七位技术专家告诉你，2018电动汽车/自动驾驶的挑战在哪？

是德科技：创新电池性能和自放电测试

是德科技大中华区电源产品渠道经理万峻珲在其“快充和无线充电效率测试及电池性能的深层分析”主题中，介绍了功耗、快速充电、无线充电效率以及电池自放电等方面的测试。他介绍，是德科技去年收购了德国一家公司Scienlab，获得了新能源汽车的整体测试测量解决方案。ZrQesmc

在谈到汽车电子，他指出，供应商需要满足车厂标准，比如VW80000，因为要做跌落、抛负载试验，波形很奇怪，传统直流电源没办法达到要求，因此需要用到大功率任意波形发生器，借助这样的电源可满足各种汽车电子测试测量要求。ZrQesmc

同时他提到，除了锂电池，目前新能源汽车领域还有燃料电池比较火，可以解决锂电池目前的一个瓶颈，即电池回收问题。燃料电池环保，但是成本相对高。ZrQesmc

电池本身的内阻是影响电池快充的一个关键。同时，不同电池或不同厂家对电池充电的要求也不一样。DCR在整个充电过程中并不是恒定值。因此，在看电池指标的时候，关注的往往不是容量或标称电压，更应该关注的是DCR是多少，怎么变化，以及温度的影响怎样，这样才能实现快充并把它发挥到极致。快充通常希望电压达到上限以下时容量很大。比如充到4.2V的上限值，那就希望充到4.1V能达到90%，这样才能实现电池快充。另外，温度对电池充放电的影响也很明显。ZrQesmc

他指出，是德目前最创新的解决方案是电池性能和自放电测试。ZrQesmc

电池性能测试需要关注电池自放电，例如ACR、DCR、容量以及电压的分布情况、循环充放电次数和容量的关系。ZrQesmc

对于新能源汽车行业，对电池测试是必需的。电池循环充放电电池寿命验证，以前是采用一台源和一台负载，源用于充电，负载用于放电能量吸收来实现。这样的系统搭建往往没有办法进行无缝切换。现在有了二合一的设备，充放电系统搭建非常容易。ZrQesmc

ZrQesmc

另外对于电池的自放电测试，是德现在提供了一种比较好的测试测量方法。很多时候我们都要对电池进行匹配。例如，特斯拉电池是通过多节18650、21700电池拼起来的。每一小节电芯自放电不一致，会造成使用寿命、安全性大打折扣。那我们怎么去测试自放电？ZrQesmc

电池厂商传统的方法，是在某年某月某天，用万用表去读电池两端电压，过了两三天或一周再去读一次，通过观察电压下降的趋势，去判断一批电池是否符合要求，可以出厂。这样的测试测量方法有两个弊端，一是直接量测电压，自放电电流大小是多少不知道。二是需要很长时间，工厂货期非常长，而使客户不满意。ZrQesmc

是德推出了一种创新的自放电测试方法。这种方法其实非常简单，就是用一个表去量电芯漏电流是多大。可以把电池看成两个水杯，一个注水，另一个没有，两个水杯都开了一个小口，代表电芯自放电大小。水杯的高度即电压，容量等于电容量……EDN之前对此有过报道，详情请见《电池自放电测试由一两个月缩短到俩小时：奥秘是什么？》。ZrQesmc

伊莎贝棱辉特：采样电阻与霍尔传感器对比

伊莎贝棱辉特惠斯勒公司资深现场应用工程师钱晨栋分享了“汽车电子中的电流检测应用”。他介绍说，伊莎贝棱辉特是一家德国的被动元器件公司，由伊莎贝拉公主的后代所传承。ZrQesmc

现在在消费类、工业以及汽车领域，产品都非常多样化。但是万变不离其宗，电流采样对于电机驱动来说起着核心作用。电流检测电阻是一种超低阻值电阻，是电阻大类的一个分支。从功能上说，可以把它列为一种电流传感器或分流器（shunt）。从上世纪电子元器件的发明开始就一直存在，不过最初由于工艺水平的原因，应用受到限制。ZrQesmc

伊莎贝棱辉特的电流检测电阻采用镍铜合金（灰色金）制造，非常适合制作阻值非常低（毫欧级、微毫欧级）的电阻。这类电阻在电动汽车中应用广泛，如EPS、EPB等，只要涉及电机驱动的部分都可以使用采样电阻。ZrQesmc

ZrQesmc

例如，电动助力转向系统（EPS）经历了从机械液压助力转向系统（HPS）到电子液压助力转向系统（EHPS）到EPS的发展。它通过电机取代原先的液压助力转向系统，将电流信号转换为电压信号，反馈给ECU，进而驱动电机。ZrQesmc

