汽车电子趋势与自动驾驶演进

第7章 汽车电子的趋势与特征

7.1 引言

在经历了一些困难的年份后，轻型车辆市场预计将在未来几年稳步增长，年增长率约为4%，到2020[1]达到1.1亿辆。汽车内电子技术的增长速度要高得多，尽管半导体成本持续下降，但其占整车成本的比例预计将在2020年达到35%，在2030[2]达到50%。汽车最初是完全由人类驾驶员控制的纯机械机器，如今已发展成为复杂的电子系统，在机械性能优化的同时，显著提升了驾驶员的舒适性和安全性。目前，动力总成、底盘和车身电子技术已经相当成熟，新的电子技术开发重点更多地集中在安全性、驾驶员舒适性与便利性以及高级驾驶辅助系统（ADAS）上。最终目标是实现自动驾驶无人驾驶汽车，目前不同制造商正在宣传这一概念，并在媒体中引发了广泛关注。第一段将更详细地讨论汽车电子的发展历史、未来趋势以及自动驾驶汽车的颠覆性影响。

与此同时，尽管汽车行业在自动驾驶无人驾驶汽车这一趋势上投入了大量精力，但也有许多努力致力于开发更节能和更清洁的车辆，例如轻度和完全混合动力汽车、电池电动汽车以及燃料电池电动汽车。尽管这一发展需要大量电子技术，但其主要驱动力在于能源本身的改进，包括能量密度、重量、体积、寿命、安全性、加注时间以及基础设施。这一趋势并非由汽车电子所驱动，因此本文不再进一步讨论。

7.2 汽车电子技术的发展趋势

汽车最初是一种纯粹的机械系统，并在半个多世纪中一直保持着高性能机械系统的特性。除了由摩托罗拉公司（Galvin corporation）于1930年以及艾德（Ideal）稍后推出的宝记（Blaupunkt）收音机和点火系统外，汽车中几乎没有使用任何电子技术。事实上，当时很难与成本效益极高的机械和液压系统竞争。

电气和电子系统最初作为高端汽车中的特殊且昂贵的配置被引入，主要集中发动机改进、驾驶员便利性和安全性方面，例如电子喷射、空调、安全气囊等。尽管这些应用大多被驾驶员群体迅速接受，但一些直接影响驾驶员和乘客的安全措施却引发了争议，例如至今仍在进行的安全带讨论。安全气囊是人类对新开发技术缺乏信任的另一个例子。用于汽车用途的安全气囊专利早在1951年就在德国和美国注册，并于20世纪70年代初作为高端汽车的一项配置推出[5]。尽管其在提升安全性方面已被证实有效，但当时并未取得商业成功。直到20世纪80年代，梅赛德斯重新引入安全气囊，并在该十年末期将其与安全带一起在多款高端汽车中作为标准配置部署。

安全带也在20世纪50年代被引入，尽管其在挽救成千上万的道路死亡方面效率很高，但并未在所有汽车中普遍安装。必须通过法律来规定在所有汽车（包括中档和低档汽车）中配备并使用安全带。事实上，立法是推动汽车电子技术发展的重要驱动力，要求根据技术可能性改进污染控制、安全性和交通控制系统。

汽车电子现在也受到汽车制造商的青睐，因其在制造上具有更高的灵活性，更易于实现车型和升级差异化，并提供更好的售后服务。此外，新的先进功能已成为汽车制造商之间重要的商业差异化因素。

7.2.1 汽车电子技术演变

无马车（早期汽车）的开创阶段大约在1890年结束，当时在法国小规模实现了汽油车的首次常规批量生产。不久之后，法国和美国的其他制造商相继跟进，建立了规模日益扩大的移动装配线生产设施。这些早期汽车完全是机械系统，驾驶和维护它们需要较高的技术技能。当时的道路并未适应汽车交通，但交通流量本身也非常低。

