电气化与自动化—汽车产业的两大驱动力（上）

几年来，“CASE”这四个字母代表着未来汽车的发展方向，它指的是“联网”、“自动驾驶、“共享”和“电动”。在这四个发展方向中，有两个似乎聚集了更多的研发(R&D)。
 
第一个问题与OEM的电气化有关。事实上，欧盟已经设定了二氧化碳减排目标:到2021年实现95克/公里，2025年81克/公里。有了这些目标，OEM除了选用电动汽车几乎没有其他选择。
 
第二个问题就是自动驾驶，以及整车厂如何整合越来越多的自动驾驶功能，以实现完全自动驾驶的长期目标。OEM厂商有望实现这一目标，因为它们将增加许多传感器，并提高处理传感器产生的所有数据所需的计算性能。
 
可持续发展政策推动电动车普及
 
据Yole development估计，电动汽车和混合动力汽车(EV/HEV)市场正在迅速增长，到2025年将达到3000万辆以上。毫无疑问，发展电气化是应对社会和环境挑战最有力的回应。
 
其中最重要的好处是减少乘用车的二氧化碳排放和减少人口稠密地区的空气污染。电气化也可能是务实的，因为政府制定了严格的二氧化碳减排目标，迫使汽车制造商大幅降低汽车的平均二氧化碳排放水平。汽车动力系统的电气化能够显著减少二氧化碳排放，因此成为汽车制造商战略的一个强制性部分。

20多年来，在少数几家电动汽车/混合动力汽车制造商的主导下，我们已经进入了由传统主流汽车制造商和新兴OEM厂商大规模部署电动汽车/混合动力汽车的阶段。
 
对于一个准入门槛历来很高的市场来讲，电气化正在为一大批新成立的企业提供机会，尽管其中许多企业不太可能被主流接受。世界各地的汽车制造商正在发布大量的电动汽车产品组合，让客户在不同的电动汽车类型和汽车设计中自由选择。电动汽车的续航里程在增加，定价变得更实惠，最重要的是，电动汽车充电基础设施正在广泛部署。所有这些因素都增加了客户的动机或减少了先前不愿购买电动汽车/混合动力汽车。
 
不同类型的电动汽车层出不穷
 
在不同类型的电动汽车中，我们区分了混合动力汽车(包括电动和内燃发动机)和纯电动汽车。零CO2排放的全电动汽车被认为是客车电气化的最终目标。
 
然而，由于技术、成本、原材料和制造方面的限制，内燃机汽车向全电动汽车的转变不可能一蹴而就。充电基础设施的缺乏也是一个关键障碍。
 
传统汽车OEM正逐步采用电动汽车，这可能会影响其ICE汽车的销售。它们必须承担现有的ice相关生产设施、员工、分销和销售网络的负担。而且需要开发新的知识产权、工程技术和制造电动汽车的能力，而这些能力往往与传统的内燃机制造隔绝开来。
 
整个汽车供应链需要重建，这需要一些时间。因此, 在向客户提供不同电气化水平的汽车时，存在一个过渡时期(图2)。与ICE汽车相比，混合动力汽车可以提供不同水平的二氧化碳减排，从轻度混合动力汽车(MHEV)的小比例到插电式混合动力汽车(PHEV)的约50%。

从混合动力汽车到全电动汽车的转变
 
在过去20年里，纯电动汽车/混合动力汽车主导着电动汽车汽车行业，这主要得益于1997年推出的丰田普锐斯(Prius)在商业上的成功推动。由于政府制定了强有力的二氧化碳减排目标，这势必推动锂离子电池的改进及其成本降低，汽车行业正在遵循“加速电气化趋势”——向更长的电动模式行驶里程过渡，如插电式混合动力汽车和纯电动汽车。
 
事实上，插电式混合动力汽车和全电动汽车显著减少了汽车制造商所要求的二氧化碳排放，以达到政府标准并避免重罚。

一些特殊因素也加速了汽车电气化的初始战略路径，包括激励机制和惩罚措施。
 
插电式混合动力车和纯电动车都是可充电车辆;它们可以从电网充电，最好使用如光电、风能和水力发电这种清洁能源产生的电力。插电式混合动力车的电动行驶里程约为50至80公里。因为插电式混合动力车可以在全电动模式下使用，它们也可以减少城市空气污染的排放，但由于全电动模式仅适用于短途城市通勤者，这种贡献是有限的。
 
为了实现更长的电动模式行驶里程，减少二氧化碳排放，改善电动汽车对环境的影响，需要在电池、电力电子设备和系统以及汽车设计方面进行创新。
 
电力电子技术的主要趋势包括在牵引逆变器、车载充电器和DC-DC转换器中采用SiC和GaN半导体技术，器件封装技术(银烧结模具连接、铜线键合、无焊丝连接、Si3N4 AMB(活性金属钎焊)陶瓷基板、高温环氧封装)，以及不同系统的机电一体化。
 
