2019年03月19日 | 从汽车减重说起，电子元器件助力汽车产业革命

本文编译自semiengineering，作者SUSAN RAMBO/Ed Sperling

重量正在成为汽车制造商关注的一个主要问题，因为更多的电子电路被添加到完全或部分由电池供电的车辆中，如何减轻重量从而减少能耗提高行驶里程是大家最为关心的。汽车全产业链都在探索替代基板材料、不同类型的传感器融合以及减少线束总量等新方法。

汽车行业除了要重视节能减排之外，还需要重视功能安全性，可靠性和长寿命等特点。

“每一克重量都很重要，”福特汽车公司位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的研究与创新中心执行董事Dragos Maciuca在最近由MEMS与传感器工业集团（MSIG）和FlexTech及Semi组织的MSTC FLEX 2019发表讲话时表示：“我们希望能从业界获得5美元的激光雷达和50％的重量减轻。”

简而言之，目标是减轻重量和360°感知

“由于汽车的电子系统内容几乎呈指数增长，这些传统系统组件的重量和空间要求将不再可控，”Brewer Science公司PCB、集成和运营总监William Stone说：“最容易的是在布线和电路板方面进行创新，以减轻重量。由于铜芯和绝缘材质，传统的线束非常重且体积大。同样，印刷电路板体积也非常庞大，需要刚性支架才能安装和稳定。“

但迫在眉睫的是，汽车中的传感器数量越来越多。 Maciuca说，汽车中已经有100多个传感器。对于电动汽车，这个数字预计会增加到600左右，而对于完全自动驾驶汽车，它将再次增加。

为什么要减重？需要花费多少钱？

福特将汽车技术分为四个部分 - 自动，连接，电气化和共享 - 每个部分都会影响重量和成本。汽车越自主，汽车上的传感器也就越多。

TDK-InvenSense的MEMS传感器业务部门的生态系统高级主管Nicolas Sauvage表示，对于汽车本身的监控同样非常重要。“我相信你会开始看到更多的传感器来监控汽车本身的健康状况。”

他举例道舱内气体传感器可以检测驾驶舱内的空气问题。这可能包括火警，某人吸烟或二氧化碳浓度过高的警报，此外还可监控车内的驾驶员信息和众多功能。如果您不能相信人工检查的话，那么添加更多传感器是最容易实现的。

不过，雷达，激光雷达和相机需要时不时地进行物理清扫。“我们有几辆无人驾驶测试车辆，”德克萨斯A＆M大学无人系统实验室副教授Srikanth Saripalli说。 “他们以前都工作正常，有一天我们开出一辆进行测试，但是却发生了故障，我们不确定发生了什么，便花了几天时间进行检查。我们测试了一切，但仍然不明白发生了什么。然后我们突然看到了车顶上的激光雷达附着着很多飞虫。”

如果自动驾驶汽车上路的话，将会减轻一些重量和成本，比如方向盘或其他机械部件。“你可能不再需要它了，”InvenSense的Sauvage说道：“你可能真的开始让这些汽车的成本降低很多，甚至到了无人驾驶阶段就不需要保险杠了，因为这些汽车不会再碰到彼此了。”

Sauvage说了另外一个例子：“一旦你开始让所有无人驾驶汽车相互了解，也许你需要为他们建造基础设施，在某些时候你就不可能有意外了。如果不再发生事故，这辆车的成本可以进一步降低。”

虽然整体重量将继续下降，但并非一切都更轻。“如果我们转向电动动力系统，也许传统的传感器类型就会减少。但我们实际上会有更多的电池，因为现在每个电池需要单独监控，我们需要温度，电压等传感器监控。”Maciuca说。

“我们知道的一件确定的事情是：汽车总重增加的速度正在加快。”Mentor，A Siemens Company汽车市场开发总监Doug Burcicki表示，“宝马5系列车辆在大约40年内的总重量增加了50％。在另一种情况下，在高尔夫（Golf SE >> e-Golf）的演变过程中，电子系统的成本增加了70％，重量也增加了32％。”

其他重量因素

车辆电气化也会产生动力挑战，这直接影响重量。安森美半导体汽车战略副总裁Lance Williams说：“当我们转向汽车电气化时，意味着整体需要更高的功率系统。”

