【技术】ADAS、ADS中的电力、通信技术发展趋势及需要解决的挑战

本文讲述了高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶系统 (ADS) 与电力和通信技术相关的趋势和动态，包括与这些技术相关的设计和可靠性挑战的详细信息。 此外，本文还讨论了使用行业领先的新技术来应对这些挑战的解决方案。

集成直观的驾驶系统

最新的ADAS具有高度重视的安全功能，例如自适应巡航控制 (ACC)、视觉系统、牵引稳定系统和紧急呼叫单元功能。这些系统和其他系统现在能够开发和测试自动驾驶汽车，有望提高道路安全性及驾驶员操作的便利性。

然而，这些好处也以引入大量额外的传感器、处理器、执行器和通信线路为代价，有线和无线，这些都需要稳定和受保护的电源和通信接口。大多数车辆将需要新设计来满足这些新系统增加的电力需求、可靠性和干扰保护。 需要新的通信和电源技术来优化ADAS和ADS的性能。

ADAS和ADS趋势

道路拥堵会导致道路事故和死亡人数的增加，从而产生了对ADAS技术的需求。根据市场调查，全球ADAS市场在未来几年可能增长10%以上，到2023年可能增长一倍以上。随着汽车消费者和卡车车队运营商开始对ADAS技术产生兴趣，政府也开始制定法规，加强更安全的汽车操作。

此外，越来越多的大型私营公司和风险资本支持的初创公司，往往以开发自动驾驶系统为目标，致力于开发新的和改进的ADAS技术。预计这将导致ADAS设备、组件和软件工具的多样性并发挥出更大的作用。

ADAS/ADS的总体趋势是包含、集成和融合各种传感器和执行器，这些传感器和执行器的功能要么是传统机械系统的电气升级，要么是提供全新的功能。这些传感器和执行器需要电力、通信的协同处理来工作，需要额外的电子设备来提供可靠的电源、可靠的通信和低延迟/高带宽等。

处理器，主要是电子控制单元(ecu)或微处理器(mpu)，工程师们正在开发具有更大的处理带宽、更高的时钟速率和更集成的汽车功能，以更好地满足需求。其中包括自动化系统、机器学习/人工智能(ML/AI)和促进互联汽车通信(如远程信息处理)，处理器还需要获取、存储和分析各种新型ADAS传感器提供的数据，如视觉系统(IR/视觉摄像机)、超声波距离传感器、雷达和激光雷达。

此外，这些传感器和处理器都需要通过数据线进行通信，在某些情况下，还需要无线通信。传统的汽车通信技术，如CAN-BUS和CAN-FD，可能无法处理新型ADAS传感器的带宽和低延迟需求。商业数据通信技术，如以太网，开始流行起来，以避免带宽瓶颈。汽车系统之间、附近车辆(车对车)之间或与汽车基础设施之间的无线通信也可能出现，并将带来自己的一套功率、处理和干扰方案。

电动执行器系统，如电子门锁和安全带张紧器，将取代传统的机械系统。这一趋势也适用于转向、刹车和其他驾驶系统。通过电气控制，还可以为制动、转向、牵引控制和其他系统提供辅助系统，这些系统最终可能实现完全自主操作。

对现代ADAS和ADS的考虑

现代ADAS所需要的所有额外电子设备、电源线和数据电缆都具有独特的考虑因素，超出了汽车制造商和汽车oem之前的考虑范围。以下部分讨论可以使用和启用尖端ADAS的解决方案。

ADAS和ADS电子符合严格的汽车要求

目前ADAS中使用的许多传感器、驱动器、电子设备和互连设备最初并不是为汽车应用而设计的。因此，这些部件的材料和设计可能不符合严格的汽车可靠性要求。这些要求包括对老化、静电放电(ESD)、冲击/振动和高压尖峰的严格鉴定和测试。例如，在典型的负载转储测试中，负载突然变化可能会导致标准12V和24V汽车系统高达60V的电压峰值。

最新的电动汽车有更高的电池电压，更不用说与铅酸电池相比，锂离子电池的内阻降低了，负载过载电压峰值，以及其他远高于以前汽车的瞬态。因此，汽车制造商必须仔细选择符合甚至超过当前标准的处理器、执行器、传感器、通信组件和设备。这确保了可靠的ADAS操作，并避免了由于系统故障而造成昂贵的召回代价和事故。

