眾所周知，汽車工業(yè)發(fā)展了上百年，之前都是內(nèi)燃機(jī)和變速箱技術(shù)主導(dǎo)，但是近幾年電控和電驅(qū)等電子設(shè)備越來越受到各廠商的關(guān)注。得益于微電子學(xué)的迅猛發(fā)展，大功率電子器件的不斷進(jìn)步，使得車載娛樂、照明和多傳感器的應(yīng)用顯著增加，并且產(chǎn)品的可靠性大幅提升。據(jù)行業(yè)相關(guān)分析師估計(jì)，在未來幾年整個汽車行業(yè)的應(yīng)收將超過800億美元。與此同時，自動駕駛技術(shù)也正在努力開發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，通過駕駛穩(wěn)定控制和駕駛員疲勞監(jiān)控等多種手段來確保駕乘人員的生命安全。
隨著人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，人們對使用了GPS和高速信號的車載物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生了濃厚興趣。目前有三大需求：自動駕駛、新能源和車載娛樂系統(tǒng)。而無人駕駛又是迄今為止人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一，利用預(yù)先設(shè)定好的程序和道路信息來操控車輛在道路的狀態(tài)，不僅減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)，更能減少交通事故的發(fā)生，挽救更多人的生命。
MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)
對于MEMS最典型的應(yīng)用是基于MEMS的陀螺儀和加速度計(jì)等傳感器構(gòu)成的安全氣囊和駕駛員輔助系統(tǒng)。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)采用超微縮制造技術(shù)將微電子學(xué)技術(shù)和微傳感器的機(jī)械特性相結(jié)合，制造出高效率、體積小和低成本的高集成芯片。其滿足性能達(dá)標(biāo)的同時還擁有很高的可靠性，能夠快速有效的被設(shè)計(jì)人員所采用，因此MEMS技術(shù)在汽車駕駛和車身安全等模塊應(yīng)用廣泛。現(xiàn)在，MEMS的加速度計(jì)在三軸方向上測量加速度，可以識別重力、振動和沖擊力等多種方向的力;而且MEMS測量的信息還可以是熱和電容，并且有關(guān)于測量電容的方式更適合車輛碰撞檢測和安全氣囊激活等方面。
另一方面，MEMS陀螺儀也可以測量角速度(旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速)，現(xiàn)在很多的民用消費(fèi)，例如智能手機(jī)都用了陀螺儀。目前流行的4軸傳感器和陀螺儀的方案同樣也被汽車電子所采用，用來確保車身穩(wěn)定和動態(tài)平衡。MEMS陀螺儀原理是基于一種特殊加工制出的音叉結(jié)構(gòu)，在一定方向上不停震蕩，當(dāng)對傳感器施加力時，其作用在音叉上的力產(chǎn)生的科里奧利力是的其微單元結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生一個與角速度呈正比的變化，這個變化又能夠被轉(zhuǎn)化為電信號，再傳輸?shù)街苿酉到y(tǒng)剎車或者激活安全氣囊。
因此，MEMS加速度計(jì)被廣泛用于汽車的安全氣囊和車身懸掛;而MEMS的陀螺儀則用于車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航裝置。由于其高靈敏度和體積小巧目前已經(jīng)在汽車中廣泛應(yīng)用，隨著納米MEMS的出現(xiàn)，更高靈敏度的傳感器還在不斷的研發(fā)之中。
EMC(電磁兼容)
汽車工業(yè)的快速發(fā)展和自動駕駛\ADAS(高級輔助駕駛)的趨勢繼續(xù)推動著汽車電子的發(fā)展，值得關(guān)注的是面對日益復(fù)雜的工作環(huán)境新的電磁兼容需求越來越被大家所重視。汽車電子系統(tǒng)越來越復(fù)雜的同時，系統(tǒng)對于關(guān)鍵零部件的可靠性和抗電磁干擾性能的要求也越來越高。