下图是采用了0.5mΩ采样电阻的EPS驱动板。ZrQesmc

ZrQesmc

另外一种应用是自动变速箱（TCU）的控制单元。它通过各种阀门、继电器、位置传感器等，将采集到的信号反馈给MCU做处理。ZrQesmc

以下是某德国车厂所用双离合变速器，其中采用了伊莎贝棱辉特的镀金端子产品。“它采用了一种绑定和倒装焊的工艺，能够把TCU模块做得非常小，放在发动机的引擎缸里，环境温度最高达到140℃。”钱工介绍说。ZrQesmc

ZrQesmc

EPB（电子驻车）通过一个按钮或开关，替代传统的手刹方式。它不仅仅是一个简单的刹车制动，比如在斜坡上驻车或启动时，通过EPB方式就不会溜车。如何实现的呢？它里面实际上是有一个直流电机，在斜坡上加速启动的时候，MCU通过位移传感器去计算油门的驱动力，去和电机（通常是BLDC）的驱动力做比较。ZrQesmc

然后是汽车空调，它和家用空调没有太大区别，但是是安装在汽车里，要考虑动力和安装空间等问题。采样电阻在空调系统中应用也很广泛，其PWM调制解调IC会接一个2mΩ或3mΩ采样电阻，反馈三相电机信号，实现无极变频模式。ZrQesmc

汽车里的采样电阻，范围一般在30A到60几A。ZrQesmc

另外，对于BMS（电池管理系统），近两年非常火爆。BMS包括电机、电池和电控三个部分，合称三电，它是新能源汽车的核心。ZrQesmc

BMS从最早的12V到随后的24V、48V再到高压，以及启停系统。DC-DC转换器、逆变器、车载充电器等都会通过采样电阻去检测电流。ZrQesmc

BMS的电流采样还有另外一种器件：霍尔传感器。这种器件是磁性元件，比采样电阻更早出现，材料工艺相对采样电阻没有那么高。ZrQesmc

采样电阻的优势是尺寸小、噪声小、线性度好、温漂系数低、分辨率低、成本低等。但它也有劣势是它上电有功耗——用霍尔传感器没有功率损耗。另外，霍尔传感器直接解决了隔离问题，电阻还需要考虑隔离问题。ZrQesmc

随着BMS SoC对精度的要求越来越高，电流传感器的动态范围也得到重视。对于高动态范围电流采样，用开环的霍尔传感器就无法实现。ZrQesmc

华邦：串口NAND Flash完胜串口NOR

华邦电子闪存产品企划经理黄信伟（Wilson）分享了“专为车用存储需求的高速低成本串口NAND方案”。他指出，摩尔定律可能在未来几年内被终结掉，如果套用在存储器领域，也是有这个趋势。1986年Intel发明了第一颗1.5μm的NOR Flash，到2008年演进到45nm的Flash，然而再往后，没有进一步地微缩。ZrQesmc

NOR Flash是一种比较可靠的存储器解决方案，适合存小容量代码。NAND Flash在传统上被视为不那么完美，需要进行管理。目前所有的电子产品越来越复杂和强大，NOR需要更大容量的存储，但是它的工艺不会再微缩，所以大容量的成本高。而NAND工艺会持续微缩，从之前的40几nm到30几、20几、10几nm都已量产。因此在大容量存储上，NAND Flash成为主流选择，在可靠性上也可以和NOR比拼。ZrQesmc

黄经理从成本考虑、质量角度、读取速度和写入速度几个方面，对串口NAND和串口NOR进行了比较，并解释了“串口NAND需要额外控制器做坏块管理或ECC吗？”的问题。ZrQesmc

从成本上看，NOR先天上比NAND大一倍，相同容量上成本比NAND贵。ZrQesmc

从质量上看，在半导体存储器里，保存的电子数越多，数据保存越久。华邦46nm的SLC NAND在擦写1000次后，在85℃下可以保存10年，和传统的NOR性能可比。ZrQesmc

从功能上看，首先是读取速度。拿自家产品作对比，华邦的STR NOR时脉可以到133MHz，DTR可到80MHz，整体读取速度可达到80MB/s。市面上一般的NAND，时脉只能达到104MHz，达不到前者的速度，但是华邦电子发布了一款全新的串口NAND，其STR NOR时脉可以到166MHz，DTR可以到83MHz，整体读取速度可达到83MB/s。这对于车载应用非常快了，从使用者体验来看，是款非常不错的解决方案。ZrQesmc

