自动驾驶=1904年的自动马车+最新的芯片应用

“连接、自主、电动“。它越来越成为汽车行业采用的座右铭,因为它越来越难以应对电动汽车/混合动力汽车和自动驾驶汽车。 因此,知识比以往任何时候都更加强大。

尽管公众很少忽视它,但2017年标志着也许是日常交通中最大的转变的开始,因为大型汽车制造始于1901年。那时奥迪推出了自称是A8的A8第一辆能够进行SAE 3级自主操作的车辆。为什么这是重要的?在3级操作过程中,驾驶员可以将他们的视线从道路上移开并让车辆自行驾驶。

A8只能在严格限制驾驶条件下进入3级操作,并且由内燃机驱动。尽管如此,这代表着完全自动化的全电动汽车的路线图迈出的一大步,该汽车在没有人力帮助的情况下运行,并且每个机械和液压功能已经被其电气等价物取代。

1.不要吓跑马。 第一辆无马车是马力运输的开端。 试图顺利过渡包括1904年将假马连接到前轮的专利。

朝向车辆电气化的运动始于无马车的早期(图1)。 最早的车辆使用煤油灯进行照明,并使用明火点燃燃料混合物,但这并没有持续太久。 亮点之一:

机电分配器和真空提前到电子点火正时timing

化油器用于电子燃油喷射器和闭环发动机控制

油灯到白炽灯和后来的LED灯

液压控制传动到电子传动

消费者需求继续增加,以便于电动座椅,后视镜,巡航控制,LED照明,防抱死制动(ABS)和电子稳定控制(ESC)等便利和安全功能。但汽车电子内容的下一阶段预计将围绕三个词汇来展开:连接,自主和电动。

互联汽车:把世界带入汽车

通用汽车的OnStar于1996年推出,是首次在车辆与外部世界之间提供数据和语音连接的服务之一。最近,宽带无线技术使车辆与广泛的外部服务保持联系:GPS,流式音频和视频,天气,交通信息等。这些与传统无线电在信息娱乐标题下分组,其中还包括视听先进的驾驶辅助系统(ADAS)的组件,在下面更详细地讨论。

在“数字驾驶舱”中,随着应用处理器提供模拟仪器的图形表示,离散量规消失。其他功能还包括用于导航的活动地图和平视显示器(HUD),以在视线显示重要信息,以便驾驶员可以专注于前方道路。

各种电子技术聚集在一起,以帮助车辆添加信息娱乐功能。图2中的参考设计包含多个TI部件:DRA718“Jacinto”应用处理器;高清触摸屏;高速有线和无线通信;以及诸如Wi-Fi,数字音频广播(DAB)接口和D类音频放大器等熟悉的模块。

2. DR71x信息娱乐应用处理器构成了可支持多种视频和图形格式的低成本参考设计的基础。

在不久的将来,我们希望通过车辆到车辆(V2V)和车辆到基础设施(V2I)模块实时进行车辆间的实时通信和环境通信。 V2V功能可以减少事故,例如通过交换速度信息和制动状态,或警告主要道路上的车辆即将从旁路进入其他车辆。 V2V还将允许车辆排队,其中多个紧密间隔的车辆以高速车队一起行进,这是一种节省大量燃料的技术。 V2I将启用诸如事故或交通拥堵警报等功能,其中包括信号同步以加速交通流量。

混合动力汽车和电动汽车鞭策高压电力电子开发

越来越严格的排放和燃油经济性法规继续在全球范围内实施,推动了混合动力和全电动汽车的采用。对全球预警的关注刺激了减少或消除内燃机(ICE)的努力。事实上,中国,美国,和一些欧洲国家正在努力在未来几十年内禁止这种车辆。

3.混合动力电动汽车取代越来越多的机械和液压功能及其电气等同物,最终成为全电动汽车。

自1997年第一辆丰田普锐斯下线以来,混合动力汽车和电动汽车获得了巨大的宣传(和市场份额)。混合动力汽车和特别是电动汽车取代了许多带有电子部件的机械部件,并构成了新电子内容的主要增长市场。我们可以将HEV / EV技术分为六个阶段(图3)。