第一次世界大战后，汽车价格大幅下降，“驾驶汽车”不再只是富人的特权，普通人也能负担得起。交通流量显著增加，机动车死亡事故数量急剧上升。因此，各国出台了全国性交通法规，驾照成为强制性要求。由于驾驶汽车所需的技术技能仍然较高，驾照考试还包括技术考试。为了应对日益增长的交通需求，道路被扩建，并于20世纪30年代在德国修建了第一条高速公路。汽车越来越多地被用于长途旅行，为了提高行程的舒适性，汽车上开始安装首批电器设备，如前灯和尾灯、收音机、雨刷/清洗器:::等。这些早期的电气系统仅应用于非关键领域：驾驶员舒适性、信息和娱乐。低智能电气系统对发动机性能以及驾驶员或驾驶技能没有影响。它们通常是按钮控制开关系统，且为独立运行的系统，无需与其他车载电气系统进行通信（图7.1）。

第二次世界大战后，交通变得更加密集，驾驶执照的关注重点转向了驾驶技能和交通规则。由于汽车变得更加可靠且易于使用，技术考试逐渐消失。欧洲和美国修建了更多的高速公路，吸引了更多的交通流量。越来越多的电子系统进入汽车，用于发动机优化（例如燃油喷射）、舒适性和便利性（例如空调、巡航控制）、主动和被动安全（例如安全气囊、防抱死制动系统）以及驾驶员信息和娱乐（例如全球定位系统、服务警告）。这些日益复杂且智能的电子系统对发动机性能进行了优化和控制，并通过反应式纠正驾驶错误（例如牵引力控制、电子稳定程序、刹车辅助系统）来辅助驾驶员，但并不控制驾驶员。先进的电子控制单元（ECU）需要精确的传感器、强大的信号处理能力以及与车内其他电子控制单元的通信。然而，它们的通信和影响仍局限于车身内部。

在过去的20年中，汽车电子进入了第三阶段。电子系统现在逐渐控制更多的关键应用（例如自适应巡航）车辆控制，防撞雷达，自动泊车:::) 由于这些智能系统可在明确定义的情况下由驾驶员授权接管汽车的全部控制权，并且还能在无需驾驶员控制的情况下主动防止汽车内部及周边的危险情况，因此它们必须具有极高的鲁棒性和安全性。同时，这些系统的复杂性也日益增加。如今，一辆典型汽车包含约90个电子控制单元、170个传感器、超过1500万行代码，以及一个拥有1000多个连接点的数公里长的网络[6]。

7.2.2 自动驾驶的实现步骤

从零开始重新思考人类出行并为自动驾驶汽车设计一套全新的交通系统是不现实的，因为这需要将所有现有汽车和道路基础设施一次性替换为新系统。实际上，自动驾驶汽车和人工驾驶汽车将在很长一段时间内共享道路。因此，自动驾驶汽车中取代驾驶员的电子系统必须从驾驶员的人类行为出发[7]。人类的感官，如视觉和听觉，可以用传感器和通信来替代。然而，人类决策则困难得多，需要大量的软件并通过持续学习不断改进。人类决策还依赖于对人类行为、地理状况和环境条件（例如人体语言、天气、路面）的大量记忆:::。人类行为具有文化特异性，难以简化为算法（例如，在不同国家，人类驾驶员对速度限制的理解各不相同；而在许多国家，严格遵守所有交通法规和速度限制的自动驾驶汽车会阻碍交通流，并使其他驾驶员感到紧张）。传感器、记忆和软件是自动驾驶汽车中取代人类驾驶员的关键要求。

最终，人类出行系统可能会演变为一个交通网络，该网络将控制自动驾驶汽车的宏观移动（上层）。每辆自动驾驶汽车完全掌控自身及其周围环境，并与邻近车辆及本地交通标志进行通信。驾驶员在整个行程或至少大部分时间内都将成为乘客。在这种系统中，汽车作为具有最高灵活性的个人公共交通工具发挥作用。这是对未来出行的一种颠覆性愿景，为社会在出行方面之外也带来了新的前景。尽管这一里程碑可能在10至15年内在高端汽车上实现技术突破，但其在社会中的采纳以及在低端车辆中的普及预计将缓慢得多[8]。