目前汽車無線通信系統(tǒng)頻率越來越高，對于各個子系統(tǒng)模塊來說，其抗干擾能力要更強(qiáng)才行。在電子元器件制造尺寸更加微縮的同時，其制造公差也不能忽視，因?yàn)楣顑?nèi)的波動很可能會導(dǎo)致器件的不穩(wěn)定，此時再加上EMC的干擾，在某種情況下很可能會發(fā)生問題，所以IEC(國際電工協(xié)會)協(xié)會制定了嚴(yán)苛的國際標(biāo)準(zhǔn)來卡控它們，目前國際通用的標(biāo)準(zhǔn)為CISPR 25。該標(biāo)準(zhǔn)要求測試區(qū)域內(nèi)的電磁噪聲水平要比最低水平低約6分貝。另一個測試標(biāo)準(zhǔn)是ISO 11452-4(BCI)，可以用來檢測窄帶電磁場對于元件的干擾，這些標(biāo)準(zhǔn)都適用于車身內(nèi)部的電子元件系統(tǒng)。
車輛噪音
對于燃油車來說，低頻噪音的來源幾乎都是來自于內(nèi)燃機(jī)氣缸的爆燃，工程師們也一直致力于發(fā)展減小這種低頻噪音的技術(shù)。目前基本上都是采用更加高效、更多氣缸數(shù)的發(fā)動機(jī)來降低其產(chǎn)生的低頻噪音，與此同時工程師們還會使用主動噪音控制系統(tǒng)(ANC)或者有源噪聲控制(ANR)來抵消噪音(ANC主動噪聲控制技術(shù)是一種信號處理技術(shù)，通過降低噪聲信號的有效振幅來提高車內(nèi)環(huán)境的信噪比，從而減少噪聲;ANR有源噪聲控制技術(shù)基于相干聲學(xué)原理，利用車內(nèi)放大器和麥克風(fēng)以及數(shù)字信號處理DSP來消除噪聲)。
這些噪聲消除系統(tǒng)都是由一套音頻設(shè)備構(gòu)成，發(fā)射一個振幅相同但是相位相差180°的波(反相位)，又因?yàn)椴ㄔ趶?fù)合過程有相消干涉的物理特性，所以有源噪聲控制系統(tǒng)通過混合信號輸入噪聲，經(jīng)過控制算法來分析聲波波形并產(chǎn)生一組反相的波到換能器中，然后在對車內(nèi)噪聲進(jìn)行相消干涉。當(dāng)然這些系統(tǒng)都嚴(yán)重依賴于系統(tǒng)SoC(集成了CPU、內(nèi)存和相關(guān)軟件部分)，并且需要實(shí)時處理來達(dá)到快速響應(yīng)和完成反饋控制電路。通常典型的3到6個車廂麥克風(fēng)的音頻系統(tǒng)，可以涵蓋30-250Hz范圍內(nèi)的噪音。
LED照明
在汽車工業(yè)中，LED發(fā)光二極管被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)光燈、制動指示燈和轉(zhuǎn)向燈中，各種亮度和發(fā)光功率都有著不小的差異，主要是取決于車燈的用途，因此車輛就需要設(shè)計(jì)不同的調(diào)光控制電路。目前該控制電路主要是利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)來調(diào)節(jié)LED電流脈沖寬度，從而調(diào)節(jié)發(fā)光亮度。通常調(diào)光系統(tǒng)還要注意的是在需要不同亮度時集成電路IC需要輸出不同的電壓，這部分控制電路一般分為降壓和降壓升壓電路，從而讓LED照明系統(tǒng)更加簡潔和智能。
主流的LED照明解決方案需要一個恒定的電流來產(chǎn)生持續(xù)的發(fā)光，因此輸出電壓的波動和公差是對于控制系統(tǒng)來說最關(guān)鍵的參數(shù)，所以電源紋波是這個領(lǐng)域的難點(diǎn)。此外在設(shè)計(jì)階段還需要考量眾多的其他因素例如溫度、濕度、供電電壓范圍和電磁兼容性(EMC)等因素。這些因素都關(guān)乎到汽車電子中最重要的要求就是可靠性，汽車電子元器件必須要滿足在過壓、欠壓、過流、反極性短接、短路大電流和極端溫度條件下的高可靠性，往往需要增加很多必要的保護(hù)電路，以防止更大的問題。所以一個較為簡單的LED控制電路還需要在溫度、濕度和連續(xù)振動等不同條件下嚴(yán)苛測試。
手勢識別
手勢控制是一種較為新興的控制方法，通過車內(nèi)電子攝像機(jī)的幫助在2D或者3D空間中利用ToF(飛行時間)技術(shù)來識別控制指令從而控制某些應(yīng)用。而ToF技術(shù)是對識別目標(biāo)發(fā)射紅外線，然后接收反射信號，通過計(jì)算信號飛行時間來構(gòu)建運(yùn)動物體的動作。當(dāng)然市面上還有基于機(jī)器視覺的方案：通過識別一個場景內(nèi)的圖像，測量每個像素的位置，通過邊緣檢測捕捉手勢動作。