减少元件尺寸，并考虑非12V电源转换

在一个已经受限的平台上添加额外的电子设备的另一个挑战是，每一个额外的模块都需要加固的外壳、位置和电缆，增加重量和空间。使ADAS模块的大小在很大程度上受到限制，这意味着为了实现预期的性能规范或功能集，设计人员将需要找到一种方法来增强集成、减少组件数量或找到更紧凑的组件。

开发允许更大集成的技术通常需要数年时间，并伴随着各种性能权衡。同样，减少组件数量与趋势是相反的任何迹象。因此，设计人员减少ADAS模块尺寸的唯一选择是使用更紧凑的组件。

例如，许多ADAS要求电压低于12V，电源转换器是必要的。功率变换器的设计通常需要电感，而电感往往体积庞大。然而，利用高频和高电流电感用于高开关速度DC/DC转换器，可以显著减少电感的占地面积和重量。考虑到大多数传感器、处理器和通信设备都需要功率转换器来将12V的汽车电压降低到可用范围，即使是感应器尺寸和重量的轻微降低也会带来综合效益。

新的数据、通信和传感器技术带来了ESD和电涌挑战

由于每个新的ADAS传感器都需要电源和通信线路，这导致了汽车内部互连的激增。随着现代电子设备安装在整个汽车上，最新数据速率电缆的长而复杂的布线，如双绞线以太网、HDMI和USB，增加了电缆的电气长度。它还增加了敏感传感器、处理器和通信电子器件ESD的风险和严重性。通常情况下，高速电缆的屏蔽(如果有的话)不是为处理恶劣的汽车环境而设计的，而且可能不足以适应移动环境中的电缆长度和ESD。

在工厂安装电子设备和电缆时，不熟悉或未按操作要求的人员进行防静电安装，可能会对敏感的ADAS电子设备造成静电冲击。此外，用于汽车的刀片熔断器在12V时的额定功率为数安培，相当于2A至10A的熔断器的功率范围为24 W至12 W。许多ADAS电子产品可能会被几安培的电流冲击损坏，标准的刀片熔断器也不能充分保护。

此外，启动一辆内燃发动机汽车或电动汽车从低压电池切换到主电池组等普通活动都可能引起电涌事件。因此，为了保护ADAS电子，每个模块都将受益于高阻熔断器，以防止短路，以及通信线路上的ESD抑制器出现问题。对于这些组件来说，尺寸、重量和成本至关重要。小尺寸ESD和电路保护，如SMT芯片熔断器和ESD抑制器，是处理这些问题的理想方式，无需投资重新设计系统或需要安装/维护人员的额外服务。

分布式应急电力系统故障安全运行

现代汽车采用了一些新系统来提高驾驶体验之外的安全性。这些系统包括自动门锁(电子锁)、紧急定位和呼叫、安全气囊传感器和应急照明元件。在发动机故障的情况下，或者在事故中电动汽车脱离主电池的情况下，如果没有备用电源，这些最近通电的系统中有许多会出现故障。在事故发生时，单一电源对应急安全装置的运行有很大的影响，分布式应急电力系统有助于减少或消除这种问题的发生。

汽车应急电源可采用多种技术。然而，与目前的替代品相比，超级电容器往往在重量、成本、可靠性和性能方面提供更好的组合。由于已经有汽车OEM认证的超级电容器电池可用，分布在整个汽车上的几个超级电容器可以提供足够的存储能量来操作被动安全设备，如安全气囊、安全带、车身控制、应急照明等。

在现代汽车设计中优先考虑电子元件

越来越复杂的汽车ADAS设计是为了应对道路上汽车数量的增加和人口老龄化带来的危险驾驶条件。ADAS还可能为自动驾驶技术打开大门，既提高了驾驶员的安全性，又减轻了驾驶负担。然而，ADAS的复杂性和要求汽车制造商额外考虑，以确保ADAS传感器、执行器、处理器和通信电子设备得到充分供电，并由其他具有合格可靠性的电子元件保护，以便在最恶劣的汽车环境中运行。