对于电子组件,混合动力汽车和电动汽车主要侧重于交流和直流电之间的节能能量转换(图4)。所有类型的拓扑都包含在内:

DC-DC转换器为低电压电子设备供电。

DC-AC转换器驱动电动机,包括动力传动系统。

AC-DC转换器为标准住宅网点和大功率充电站的车辆充电。

4. HEV / EV需要多种类型的高压转换器,包括单向和双向DC-DC拓扑。

尽管HEV / EV具有为许多系统提供48 V和12 V电压的中间直流总线,但基本系统电压来自锂离子(Li-ion)电池组,该电池组可堆叠多个锂离子电池以产生400多个V,所以HEV / EV需要使用专门的高压组件和技术。

安全是高压设计中的重中之重。当然,防止人体暴露于危险的电压和电流是非常重要的,但其他电路必须受到保护,以防止与HV相关的危害,如过电压,过电流,电源尖峰或电磁噪声。

确保系统安全涉及设计过程的每个方面:材料选择,工艺开发,电路设计,封装和认证。专用设备,如TMS570 Hercules系列微控制器(MCU)专为电气系统的安全控制而设计:它们包括双锁步CPU,自检和错误纠正等功能。另一款MCU系列C2000针对高速实时电机控制进行了优化。

设计用于主牵引电机的DC-AC逆变器在特斯拉S型等高性能电动汽车中尤其具有挑战性,因为它必须切换大于300 kW的功率水平。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和硅MOSFET已用于功率开关,但氮化镓(GaN)晶体管理论上能够在兆赫兹频率下开关1 kV或更高,所以它们正在成为首选解决方案。

电池组本身是什么?虽然锂离子电池是混合动力汽车和电动汽车电池的首选化学品,但锂离子电池具有相对较小的安全操作区域(SOA)。过度充电和其他条件可能会导致不良后果,从电池寿命缩短到灾难性火灾,因此电动车电池组需要精确的电池管理系统(BMS)。典型的BMS测量电池电压,电池电流和温度,以平衡电池之间的电荷分布并确保电池寿命长。

一旦电池大小已经确定,电动汽车的最大范围取决于其功耗。油门上的轻脚有助于帮助,但电气部件的设计必须能够实现从电机到数字时钟的最高能效。此要求可能会影响组件设计的各个方面。

操作时组件必须消耗最小功率,并在不需要时转换到低功耗“睡眠”模式。更复杂的部件,如ASIC和微控制器,如果它们不用于特定的操作,也可以关闭耗电的功能块。

顺便提一句,电动汽车不仅在州际公路上,它们也在轨道上。 Formula-E赛车系列现在已经进入第四个赛季,参加了12场比赛,其目的是双重目的:提高电动汽车的知名度,并在广泛的前沿改进技术,遵循着名的格言“赛车改进品种”。“该系列正在追求多年的发展计划。在第一季中,所有车队都使用相同的车辆,但接下来的赛季逐渐开放了更多比赛区域。从第二季开始,车队可以改变他们的电动机,变速箱和变频器,并且新的底盘将在下个赛季推出。

自动驾驶汽车:人类驾驶之路的终结?

从长远来看,自动驾驶汽车的兴起是另一个趋势,对电子元件供应商来说是一件好事,但它可能预示着传统汽车行业的巨变。

随着自动驾驶汽车的广泛普及,消费者将其视为智能手机应召服务,有人甚至预测20年后人类驾驶汽车可能会立法失效,并被放逐到少数私人拥有的道路上,赛道。

令人担忧的是,人类太讽刺地带给我们完整的圈子。在19世纪90年代,人们也担心车轮背后的人类。但那时候,那是因为没有一支拥有天生智慧的马匹来弥补人类的错误!