提高里程的主要目标是增加功率密度，同时减少体积和重量。其他的发展有助于提高整体可靠性和降低制造成本。虽然电气化的日益普及在一定程度上是由于消费者意识的提高，但一个重要的原因应该是汽车工业工程步伐的加快。
 
电气化和ADAS的传感器趋势
 
车辆上传感器的数量将会逐步增多。
 
在CASE下，传感器主要包括两条主线:电气化和ADAS功能，包括自动驾驶、V2X连接。传感器的增加是新电气/电子架构和ADAS系统发展的一部分。与排放控制一样，安全改进也受到政府监管的推动——例如新评估车计划(NCAP)和国家公路交通安全管理局(NHTSA)。
 
为了汽车的电气化，更多的电流传感器将被用于BMS上。传统的动力总成压力传感器——MAP、BAP、变速箱油、GPF等的压力——可能会因为电动汽车对ICE的依赖程度下降而受到影响，但这应该是一个长期发展的过程。目前，混合动力汽车及其混合动力系统的发展趋势为新型和传统传感器的集成提供了有利条件，这些传感器包括用于平视的光学传感器、用于车轮扭矩的磁传感器、用于里程测量和导航的惯性传感器、用于动力系统监控的压力传感器、用于电力系统的电流传感器等。
 
除了电气化，ADAS也是所有车型传感器密度的另一个驱动因素。为了给汽车更多的自主权，它应该发展自己的情境感知能力。为此，就需要合适的传感器，使其能够模拟人类感知环境的方式。
 
然而，消费汽车市场中用于ADAS的传感器套件与Waymo、Cruise等完全自主的移动即服务(MaaS)商业模式有很大的不同。后者采用高成本、高性能的工业级传感器和先进的处理平台，其成本和能耗远远超过消费汽车。对于ADAS来说，关键是以低成本提供非常好的性能。下面我们列出了一些最重要的ADAS传感器:
 
•图像传感器正在成为ADAS中最重要的传感器。这些摄像头是汽车的眼睛。汽车摄像机几乎无处不在地使用互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。对汽车摄像头的依附率越来越高，可以帮助实现各种功能。
 
•前瞻视角:从单摄像头到三台摄像头的扩展范围和ADAS范围的趋势仍在继续。
 
•环绕视角:后置摄像头只处理倒车和停车辅助问题，未来的趋势是提供更多的360°视角，以更好地感知环境(倒车、受限空间停车、转弯和其他机动)。
 
•客舱驾驶员监控:根据Euro NCAP 2025路线图，建议实施驾驶员监控，以减轻驾驶员因酒精、疲劳或其他危险造成的分心和损伤，同时也监控乘客并检测被遗忘的儿童或动物的存在，以避免中暑或类似事件。曾经，其他技术也在竞争舱内监控的主导地位，如热传感器、飞行时间(ToF)或雷达。
 
•超声波传感器主要用于障碍物或行人的近距离检测。它们的主要功能是停车辅助和避免碰撞。
 
•雷达仍然是测量相对距离和速度的最佳传感技术，主要受过去几年强制实施的自动紧急制动(AEB)的推动。它的角度分辨率得到的改进，各大厂商都在致力于3D雷达或4D成像雷达和单片微波集成电路(MMIC)解决方案。
 
•Lidar是最新进入汽车生态系统的传感器。它能在黑暗条件下工作，并能精确地监测周围环境，这使得它成为开发更高级感知能力的必要传感器。来自ADAS相机和激光雷达的数据的有效融合对于实现物体的深度探测以及近距离和远距离的物体探测都很重要。然而，与雷达和摄像头相比，对于Tier 1和OEM来说，Lidar仍然是一个非常复杂的传感器。为了更好地集成、数据处理或降低成本，OEM还需要做更多的工作。
 
•热成像传感器“看”远红外光谱(8 - 14µm)在光线暗的条件下更精通。黄昏对驾驶员来说是特别困难的，当直接暴露在阳光下、深阴影和低环境光时，ADAS相机有时会遇到困难。这些传感器的使用可以对CMOS传感器进行很好的补充，检测生物和其他发热物体发出的热量，提高汽车的安全功能。FLIR是最大的热成像相机制造商，它提倡将ADAS热成像作为冗余传感器。
 
•全球导航卫星系统(GNSS)接收器利用连接性，通过在数字地图上定位车辆来增强ADAS功能。这对于ADAS具有情境感知能力至关重要。然而，在某些情况下(城市峡谷、隧道、树下等)，GNSS信号可能会丢失。因此，它越来越多地与其他定位系统相结合。
 
•位于车轮上的里程表传感器记录距离最后已知位置的距离。
 
•惯性测量单元(IMU)检测惯性变化。
 
最后列出的两个传感器是短程备份，当GNSS不可用时，有助于估计车辆的位置，从而在任何时候都提高定位的准确性。
 
除了ADAS，汽车连通性和E/E架构也在发生变化。在连接性方面，法规正在推动大多数国家在2023年前实现基于5.9 GHz频段的基本V2I和V2V通信。5G连接正在为高级V2X提供动力。