功率越高，所需的电池越多，这也是FPGA在汽车领域如此受欢迎的原因之一，由于高集成度，它们比分立组件的功耗更小。

Achronix战略规划高级主管Mike Fitton说：“如果你将更多功能集成到一个模块中，那么电路板可以更简单，电路板上的层数较少，也可以使用较小的散热片。FPGA是一种降低尺寸和重量的昂贵方法，而最好的方法是使用嵌入式FPGA的ASIC。这样既可以降低功耗，还可以保持足够的灵活性。“

如果EV的重量更大，则需要更多动力来运行EV。“电动汽车受到重量的严重影响，这一点变得越来越重要，成为对车辆工程师越来越重要的关键指标。”Burcicki说道。“重量在EV时代具有新意义。”

传感器也是重要因素

较少的传感器和电线可以减轻重量，但通过更多精度较低的传感器也可以提供更快的结果，两种设计方法都有其权衡。

“这取决于最终目标是什么，以及你想从传感器中得到什么，”意法半导体公司副总裁兼MEMS传感器事业部总经理Andrea Onetti说。 “这完全是关于能源和热能的考核，传感器的作用是为您提供信息，这些信息的质量可能会有所不同，但最终输入的高质量数据可以减少您之后处理的计算能力。“

数据对安全性的重要程度不言而喻，例如在中国，政府正在推动集中所有数据，因此处理将在云端或某些中间点而不是在汽车中完成。

Onetti说到：“芯片工作产生的热量需要散掉，散热可能需要空间或其他东西。如果我们从非常高的层面看待这一点，理想情况下您想要的是绝对精确的传感器以提供理想的数据，从而减少对计算的需求。还要考虑如果数据质量不好，则需要进行不同的数据处理。最终都将产生热量，而你要重新设计整体散热性问题。”

Onetti认为传感器市场开始受益于更精确的传感器，这对汽车有益。“传感器正在成为关键，不仅因为它的功能，还因为它带来的内在精确性。您手机中的加速计，因为您想拥有纵向或横向位置。你需要精准度吗？不需要。如果你现在考虑在手机里面的惯性传感器来帮助你在航位推算中行走，即使是相同的组件，准确度也要比汽车级低得多。尽管传感器的名称是相同的，但汽车级意味着更好的传感器。”

但更精确的传感器也增加了这些设备的成本，汽车行业长期以来一直在寻求多组件供应商，以挤出供应链中的每一分钱。

还有几英里的线束

即使在紧凑型汽车中，传统的线束也占用了大量的空间和重量。 “线束是许多车辆中三个最重的子系统之一，在豪华车辆中高达150磅，而普通车辆也具有100-120磅的线束，汽车平均重约为3,500磅左右。”Mentor的Burcicki说道。“今天豪华车包含大约1,500-2000根铜线 - 总长度超过1英里。相比而言，1948年，普通家用车仅包含约55根电线，总长度为150英尺。

为汽车制造商提供线束的Yazaki等公司正在尝试不同的材质，以及多路复用等技术，以减轻汽车线束重量。

“重量是汽车电子电气系统的重要体现——重量，空间，成本三者必须保持良好的平衡。”Burcicki说。 “有很多支持技术（无线电力传输，光纤......）可以实现线束和重量减轻，但总是存在权衡，现在很难取代铜导线技术的成本和功能。因此，空间限制下，重量和可制造性（线束和车辆）将成为技术替代品的最终驱动因素。“

电子行业能做些什么来减重呢？

“柔性电路和印刷线路有可能取代这些部件并显着降低系统重量，同时使电子设备与汽车的物理结构更加无缝地融合，”Brewer Science的Stone说到：“光固化的热塑性塑料扩展了可用于制造柔性电路基板的聚合物材料的范围，并且它们具有在模塑或成型后稳定成所需形状的独特能力，这为生产符合汽车要求的电子系统创造了新的可能性。”

测试新的柔性电路可能是另一个问题，现在柔性电路板产业也在逐渐形成标准。

用于设计布线的工具也正在改进。“高级车辆可以有5000米的布线，100多个ECU，500个LED等等，设计这些复杂的电子电气系统现在超出了人类的能力。”Mentor汽车营销总监Andrew MacLeod表示。“电子电气系统的虚拟设计允许创建优化的平台，从而正确构造，降低车辆的成本和重量。”