那这是怎么实现的？华邦独有的读取功能，可以让数据一直读取，而省掉了中间的读取命令。市面上没有这个功能的串口NAND，读取速度只能达20MB/s；并口NAND（可以16个IO并行操作）的速度会快点，但也不超过30MB/s。华邦第一代串口NAND在时脉速度在104MHz的时候可以达到52MB/s。还不够用？华邦又有开发了第二代全新的专为高速而生的产品，速度达83MB/s，可以给用户两种选择。83MB/s如果还不够用，华邦还提供了一种创新解决方案，即将两个83MB/s放在同一个封装上，就可以达到2*83MB/s=166MB/s。ZrQesmc

然后是写入速度，串口NAND比串口NOR高很多，写入快至少10倍，擦除快至少100倍。更直观的来看，同样写1Gb数据，NOR大约需400s，NAND耗时只有一点点。串口NAND在写入速度上具有非常大的优势，可节省PCB烧录时间（提高生产线效率）和实现快速在线更新。ZrQesmc

串口NAND（被视为不完美的传感器）需要额外的控制器去做坏块管理或ECC吗？请见下图。ZrQesmc

ZrQesmc

最后他强调说，华邦的车规产品在出厂的时候是零坏块出厂，不会麻烦客户去处理坏块管理的问题。16nm是种稳定的工艺，在几千次的擦写状况下，不需要做坏块管理。ZrQesmc

Silicon Labs：电容耦合隔离的优势

Silicon Labs高级现场应用工程师赵伟分享的主题是“应用于电动汽车的高速率多通道隔离技术方案”。他介绍说，市面上常见的隔离技术有三种：电容耦合、磁耦（电感和变压器）和光耦。隔离是为了实现安全性（高低压之间）、参考地区分，以及不同的电流回路，而起到抑制噪声的作用。ZrQesmc

电容隔离的信号传输快，EMI性能好，不会有辐射信号，共模瞬态抑制比做得好。此外，其隔离栅材料通常为SiO2，隔离产品的可靠性和稳定性可以保证。磁耦产品的EMI性能相对差。光耦有光衰，会受温度和电压影响。ZrQesmc

Silicon Labs的隔离技术是电容式隔离，一颗隔离产品里包含两个die，原副边各有一对高压电容器，中间通过金线绑定起来。信号传输采用OOK调制解调，采用已认证的SiO2材料，绝缘强度可达500V/μm，不需要用到厚的SiO2层，可节省成本。Silicon Labs的隔离产品原副边之间有12根绑定线，差分信号可以保证信号质量。ZrQesmc

针对隔离材料，该公司做了TDDB试验，去验证材料的长期使用可靠性。对于5kV的产品，在施加1kV电压情况下，隔离栅的使用寿命可以达到100年。ZrQesmc

市场上推动隔离产品增长的趋势包括：绿色能源的需求，电源效率的要求，政府颁布新的排放标准。对于新能源领域，不管是全电动/混动车还是太阳能逆变器，都需要用到隔离产品。伴随这些产品的需求，隔离产品也得到进一步的发展。ZrQesmc

再看汽车电气化的趋势。在过去的2016、2017年，全球电动汽车销量增长超过50%；在德国，有近2%的新车是新能源汽车，其中全电动车的增长达137%。预计到2020年，全球电动+混动车出货量将达到1300万到2000万辆。同时，全球许多国家都提出了结束内燃机车销售的时间，新能源车前景光明。ZrQesmc

对于传统的燃油车，随着我国的排放标准越来越高，现在市面上的传统燃油车没法达到要求，现在车厂也在想办法，提出了48V轻混概念，来实现启停、转向等功能。ZrQesmc

在这个48V系统中，需要进行高压隔离，例如12V/48V、5V/48V等。ZrQesmc

针对汽车应用，隔离产品的挑战如下：ZrQesmc

ZrQesmc

Silicon labs有几大类隔离产品（如下）。其中，数字隔离器的特点是集成度高，提供从单通道到6通道的隔离产品，一颗芯片就可以做SPI、I2C、485或CAN等隔离，例如6通道产品可同时实现SPI和CAN的隔离。隔离栅极驱动器可应用于变频器、伺服系统等应用。Silicon Labs这类产品非常完整，从MOSFET、IGBT、GaN和SiC，都有相应产品来支持。隔离ADC可以直接采样系统中的电压、电流。其芯片里集成了一个ADC，可直接把数字信号传给处理器。隔离运放可采集系统的电压、电流，并将它放大，传到后端的MCU、FPGA等做处理。ZrQesmc