利用視覺圖像識別也很容易受到光源的影響，不同的光子在攝像頭捕捉時會有一些泊松分布的過程，在某些情況下，光子轉(zhuǎn)化到電子也是有一個隨機(jī)過程。同時手勢識別技術(shù)也涉及到乘客的眼睛動作，設(shè)想一下如果我們想打開后雨刷或者開啟車載收音機(jī)只需要將目光注視到對應(yīng)按鈕就可以實(shí)現(xiàn)想要的功能，而這些控制算法都是實(shí)時解碼所帶來的功能;不僅如此，眼神控制更能檢測司機(jī)是否疲勞駕駛，現(xiàn)代眼球追蹤系統(tǒng)能快速提醒司機(jī)注意休息，避免車禍的發(fā)生。
激光雷達(dá)
激光雷達(dá)是一個老生常談的問題，其原理十分簡單，但是構(gòu)建一套功能完備的系統(tǒng)還是有些難度的。雷達(dá)都是采用發(fā)射-接收的原理：
與物體的距離=(光速x飛行時間)/2
通過測量信號飛行的時間來計(jì)算出信號飛行的距離，目前雷達(dá)基本上發(fā)射的波長都在830nm到940nm之間，并用一個鏡片來掃描反射的激光。這種方式會帶來一種十分復(fù)雜的情況：發(fā)射的激光可以被反射到不同的方向，例如，我們用激光來觀察一顆樹木，一些光會從樹葉上反射回來，還有一些會穿透到達(dá)后面的平面再反射回來，這個會造成不小的困擾。
在技術(shù)上激光雷達(dá)和普通雷達(dá)非常相似，當(dāng)然雷達(dá)識別的是無線電波而不是激光，激光雷達(dá)對于周圍環(huán)境的掃描可以識別出大量的3D數(shù)據(jù)，通過適當(dāng)?shù)能浖D(zhuǎn)換就能創(chuàng)建3D圖像。
電動汽車
全球在構(gòu)建可持續(xù)性未來時，至關(guān)重要的一環(huán)便是電動汽車。
電動汽車是利用電能來驅(qū)動發(fā)動機(jī)組從而產(chǎn)生帶動輪胎轉(zhuǎn)動來使車輛前進(jìn)，它們需要DC/DC轉(zhuǎn)換器，通常是12V轉(zhuǎn)36V供控制電路供電;還有DC/AC變換器用于驅(qū)動電動機(jī);還要AC/DC系統(tǒng)用來充電，當(dāng)然該系統(tǒng)還能在車輛制動時回收電能，這就是市面上所說的“再生制動”功能，將動能轉(zhuǎn)化成電能。
目前市面上的電動車主要分為三種類型：純電汽車、插電式混動汽車和混合動力汽車。純電汽車只有電池組作為能源，不帶有汽油發(fā)動機(jī)等系統(tǒng)，在大容量電池中存儲電力，因此汽車的一切能量來源都源自于電池組，并且在行駛過程中不排放任何有害氣體。插電式混合動力汽車內(nèi)部擁有兩套系統(tǒng)，基本上可以在不用汽油發(fā)動機(jī)的情況下行駛10-70km。
目前所有的新能源汽車的設(shè)計(jì)廠商們都在努力改進(jìn)其能源轉(zhuǎn)換效率，熱量管理和能源損耗方面的高可靠性也是一大挑戰(zhàn)，其傳動系統(tǒng)功率、轉(zhuǎn)換效率、工作溫度和散熱等一系列問題都是新開發(fā)時必須考慮的環(huán)節(jié)。在電動汽車眾多零部件中其核心是電池和電機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在各家大廠都在討論電車的續(xù)航，即充滿電的行駛里程。目前新的無線電池管理系統(tǒng)(WBM)正在開發(fā)當(dāng)中，進(jìn)一步提升電池的安全和可靠性。
在電動車電池中鋰離子電池的最受矚目的一種，但是也需要在使用時特別注意，電池在過放時極度危險(主要是對于電池的損傷很大)，所以在制造過程中要盡力避免斷電。同時必須要對于多個電池組都要實(shí)時監(jiān)控，所以電池管理系統(tǒng)的覆蓋范圍、持續(xù)時間和可靠性都是一大考驗(yàn)。
幾乎市面上所有的電動汽車都會在減速時利用再生制動給電池充電，并且還有些廠商會配備一定數(shù)量的太陽能電池板，通過太陽能、熱能和其他壓電機(jī)械能等能量來源也能當(dāng)做電能來源之一。與此同時，還有一種方式是通過收集車輛內(nèi)部的振動能來轉(zhuǎn)化成電能，目前業(yè)界都在開發(fā)超低功耗的微控制器，就是為了降低系統(tǒng)的整體功耗水平，使得通過各種能量轉(zhuǎn)化成的電能發(fā)揮更大的作用，這種被動式的能量收集系統(tǒng)能給汽車?yán)m(xù)航和成本帶來不小的影響。