TDK-Invensense的Sauvage建议，减少电线的一种方法是采用菊花链网络拓扑结构。“现在你看到传感器与中央单元接口的方式实际上已经有所不同，当你开始拥有更多传感器时，它们可以是和微控制器放在一起，或者它可以和GPU或CPU在一起，所有这些都将减少必要的线路。这意味着您甚至可以拥有一个系统，其中所有传感器都像菊花链系统一样相互连接，连接连接到传感器的传感器，传感器连接到连接到控制器的传感器。因此，电线不是多对一的，而是一对一，一对一这样，便可以减轻重量。”

可靠性和冗余

虽然汽车行业致力于降低电子产品的重量和功率，但这些电路也必须足够可靠，以便在安全关键系统中使用，这给汽车制造商带来了难题，因为确保可靠性的最佳方法是通过冗余。这种方法已经在极端环境中得到了验证。

“对于我车中的自适应巡航控制系统，我有四台摄像头检测数据，”Delta公司ASIC部门销售和营销高级副总裁Gert J?rgensen说。 “我可以把巡航控制器打开，如果我面前有一辆车，那么这辆车的速度会下降，直到我有正确的距离。当距离变长时，汽车再次升至正常巡航速度。为了实现这一目标，您需要非常复杂的系统：摄像头，算法和冗余。他们就是这样做的。他们做得更多。他们就像航天飞机的旧时代一样。他们制造冗余系统然后进行投票。”

但冗余也增加了车辆的重量，因此在任何地方都存在冗余组件也是不现实的。

“当ECU开始老化时，将出现严重问题。”KLA战略合作高级主管Jay Rathert说。“但是，如果你可以将执行器连接到这些域控制器中，如果它们磨损，你可以像电脑一样将这些部件换掉，另外软件也更简单。”

ECU的老化问题非常复杂，因为传统设计和目前的实际使用上有着很大差异。“以往产品都是可能每天只运行45分钟，剩下的时候都会关闭。”Rathert说。“但是，如果你有一个特斯拉，每天在充电的时候，有些部件是永远不会关闭的。如果你是优步或者你正在进行长途运输，那么实际运行时间是7 x 24小时，如果芯片的设计寿命为12,000小时，那么整车的寿命不再是15年，而是大约1.5年。目前电子器件寿命已成为汽车产业中第一大影响因子，预计未来几年将会影响整个汽车业。”

芯片生命周期增加了设计和验证的责任，同时也增加了设备的测试需求。在目前时间点，汽车测试远非完美。

“对于汽车芯片前沿测试来说，这将变得更加重要。”National Instruments首席市场开发经理Joey Tun说。“要做到这一点，你需要知道芯片是如何失效的。它是否因振动或温度而失效？您还需要以不同方式测试车辆的各个区域，并且需要高度精确的阻抗测量。”

反过来，这又增加了开发过程的成本和时间。ISO 26262的主要目标之一就是避免自动驾驶的功能安全。如果发动机控制系统发生错误，车辆中的另一个电子控制单元应能够接管以使车辆离开道路并且安全抵达维修处。

Advantest市场营销和业务发展总监Anil Bhalla说：“在过去，当一些事情失败时，你会寻找另外一种模式，找到并解决问题。挑战在于，现在我们谈论的是系统级故障。第一个问题是如何在获得故障时诊断故障。然后你必须决定你需要采取什么行动。如果您改变流程，您如何决定要改变什么？如果您正在进行系统级测试，您要进行测试项目增加时，需要从每个探针处获取更多的数据以进行测试。”

除了测试，对封装也带来了更新挑战。

安森美半导体汽车战略副总裁Lance Williams说：“封装在所有情况下都非常重要，但对于汽车来说更具挑战性。封装尺寸可以非常小，但它受到测试和贴片生产的限制。为什么我们造不出和手机上用的一样尺寸的车用级芯片？因为尺寸和寿命是无法同时满足的。尤其是车内复杂的散热环境和外部复杂的环境在一起时。”

结论

重量、可靠性、动力和高级功能都在汽车世界中错综复杂地交融在一起，随着车辆内部的电子设备更多智能化需求，这些依赖性和权衡将变得更加明显。

福特的Maciuca说：“对比汽车产业发展的100多年，未来十年将是产业界发生巨变的时刻。”