这也将是一个演进过程，其中可区分出三个阶段[9]。

第一阶段，驾驶为部分自动化。在一些明确定义且不复杂的驾驶情况下，人类驾驶员可以将控制权移交至自动驾驶系统，但必须随时准备在出现意外情况时立即重新接管控制权。在此阶段，全部责任和责任归属仍由人类驾驶员承担。此类驾驶情况的示例包括在无交叉车流的高速公路上高速巡航，或在交通拥堵中低速行驶，且预期其他驾驶员不会出现快速动作。这些情况对驾驶员而言是单调且枯燥的，注意力容易减弱。这种情况具有危险性，因为向困倦驾驶员移交控制权可能需要超过18秒，而警觉驾驶员可在一秒内做出反应[10]。汽车必须能够检测驾驶员的疲劳、嗜睡或分心状况并使其保持警觉，或者汽车本身必须已具备足够智能，可自行进入安全状态。

下一阶段是高度自动化驾驶，自动驾驶系统能够处理非常复杂的驾驶情况，并能及时识别未知驾驶情况。当发现未知情况时，自动驾驶系统会警告人类驾驶员接管控制权，并在此期间转入安全运行状态，直到驾驶员做出反应。车对车通信、交通标志到车通信以及主要道路上不断发展的交通网络控制将增强系统性能。自动驾驶系统将能够在高速公路、乡村道路和城市街道上处理所有的车对车交互。然而，汽车与行人之间的交互将更加不可预测，因为人类反应和肢体语言难以准确解读。在这种高度自动化驾驶阶段，人类驾驶员将完全控制权交给电子系统，这不可避免地会引发在发生事故时关于驾驶员或汽车/高级驾驶辅助系统制造商的责任归属和责任的法律问题。与其他汽车、交通网络以及汽车制造商之间交换的数据的保密性也是一个重要的法律问题。

如上所述，最后阶段是完全自动驾驶汽车，它将完全取代人类驾驶员。这种汽车作为具有高舒适性和灵活性的个人公共交通工具，可在没有车内人类驾驶员的情况下运行，从而开辟了新的可能性。如果公共交通变得如此舒适和灵活，人们购买和拥有私家车的动力就会减少，因为私家车90%的时间都处于空闲状态。这一趋势在欧洲的年轻人中已经显现，他们居住在城市，尽管目前公共交通缺乏灵活性和舒适性，仍广泛使用公共交通。可以设想一种按需出行模式，通过一个包含小型、中型和大型车辆的车辆共享池，满足短途、中途和长途出行需求。用户可根据需要调用小型或中型汽车用于购物和上下班通勤，调用大型汽车用于商务旅行和休闲出行。由于这些汽车无需驾驶员即可快速移动，因此不会在用户所在地长时间停留，而是可以集中在城市的少数停车楼内，或持续在路上行驶以缩短用户的接载时间。这样的共享出行系统将通过减少汽车的空闲时间显著降低汽车总数，并通过消除停车位重新获得城市中的生活空间。由智能汽车构成的智能交通网络也将缓解城市交通，但交通拥堵预计不会减少，因为驾车出行将变得更加便捷，更多人（包括目前无法驾驶的人）将会选择更长距离的出行。然而，这种按需出行模式仅适用于城市，在农村地区并不可行。此外，汽车仍然是一种重要的个人身份象征，许多驾驶员享受驾驶过程，这种情况预计不会迅速改变。

构建自动驾驶汽车、车对车及交通标志到车通信系统以及交通网络控制系统将是一项艰巨的技术任务。安全性、可预测性以及防范恶意攻击是这一开发过程中的关键问题。该系统还将与非自动驾驶汽车、行人、不可预测的儿童、动物以及未预见的道路障碍物共存。行人和人类驾驶员可能会利用系统已知的弱点来谋取利益（例如进行不被允许的过马路或抢行优先权，因为自动驾驶汽车会遵守法律并主动让行）。除非实现标准化，否则高级驾驶辅助系统制造商很可能会在人类行为算法方面展开竞争。这可能导致某些车型相对于其他车辆获得被认为是不公平的优势。最终，当前高端、中端和低端汽车的分级将转变为头等舱级、商务舱级和经济舱级的高级驾驶辅助系统分级。