我們已經(jīng)看到電池應(yīng)該是未來電動汽車的核心，電池的設(shè)計(jì)和前進(jìn)方向幾句決定著電動汽車的發(fā)展。目前鋰離子電池面對的兩個重要問題：一是材料本身的化學(xué)性質(zhì)，另一個是其電性能。因此在電池整個生命周期內(nèi)，良好的電池管理和監(jiān)控系統(tǒng)對于電池是至關(guān)重要的，而現(xiàn)在無線電池管理系統(tǒng)的出現(xiàn)，又讓整個系統(tǒng)上升了一個臺階，因?yàn)椴粌H消除了繁雜的布線，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，還引入了一種模塊化的方式來設(shè)計(jì)電池組。當(dāng)一個電池組整體出現(xiàn)問題時，可以檢查到哪部分電池模塊出現(xiàn)問題，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q又能重新使用。
電池管理單元(BMS)除了計(jì)算電池的性能和壽命，還可以規(guī)定電池組的最佳使用電量范圍，在性能、安全和壽命等方面進(jìn)行管理，該系統(tǒng)擁有所有的控制和診斷功能，不僅控制車輛各個模塊的功耗情況，甚至還可以管理電費(fèi)。所以一個完備的電池管理系統(tǒng)可以概括為：保護(hù)電池安全可靠工作，用于管理和監(jiān)測車輛各部分的耗電情況，通過平衡車輛耗電和剩余電量，來優(yōu)化最終行駛里程。
所以，電動車越來越受到人們的喜愛，不僅僅是其結(jié)構(gòu)簡單，能源效率超高(燃燒汽車的能源效率為16% ，而電動汽車的能源效率為85%)還因?yàn)槠淠茉丛偕某哽`活性獲得的更長的續(xù)航�？梢哉f在可見的未來，電動車被動能量收集技術(shù)將是各家研究的前沿領(lǐng)域。
有關(guān)于電動汽車的發(fā)展另一個領(lǐng)域是無線充電，設(shè)想是放在車庫和公共停車場上，而從更加長遠(yuǎn)的角度來看，在公共停車場上建設(shè)大量的充電板，當(dāng)電動車在道路上行駛時，可以無線充電。但是這個難度極大，政府建設(shè)此類公共設(shè)施困難重重。無線充電技術(shù)不管負(fù)載的類型和容量大小，通過發(fā)射器和線圈將電能傳輸?shù)截?fù)載接收端上，一般工作頻率在105kHz-205kHz之間。
氫動力汽車
新一代新能源汽車的目標(biāo)是為了環(huán)保，電池電動汽車兼顧所有類型的優(yōu)點(diǎn)，但是其充電時間過長，幾乎不用來做長途旅行，于是乎人們又開發(fā)了氫能源來解決這個問題。氫燃料汽車是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為汽車的機(jī)械能，氫氣可以直接在內(nèi)燃機(jī)中燃燒，這種叫做氫氣內(nèi)燃機(jī);或者可以和氧氣發(fā)生反應(yīng)提供能量，這種叫做燃料電池汽車。近年來，燃料電池汽車已經(jīng)引起了眾多制造商的關(guān)注，整車由電動馬達(dá)驅(qū)動，內(nèi)部就有一個發(fā)電裝置(通過氫氣化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。氫動力汽車對于環(huán)境的影響微乎其微，因?yàn)椴划a(chǎn)生任何污染物，只會產(chǎn)生水蒸氣，所以十分環(huán)保。并且氫是地球上最豐富的化學(xué)元素，但不是以單質(zhì)形態(tài)存在自然界中，必須要用不同的方法來生產(chǎn)出，所以在制造氫能的過程中也存在著一定的污染。
目前獲取氫能的方式主要有兩種：提取和電解，前者對于環(huán)境的影響巨大，因?yàn)橐婕暗皆偷拈_采、運(yùn)輸和提煉;而后者電解是通過電解水引起的化學(xué)反應(yīng)將水分解成氫原子和氧原子的過程。雖然電解水不存在其他污染物，但卻需要大量的能源，而能源獲取的過程又或多或少的帶來污染。
總之與電動車一樣，氫能對于未來可持續(xù)綠色發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。目前還需要解決這二者(氫能和電能)獲取、運(yùn)輸和分配的基礎(chǔ)設(shè)施成本。無論是電能還是氫能在整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的任何一環(huán)都需要共同進(jìn)步，因?yàn)槿魏我粋�細(xì)小的領(lǐng)域都關(guān)乎著整個汽車行業(yè)的明天。