ZrQesmc

美光：存储器成为限制自动驾驶发展的瓶颈

美光科技汽车系统架构高级总监Robert Bielby探讨了“自动驾驶领域的云存储和本地内容存储”话题。他指出，未来代码数量最多的嵌入式应用不是Facebook，不是Windows，不是747，而是汽车。汽车代码在未来10年将达到3亿行。这么多的代码就需要有存储器来支撑。另外，随着自动驾驶技术的发展，存储器也将从汽车后座转移到前座。ZrQesmc

目前业内的两个热点话题是自动驾驶汽车和人工智能（AI）。AI需要用到最高的性能，达到数TFLOPS的算力。AI也会在自动驾驶上应用，为了达到这样的算力，就需要提供大量存储器带宽。然而，存储器的发展目前还跟不上处理性能的发展，成为了实现某些功能的瓶颈。ZrQesmc

自动驾驶系统需要由众多元素协力来实现，如操作系统、包括激光雷达、雷达、超声波、摄像头等在内的众多的传感器，并结合AI实现对象分析，针对交通拥堵等状况做出决策。计算机硬件好比车轮上的数据中心，会用到世界上最先进的计算性能。以前是PC推动存储器发展，之后变成智能手机推动，而现在则变成了汽车在推动。汽车中存储的地图，分辨率将朝cm级发展。此外还有驾驶控制、启动等，是它们的共同作用才能够实现自动驾驶。ZrQesmc

自动驾驶技术也将对我们的生活产生重要影响，例如舒缓交通拥堵，降低事故发生。自动驾驶汽车能够比人类“看得”更远更清，并能够实现360度全向监控。自动驾驶还有一个需要长期演进的是机器学习，即进行训练，需要提供大量数据。ZrQesmc

我们需要采用GPS地图来导航。但是对于下雪天的场景，激光雷达和摄像头可能不奏效，因此我们也需要使用地图来看清车道。3D地图可以提供精确定位。此外，我们还有很多新的技术正在研发中。ZrQesmc

市场上研究全自动驾驶有几种不同策略。他介绍说，特斯拉所采用的实时道路规划是主流技术。这种技术严重依赖于摄像头去创建3D地图，外加GPS。另一种技术是用摄像头对齐HD地图加实时道路规划，这是Waymo所采用的技术。由于地图存储在车内，因此其视觉系统的负担降低。这种技术，汽车需要每周从云端下载地图进行更新。第三种技术是使用众包位置数据增强实时道路规划。Mobileye的道路体验管理（REM）就是这种，通过他人信息分享来实现导航，例如收到前方车主发来的突发事故而重新规划路线。ZrQesmc

什么是云和雾？云无需过多解释，即远程服务器，可以用来更新地图以及算法。雾是指V2V、V2I通信，借此可以实现信息的实时共享，实现比云更高的即时性，雾的信息也可分享到云。另外，5G网络即将推出，它构建在V2X和LTE架构之上。ZrQesmc

以下是自动驾驶系统的原理图以及汽车存储架构的演变。ZrQesmc

ZrQesmc

ZrQesmc

艾德克斯：一台电池充放电测试设备集成源和负载两个功能

艾德克斯（ITECH）技术工程师陈文兵分享了该公司的汽车电子测试解决方案。他介绍说，艾德克斯针对新能源汽车高压、大功率动力电池的充放电测试提供了一套新的硬件解决方案。以前的电池充放电是采用两个硬件回路来实现，即充电时采用一个电源来充，放电则通过一个电子负载来实现。ZrQesmc

这样就导致整个系统的成本非常高昂，尤其是在高压要达到1000V甚至1200V的硬件配置，功率做到9600W的情况下。ZrQesmc

以前的开关电源将380V市电转成直流电来进行充电。现在的解决方案在此基础上进行优化，能够实现电能的双向传递，即在电池包放电的时候，通过内部回路将DC逆变成AC，回馈到电网，这样可以可大幅节省测试成本。而且对于测试环境来说，由于现在的动力电池包太大，导致房间温度太热，散热难处理；这么大的功率也浪费电，而采用回馈式方案，则可以将电逆变成380VAC，用于其他设备供电。此外，它的效率也得到提高，达到了80%~90%的效率，最高电压做到了2250V，功率可以做到920kW，可根据客户的实际需求来配置充电和放电等。ZrQesmc

另外，常规的电流/电压采样大概能做到1ms左右。ITECH和一所学校进行充放电合作，学校要求做到微秒级的采样，用于脉冲式的充放电，先用大电流充电，一段时间后切换到短暂的放电，从而提高充电效率。目前的产品可以做到硬件4μs采样，而满足这种高速采样需求。此外，通过将设备并联，还可以扩展到更大功率。ZrQesmc

