功率水平、转换效率、车辆传动系统的工作温度、散热的难易程度和系统封装。电动汽车设计中性能的关键是电池和推进系统。另一个需要考虑的方面是电动汽车的自主性，或者说它可以在充满电的情况下行驶的距离。电动和混合动力汽车的普及催生了新的集成解决方案，使电池管理更加可靠。

最流行的锂离子电池现在需要特别注意，因为每个电池的特性变化都不同。因此，必须单独处理每个电池，以完全避免放电。显然，大多数制造商认为在运行过程中断电是非常危险和不可接受的。出于这个原因，他们试图实现极低的故障率。锂离子电池在需要长期可靠运行时需要特别注意。电池电子设备必须能够将来自电池组中每个电池的信息传送到中心点进行处理。此外，电池管理电子设备必须最大限度地提高续航里程、持续时间、安全性和可靠性，同时最大限度地降低成本、尺寸和重量。

所有电动或混合动力车辆在减速期间都使用再生制动为电池充电。此外，太阳能电池可用于恢复最大电池电量或补偿汽车中的静态电流。除了太阳能之外，其他可用的来源是热能和使用机械动能的压电效应。车辆的某些部分变得非常热，温差可用于储存能量和为电池充电（热能收集）。在这种情况下，SmartMesh 等网状网络解决方案可以消除与连接器、电缆和各种组件相关的任何维护。它还允许实现附加功能，同时提供一些可扩展性。

汽车行业使用的能量收集包括从外部来源获取能量并将其转换为电流以为任何设备供电。由于振动能量总是以不同的幅度存在，因此动能的收集是在发动机舱中收集能量的一种通用方式。使用几种转换原理和适当的微电子系统，这种能量可以有效地转换为电流。然而，能量收集的性能在很大程度上取决于其适应环境源的能力。超低功耗微控制器开发的最新进展导致设备在运行所需的功率方面提供了前所未有的集成水平。

我们已经看到，电池是任何电动汽车的核心. 电动汽车中电池的采用使电子设计朝着新一代的电荷监测设备方向发展。锂离子电池有两个重要的设计问题：一个是针对材料的化学性质，另一个是电子性质的（过载时会导致永久性损坏和相对过热）。因此，拥有一个电池管理系统来提供保护和电源控制非常重要。监控系统本质上代表了电池组的“大脑”；它测量和报告对电池运行至关重要的信息，并在各种运行条件下保护其免受损坏。电池管理系统是电动汽车的关键因素。无线连接的添加使其非常有吸引力，但需要很多关注。这项技术旨在实现可持续性，不仅因为它消除了布线，而且在制造复杂性方面。它还允许您以模块化和可扩展的方式设计电池组，这样当您切换到第二次生命时，您可以使用这些电池组并将它们定制为特定的应用程序，然后以适合其第二次生命的方式重新配置它们. 除了重量和灵活性方面的优势外，wBMS 还允许采用不同的方式设计电池组。通过电池和电池模块级别的持续健康计算获取的数据可用于在电池组进入第二个生命阶段时更准确地确定电池组的剩余价值。它还允许您以模块化和可扩展的方式设计电池组，这样当您切换到第二次生命时，您可以使用这些电池组并将它们定制为特定的应用程序，然后以适合其第二次生命的方式重新配置它们. 除了重量和灵活性方面的优势外，wBMS 还允许采用不同的方式设计电池组。通过电池和电池模块级别的持续健康计算获取的数据可用于在电池组进入第二个生命阶段时更准确地确定电池组的剩余价值。它还允许您以模块化和可扩展的方式设计电池组，这样当您切换到第二次生命时，您可以使用这些电池组并将它们定制为特定的应用程序，然后以适合其第二次生命的方式重新配置它们. 除了重量和灵活性方面的优势外，wBMS 还允许采用不同的方式设计电池组。通过电池和电池模块级别的持续健康计算获取的数据可用于在电池组进入第二个生命阶段时更准确地确定电池组的剩余价值。除了重量和灵活性方面的优势外，wBMS 还允许采用不同的方式设计电池组。通过电池和电池模块级别的持续健康计算获取的数据可用于在电池组进入第二个生命阶段时更准确地确定电池组的剩余价值。除了重量和灵活性方面的优势外，wBMS 还允许采用不同的方式设计电池组。通过电池和电池模块级别的持续健康计算获取的数据可用于在电池组进入第二个生命阶段时更准确地确定电池组的剩余价值。

除了计算电荷的累积作为性能参数外，监控还保证了电池的长寿命，并避免了可能损坏电池和电动汽车本身的情况。BMS 管理整个锂电池阵列（单个电池或整个电池组），确定安全操作区域或电池组保证最佳技术和能源性能的安全区域。BMS 基本上是一个电子系统，用于完全控制车载高压管理和电荷平衡的所有诊断和安全功能。wBMS 在单个芯片上包含用于电源、电池管理、RF 通信和模块级安全功能的所有基本硬件和软件部件。