7.3 汽车电子技术的特点

汽车电子系统与典型商用电子系统之间的主要差异源于汽车电池的供电方式、电子控制单元在整车车身上的分布，以及汽车应用中严格的安全要求。

尽管主流的铅酸电池标称为14伏，但电子控制单元的供电电压变化范围较大：通常为5至40至60伏，并且受到各种干扰信号的污染。由于汽车内出现了新的高功率应用以及严格的排放要求，目前正逐步发展在高端汽车和轻度混合动力汽车中引入第二个48伏锂电池。该电池电压受污染程度较低，且在这两种情况下，ECU最大供电电压相当接近。在电子控制单元内部，高复杂度的信号处理微控制器单元和存储器采用标准的低电压工作，但位于电子控制单元边界的专用集成电路必须能够承受其供电引脚、通信引脚、传感器输入和执行器输出上的高电压和干扰。

电子控制单元在整车车身上的分布以及通信网络使其容易受到电磁兼容性、静电放电和瞬态干扰的影响。由于额外的成本和重量，屏蔽措施无法广泛使用。因此，与大多数在屏蔽环境更好的商业电子系统相比，电磁兼容性和静电放电在汽车设计中是非常严苛的限制因素。

将电子控制单元分布在车身上的一个主要原因是使其更靠近传感器和执行器。这可以提高应用的速度和准确性，但同时也使电子控制单元暴露在某些汽车位置的高温环境中。这些高温超过了工业级甚至军用级（125 °C环境温度）的工作温度范围，并且还有进一步升高的趋势。这给芯片设计、芯片可靠性、封装材料、印制电路板材料以及制造带来了巨大压力。在极端温度情况下，必须采用特殊技术和封装形式。

最后，由于越来越多的关键汽车功能由电子技术控制，因此应用的安全性、可靠性和可预测的错误行为至关重要，且电子控制单元之间的通信必须在所有条件下保持可靠和可靠。

总之，汽车电子必须满足所有传统的设计挑战：低成本、快速上市、完整功能、低功耗、可测试性等。除此之外，还必须根据最高的安全性和可靠性标准进行设计，能够应对高电压和大的电源波动，在高温下正常工作，承受大的静电放电脉冲，不干扰邻近应用，并在存在严重的电磁兼容性和瞬态干扰的情况下保持功能正常。

7.3.1 质量与安全性

汽车行业以其极高的可靠性要求而著称。在设计和测试中，所有经典的可靠性技术都被广泛应用：六西格玛设计、最坏情况分析、退化仿真、高测试覆盖率、IDDQ、Vstress以及其他先进测试方法。此外，还采用其他可靠性工程方法，如FMEA（故障模式与影响分析）和FTA（故障树分析）。前者是一种自下而上、归纳的故障影响评估方法，在复杂系统中容易变得繁琐；后者是一种自上而下、演绎的导致事故的事件链模型，并假设故障独立性，但这一假设并不总是成立。

然而，安全性并不等同于可靠性 [11, 12]。可靠性关注的是元器件故障及其MTTF（平均失效时间），而复杂系统的安全性即使在没有元器件超出规格失效的情况下也可能受到影响，例如由于概念和规格不完整，或人为因素及流程交互所致。反之亦然。因此，ISO 26262[13]现被用于将安全性纳入产品生命周期的各个阶段：管理、概念、系统、硬件、软件、开发、生产、运行、服务:::

从上述关于自动驾驶的讨论可以看出，未来对完整ADAS系统安全性的要求不会降低，反而会变得更加严格。

7.3.2 高压

主流的铅酸电池是一种相当可靠且经过生产验证的电源，但其电压波动较大。虽然标称电压为14伏，但在交流发电机充电时，最低电压可降至7伏以下，最高电压可升至19伏以上。除了这种较大的公差范围外，电池电压在车身上的分布还增加了额外的波动，使其容易受到大功率执行器和电磁兼容性（EMC）干扰的影响。这些干扰会在供电电压上产生各种尖峰，但不会显著改变电池的直流值。当电池断开或出现故障，而交流发电机在没有电池稳定作用的情况下为汽车电子系统充电时，会出现一种特殊情况，即负载突降条件。由于低压交流发电机效率很低，对产生的过电压反应缓慢，如果不进行钳位，电压将在半秒内上升至超过100伏峰值。钳位负载突降可将此电压上升限制在40至60伏以下。最后，电池连接可能发生反接，因此通常使用串联二极管来防止这种情况。最终结果是电池电压范围在5伏至40至60伏之间，并伴有高压（150至200伏）短时脉冲（ISO 7637[14, 15]）和电磁干扰。