新能源车的发展离不开充电桩，可以采用家用220V插座给车载充电器供电，间接起到慢充的作用。对于交流桩，每辆车都必不可少会有一个AC/DC车载充电器（OBC），以及一个DC/DC，将电池电压转换成12V电平给低压设备充电，这两个设备必不可少。不管是整车厂还是OBC供应商，电性能测试必不可少，例如输入输出效率、纹波噪声、供电范围等。例如在工业园区充电，在早晨或夜里，电压会偏高。充电会充8个小时以上，在这种电压波动的严苛环境下，要保证充电器正常工作，就需要一套这样的系统。ZrQesmc

对于整车厂比较关心的指标，比如整车充电效率、充电时间、纹波噪声等，需要怎样实现测量？对于车载充电器测试，老板肯定是希望能用手里有限的资金来实现更多、更完善的测试。可以把两套系统合二为一来解决问题，例如将示波器和功率分析仪共用，将高压电源和电子负载合二为一。ZrQesmc

ZrQesmc

博通：光耦适合汽车中的哪些隔离应用？

博通公司隔离产品事业部产品经理陈红雷分享了“光耦助力提升电动汽车充电方案”。他介绍说，博通今天的光耦产品线来自惠普时代。虽然公司经历多次变更，但这条生产线在持续不断地进行研发投入和开发跟进，未受公司的变更影响。博通的光耦产品在工业应用领域有着非常好的可靠性。ZrQesmc

其产品分类包括数字光耦、栅极驱动和隔离运放等几大类。市场包括工业、汽车、飞机、导弹、卫星和民用，产品本身非常丰富，覆盖领域也非常广。ZrQesmc

光耦由LED、隔离介质和和感光器件组成，用来实现电气隔离但信号可以沟通。它有很多不同封装形式，以满足市场对爬电距离、电气间隙和工作电压等的要求。ZrQesmc

ZrQesmc

下面是个简单的应用场景。对于AC/DC电源转换，能量传输采用变压器进行隔离，信号系统隔离则是通过线性光耦，将输出信号反馈到PWM控制器。ZrQesmc

ZrQesmc

光耦的工业应用领域非常广泛，例如电源、医疗、新能源、电机驱动、工业网络、工厂自动化和机器人。在汽车领域则有两个新兴发展市场，电动汽车和汽车充电桩。ZrQesmc

汽车中哪些光耦适用？ZrQesmc

电池是电动汽车的动力源，然后是电池充电器，以及驱动系统、模拟系统的反馈等等。不同的功能对应不同的型号，比如栅极驱动（IGBT或MOSFET）、电流检测、电压检测以及数字光耦等。ZrQesmc

IGBT模块可将前端电压信号通过ADC转换成数字量，再通过隔离运放传送到另外一边，而实现隔离和精确的数据转换。此外IGBT模块中具有一个NTC，用来检测模块温度，这个信号也可以采用光耦来传送。ZrQesmc

数字光耦功能比较简单，用于传送逻辑信号。根据应用场景的不同，可选择高中低速器件。ZrQesmc

充电桩的功能是从电网取电并整流给汽车充电。实现方案很多，都有用到光耦方案。ZrQesmc

车载充电器本身则受车体积的限制，能量密度相当的高。要想在车里把引擎、电池、充电器等塞进去非常困难。一般车载充电器功率在6~10kW之间，容量有限，要想把电池充满需要隔夜冲。ZrQesmc

它的好处是随时可以找到交流电来充电，缺点供电能力有限，所用器件需要选用车规，相对昂贵。ZrQesmc

直流充电桩或外置充电桩属于基础设施设备，功率可以很大，如100kW，200kW，充电时间可以大幅缩短。另外，工业级的器件可以直接使用。ZrQesmc

业界追求的充电时间是5到15分钟就可充满，或可充到80%左右，提供很好的续航里程。ZrQesmc

下图是直流充电桩内部的功能模块。在电源转换的过程中，我们需要保证MCU、HMI有足够的安全，即符合增强型绝缘。ZrQesmc

ZrQesmc

博通智能驱动型光耦的发展方向是驱动能力大、驱动快，以及保护功能更多。ZrQesmc

此外，博通和许多业内公司合作开发了demo板，例如3300V/1700A的参考设计在网上提供。除了参考设计，以及在线演讲和视频资料，博通的网站上还提供有其他设计工具，例如Spice模型、IGBT电流检测、电流计算公式、功率和热等计算。ZrQesmc