5. SAE J3016定义了六级自动驾驶,从0级(No Automation)到5级(全自动)

汽车工程师协会(SAE)将SAE J3016标准中的自动驾驶分为五个等级(图5)。

每个后续级别添加功能。等级0,1和2要求驾驶员监控驾驶状况并在必要时接管,而较高等级则逐渐降低人员参与程度:

等级0(不自动)

等级1(驾驶员辅助):添加巡航控制等简单功能。

2级(部分自动化):包括一些高级功能,如车道保持辅助,加速和合并以及避免碰撞。多辆生产车辆符合二级标准。

等级3(条件自动化):车辆可以承担各方面的驾驶控制,但人类必须在系统提示时进行控制。奥迪A8声称拥有3级的能力。

4级(高度自动化):车辆可能会要求驾驶员接管,但不要求人员做出响应。如果驾驶员忽略该要求,则4级车必须仍然安全响应。

等级5(全自动):自主车辆始终能够全面控制。

由于高速汽车网络的大规模增加,自主运营所需的许多构建模块开始出现在ADAS的范畴之内。ADAS技术包括自适应巡航控制,避免碰撞和停车辅助技术等等。到2025年,ADAS市场预计将超过670亿美元,复合年增长率(CAGR)为19.0%。

ADAS需要许多功能模块,包括捕捉周围环境信息的传感器。许多ADAS模块已经安装在有人驾驶的车辆上。例如,视觉传感器可以取代传统的后视镜和侧视镜,并为驾驶员提供360度的视角。通过驾驶舱显示屏查看。自主车辆中的视觉系统还必须检测障碍物,解释道路标志,并与可见光范围外的传感器紧密合作。超声波,雷达和LiDAR传感器在某些条件下各有优缺点。

ADAS需要将多个高清图像紧密集成到一个360°的摄像机中。视图。对于实时响应,系统必须针对最大吞吐量进行优化。

图6显示了具有四个摄像头的ADAS视觉系统的框图。该设计包含以下功能块:串行器,解串器集线器,图像信号处理器(ISP)和应用处理器。它使用TI的高速FPD-Link III,允许通过单根同轴电缆发送高速视频,电源和双向控制信号。与绝大多数汽车电子系统一样,该设计需要结合许多功能:高清图像捕捉,高速数据通信,同轴电缆(PoC)和视觉处理。

6. ADAS视觉系统必须从多个远程摄像机捕获同步图像,并将其传输到中央视觉处理器以进行聚合和驾驶舱显示。

TI为ADAS视觉系统提供了一套完整的解决方案,包括TDAx系统级芯片(SoC)系列。这是一个可满足ADAS和其他视觉系统要求的可扩展设备系列。

许多ADAS功能已经在高端车辆上。例如,2018年的梅赛德斯S级车以二级自动驾驶为特色,并包括盲点辅助的ADAS功能;防碰撞辅助,包括前方碰撞;主动式车道辅助;和车道偏离警告。

永恒的安全系数

我们在电动汽车方面提到了安全性,但汽车市场对安全,质量和可靠性要求提出了严格要求,特别是对于安全至关重要的功能。为以前的机械功能(例如,用电动机和控制器更换转向柱)带来电气化,使评估安全性和潜在故障带来的风险变得更加困难。

ISO26262规范为汽车电子系统的功能安全设定了标准。该规范涵盖了整个生命周期,从需求规格到生命周期结束,并根据汽车安全完整性等级(ASIL)定义可接受的风险等级。

功能的ASIL级别基于三个因素的评估,因为它们与潜在故障有关:严重性,发生的可能性(暴露)和可控性。最高等级ASIL D适用于可能导致生命危险或致命伤害的故障,并且在大多数正常操作中可能发生,以及可能难以或不可能控制的事实。

正如你可以想象的那样,自动驾驶车辆中几乎没有发生任何事情,不会影响乘客,其他车辆和路人的安全,所以ISO26262在自动驾驶车辆中的精确应用仍在讨论中。

结论

几乎从成立以来,汽车一直在用机械部件取代电动部件。最近,它也开始添加网络通信,互联网功能和驾驶员辅助。现在完全自动化的全电动车正在进入视野。

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