由于高端汽车中的峰值功率需求不断增长，一些新的电子应用在14伏电源上构建变得困难且效率低下。

由于14V交流发电机的低效率，麻省理工学院开展了一项定义未来汽车电气系统的研究所提出的“42伏电力网络”草案规范，该规范基于42V铅酸二次电池（是14V电池的三倍）。由于各种技术和商业原因，该方案从未在大批量生产的汽车中实施。但对更高功率电池和交流发电机的根本需求仍然存在。随着2020年更低排放要求的推动，高电压电池的研发工作重新启动，并由五家德国汽车制造商于2011年提出新的48V标准。该电池基于最先进的电池技术（锂镍锰钴氧化物：NMC）。豪华车和轻度混合动力汽车率先采用了这种新型二次电池。与14V电池相比，该电池电压受负载突降的影响更小，且两种情况下的ECU最大供电电压相当接近，均低于直流电压电击危险保护限值：60V（图7.2）。

针对这些高压应用，已开发出包含多种不同类型DMOS晶体管的各种技术系列。这些技术系列遵循各自的发展路线图，但相比主流的CMOS路线图大约落后三代。因此，高压芯片的数字内容有限，通常位于电子控制单元的边缘，与电源、传感器等进行接口。执行器和通信通道。微控制器单元和数字信号处理器中的复杂信号处理保留在电子控制单元内部，并使用先进的低压技术。高压DMOS晶体管具有相当复杂的 安全工作区 （SOA）。该安全工作区受限于瞬时过电压和过流故障、快速加热退化以及各种与场相关的退化机制。高压设计需要不同的布局和电路技术，而高功率则会在芯片上引起自热和较大的温度梯度[17]。

随着新型48V电源网络辅助电源以及效率远高于14V发电机的48V交流发电机的出现，高端汽车和高功耗应用的功率瓶颈得以缓解。在不久的将来，不会推动使用更高电压，特别是因为这将超过直流电压60V电击危险保护限值，并需要在整个汽车中配备昂贵且沉重的保护装置和屏蔽。

7.3.3 高温

汽车中的高温通常会使发动机舱或靠近刹车的底盘区域环境温度升高至150 ::: 170 °C。在排气系统附近，最高温度甚至可超过200 °C环境温度[18]。结温通常比环境温度高20–50 °C，最高可达170 ::: 200 ::: 250 °C，远超军用规格。对电子技术进行高温屏蔽成本较高，因此汽车领域迫切需要耐更高温度的电子技术。

采用适当的元器件和设计技术，体硅可承受高达200:::300 ℃的温度。SOI技术性能更优，可达到250:::>300 ℃。如果需要更高的温度，则必须使用砷化镓、氮化镓和碳化硅技术。主要的电路设计问题是结漏电流随温度呈指数增长，直至材料变为本征状态，结变成短路。该本征温度极限随着结中多数载流子浓度的降低而下降。因此，高压结的工作温度无法像低压结那样高。在这方面，SOI相较于体硅具有显著优势[19]（图7.3）。

硅（体硅或绝缘体上硅）可承受高达200 °C甚至更高的所需高温，但封装现已成为限制因素[20]。尤其是引线键合退化和传统塑料封装的解聚将最高温度限制在更低的水平。可通过使用更昂贵或新型的塑料封装及芯片连接技术来扩展这一限制。

汽车对更高环境温度电子技术的需求将持续增长。芯片还将包含越来越多的高功率器件和复杂信号处理模块。这两者都会导致最高结温上升，前者直接影响，后者则因技术进步而有所缓解。高温能力将继续成为硅制造商的优势。