电动汽车正变得越来越流行，它们在质量、功能简单性以及最重要的能源效率方面具有环保特性。功能驱动由电动机提供，与内燃机相比，电动机的结构简单。在能源效率方面，内燃机汽车和电动汽车的比较具有象征意义：内燃机汽车的能源效率为 16%，而电动汽车的能源效率为 85%。与基于燃烧的推进相比，推进的电力特性有一个优势：能量再生。电力提供了很大的灵活性，包括使用各种形式的能量收集，帮助为电池充电，从而延长车辆本身的运行时间。

电动汽车的续航里程直接反映了其发动机和能源管理系统的效率。此外，必要的基础设施，例如现在达到数百千瓦功率的强大快速充电系统，也需要严格遵守预先设定的尺寸和效率限制。由于其特定的物理特性，碳化硅 (SiC) 代表了对这些新市场需求的有效响应。所有快速充电系统都需要建立具有紧凑高效设计的充电站，而当前的 SiC 功率模块允许创建具有所需功率密度和效率的系统。高硬度 SiC 衬底的更高击穿电压允许使用更薄的基础结构。这允许达到硅外延层厚度的十分之一。电池的趋势是增加其容量，而此功能与更短的充电时间相关。

一个非常有趣的领域涉及使用位于车库或公共停车场的充电站对电动汽车进行无线充电。充电点不一定要与车下的接收器精确对齐（就像智能手机一样）。从长远来看，我们将尝试开发一个允许在公共道路上集成长载重板的版本，以便即使在移动中也能装载 EV/HEV 车辆，但这将取决于在国家和地方行政层面遇到的困难数量。无线充电技术不仅必须纳入车辆本身，还必须纳入车辆充电的家庭和城市基础设施。基于磁共振技术的无线充电允许电动汽车，无论类型或大小，通过将柔性线圈放置在源垫上，使用混凝土和沥青等材料，自动安全地充电。在无线充电中，电源中使用的线圈是分开缠绕的。通过发射器模块中的线圈从精确定义的频率（105 kHz 到 205 kHz 之间）产生磁场。接收器中的线圈产生为设备电池充电的电压。

尽管它们比内燃机更安静，但假设电动机完全安静是错误的。噪音来自发动机的各个部件，例如逆变器和 DC/DC 转换器。尽管与传统电机相比，电动机所面临的挑战较小，但仍需要付出更多努力来制定机械和隔音策略。同时，对于电动汽车低速行驶时产生噪音的规定和策略，对于听不见其通过的行人来说是一种危险。当你第一次过马路时，你首先使用的是你的耳朵。随着所有车辆变得更安静，外部噪音的缺乏对行人构成危险。在典型的城市速度下，风噪声仍然很小，发动机噪声大部分被道路和轮胎噪声所掩盖。重量分布的变化、重型电池组和更轻的车辆结构的结合使得整体噪音难以减轻。

氢能汽车

新一代汽车的普遍目标是产生更少有害物质和更少噪音的汽车。全世界都在试验电动汽车（EV）。电动汽车属于电动出行领域，其缺点之一是充电时间长。这是一个可以用氢气解决的问题。氢电池利用航天器到达地球轨道所使用的相同能量。但是氢能汽车是如何工作的呢？有哪些优势和劣势？

氢能汽车将化学能转化为机械能。氢可以直接在内燃机中燃烧，在这种情况下，我们有一辆带有氢内燃机的车辆，称为 HICEV。或者它可以用来在燃料电池中与氧气发生反应，从而产生电力。这种类型的车辆被称为FCEV（燃料电池电动汽车），近年来，FCEV引起了许多制造商的关注。FCEV由电动机驱动，并有一个车载发电厂，可以生产和管理氢气。氢动力汽车对环境的影响很小，因为它们不会产生污染排放物（温室气体、细粉尘等），而只会产生水蒸气。氢是宇宙中最丰富的化学元素，但不是自然形式。为此原因，它不完全是可再生资源，必须使用不同的系统生产。整体环境影响取决于用于生产它的能源。使用可再生资源将减少到最低限度。

氢气可以通过两种不同的生产工艺和技术生产：重整和电解。第一个对环境的影响更大，因为它涉及原油的开采、运输和精炼。电解是通过电诱导的化学反应将 H 2 O 水分子分解成单独的氢和氧原子的过程。该生产过程不排放污染气体，但需要大量能源。电解过程由低压电流组成，该电流流过水以释放气态的氧气和氢气。

氢与电池驱动的汽车一起为未来的可持续交通做出了重要贡献。FCEV 汽车可能代表零排放技术，但我们仍然需要通过可再生解决方案来提高氢气产量。降低运输和配送的基础设施成本至关重要。充电基础设施也是如此。目标是减少对充电的环境影响。

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