7.3.4 电磁兼容干扰

英国国防标准59‐41将电磁兼容性描述为：“电磁兼容性是指电气和电子设备、子系统和系统共享电磁频谱，并在不会因规定的电磁环境而导致不可接受的性能下降的情况下实现其预期功能的能力。” 电磁兼容性涉及电磁场，这些电磁场在器件和车辆尺度上完全由麦克斯韦定律描述。这些定律针对所有信号、线性和非线性，在时间和三维空间中描述了所有材料（无论均匀或非均匀）中的场。除了极简化的结构外，这些定律几乎无法解析求解，但可通过各种电磁仿真技术对低复杂度二维和三维结构进行求解[21]。

尺寸远小于电磁场波长的小型偶极子和环形天线可以解析地求解。它们向远场辐射的能量极低，大部分能量保留在近场，在近场中表现为电容性和电感性耦合。因此，这些天线的场行为可以忽略，只需考虑其耦合行为。这可以通过在基于SPICE的仿真器中使用经典电容器和电感器进行建模。

尺寸为2‐3毫米的结构在3 GHz以下的频率和慢于100皮秒的上升沿情况下可被视为小型天线，芯片电路、模块和子系统属于此类，仅对于较大的芯片和封装，在最高频率和最快上升沿时，一些片上天线才开始产生辐射。印制电路板、电子控制单元以及车辆的线束要大得多，必须视为辐射天线。因此，辐射发射和抗扰度对电子控制单元和线束而言是主要问题，而对芯片则不是（图7.4）。

然而，该芯片在其输出端和电源引脚上会产生快速且大幅度的差模和共模电流电压变化，这些变化通过电子控制单元和线束中的高效天线转化为辐射场。反之，电子控制单元和线束中的高效天线会将入射的电磁兼容性辐射场转化为传导干扰信号传至芯片。

简而言之，电磁兼容性在芯片级被视为一种非辐射性传导耦合，而在电子控制单元和整车级则被视为辐射。由于电磁辐射场与芯片边界处的传导电流和电压之间的转换依赖于电子控制单元的三维结构以及芯片边界的复杂阻抗，因此该转换过程非常复杂。这导致汽车制造商和一级供应商在考虑电磁场问题时，难以准确（且趋于保守）地将其转化为对芯片制造商的传导性规范。只有通过大量经验积累和密切协作才能应对这一难题。

芯片制造商与模块制造商之间的合作可以弥合这一差距，并为芯片设计人员设定适当的导通限制。

这也在元器件辐射标准IEC 61967和IEC 62132中有所体现，这些标准包含了针对辐射发射、传导发射以及抗扰度测量的不同测量方法[22, 23]。

即使具有良好的传导性规范，在芯片级进行电磁兼容性仿真仍然是一项非常困难的任务。当电磁兼容性频率达到吉赫兹范围时，必须在仿真环境中包含芯片和封装中非常小的寄生元件和耦合。较大的电磁干扰可能引起非线性、击穿和衬底电流。寄生元件与器件之间的谐振在仿真中难以检测。由于大信号失真导致的电荷泵浦和电荷积累，需要在长时间内进行包含大量寄生元件和耦合的大信号瞬态仿真。

电磁干扰未来将进一步增加，主要体现在频率上，其次为功率。然而，目前也存在限制电子控制单元中分立保护器件使用的趋势。这提高了电子控制单元在抗扰度方面的电磁兼容性功率要求，并且需要更高精度的功率和通信驱动器以实现排放控制。

7.4 结论

电子技术是汽车和人类出行演进的主要驱动力。由于传感器和软件的不断进步，汽车中的电子系统正越来越多地接管人类驾驶员本身的运行操作。这是一场颠覆性演进，最终可将汽车转变为具有高舒适性和灵活性的个人公共交通工具。这不仅将改变交通和人类出行方式，还可能对生活组织方式和城市化进程产生重大影响。然而，由于人类在接受和采用这些新可能性方面的迟疑，这一转变不会一蹴而就。

汽车电子向自动驾驶汽车的发展需要极高的安全性。高级驾驶辅助系统日益增长的功率需求只能通过高压电源来满足。同时，预计汽车内的高温区域不会消失，且电磁辐射干扰的功率将增加并扩展到更高频率。因此，汽车电子特有的特性在未来仍将是重要的设计和技术挑战。