电气化和ADAS中传感器的发展

电气化和ADAS中传感器的发展

汽车的另一个发展趋势是使用的传感器越来越多。

在CASE趋势下，传感器主要应用在两个方面：电气化和ADAS功能，后者包含自主、定位和车联万物（V2X）。增加传感器是新的电气/电子（E/E）系统架构和ADAS系统发展的一部分。与排放控制一样，政策法规也在推动安全性能的改进，欧盟新车安全评鉴协会（NCAP）、美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）及欧盟均制定了相关法规。

为了实现汽车电气化，越来越多的磁（电流）传感器被用于电池监控（电池管理系统）。EV的发展降低了对ICE的依赖，这可能会对传统的动力总成压力传感器（监测来自MAP、BAP、变速箱油和GPF等的压力）产生不利影响，但这种情况长远来看会得到改善。目前，具有混合动力总成的HEV为传统传感器和新型传感器的集成提供了最佳切入点，这些传感器包括用于平视显示器（HUD）的光传感器、用于车轮扭矩的磁传感器、用于里程表和导航的惯性传感器、用于动力总成监控的压力传感器，以及用于电动动力总成的电流传感器等。

除了电气化，ADAS是促使所有类型的车辆中传感器增加的另一个因素。为了赋予汽车更多的自主性，汽车需要发展其自身的情境感知能力。为此，车辆需要适当的传感器来仿真人类对环境的感知。

但是我们应该清楚，消费汽车市场中用于ADAS的传感器套件与Waymo、Cruise等出行即服务（MaaS）业务模型中用于完全自主的传感器大不相同。后者采用高成本、高性能、工业级传感器和先进的处理平台，其成本和能耗都超过消费类汽车一个数量级。虽然其成本增加了，但技术相当先进，因而车主愿意承受。而对ADAS来说，关键则是以低成本提供优良的性能。下面列出了一些重要的ADAS传感器：

• 图像传感器：正成为ADAS中最重要的传感器。摄像头就像是汽车的眼睛，几乎都采用了互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器。汽车摄像头搭载率的不断提高，有助于实现不同功能：

前视：从一个长距离摄像头发展到三个摄像头，扩大了视野，也扩展了ADAS的作用范围。

环视：从仅仅实现倒车和停车辅助功能的后置摄像头，发展到环绕汽车的360°视野，可提供更好的情境感知能力（包括倒车、在狭窄空间停车、转弯和其他操作）。

• 驾驶员监控：根据欧盟NCAP 2025的规划，驾驶员监控系统被提上日程（2020年开始），用来监控驾驶员因饮酒、疲劳而引起的注意力分散和身体不适，以降低安全风险；同时还可以监控乘客、检测被遗留在车内的孩子或动物，以避免中暑等意外。虽然这种座舱监控技术在市场上占主导地位，但是也有其他技术与之竞争，如热传感器、飞行时间（ToF）或雷达。

• 超声波传感器：可近距离检测障碍物或行人，其主要功能是辅助停车和避免碰撞，也可用于座舱信息娱乐系统的手势识别功能。当然，也有与之竞争的其他技术，如ToF摄像头。

• 雷达：仍然是测量相对距离和速度的最佳传感技术。过去几年中，强制实施自动紧急制动（AEB）在很大程度上推动了雷达的发展。现在，雷达技术不断提高其角分辨率，相关厂商都在努力开发3D雷达（博世、大陆集团已经发布了相关产品）或4D成像雷达，以及单片微波集成电路（MMIC）解决方案。

• 激光雷达（LiDAR）：是最新进入汽车生态系统的传感器。激光雷达可以在黑暗中工作，并精确监控周围环境，是实现更高级感知功能所需的传感器。为了检测物体深度，以及检测近处和远处的物体，需要将ADAS摄像头数据和激光雷达数据有效融合。但是，对一级供应商和OEM来说，集成激光雷达传感器要比集成雷达和摄像头复杂得多。为了更好地实现集成、进行数据处理或降低成本，OEM还有很多工作要做。

红外热像仪/传感器可以“看”到远红外光谱（8~14µm），比较适合在暗光条件下工作。黄昏时因为光线较弱，人类驾驶员开车会感到困难，ADAS摄像头在阳光直射、深阴影和弱环境光条件下有时也会出现问题。采用红外传感器可以检测到生物和其他发热物体散发的热量，从而补充CMOS传感器，改善汽车的安全功能。最大的热像仪制造商FLIR一直提倡在ADAS中采用热成像技术作为补充，还展示了这种技术在实现更有效的自动紧急制动（AEB）和更好的行人检测时具备的优势。

• 全球导航卫星系统（GNSS）接收器：可以在数字地图上定位车辆，并利用互连来增强ADAS功能，这些对ADAS具备情境感知能力至关重要。但是，在某些情况下（高楼林立的城市街道、隧道、树下等），可能没有GNSS信号。因此，它越来越多地与其他定位系统配合使用。

• 里程表传感器：装在车轮上，用于记录截至最后一个已知位置的行驶距离。

• 惯性测量单元（IMU）：用于检测惯性变化，根据最近的已知位置计算当前位置。

上面列出的最后两个传感器是短距离感知的备用器件，当GNSS不可用时可以帮助估算车辆的位置，从而始终保持高精度定位。

除了ADAS，汽车连接性和E/E（电气/电子）架构也在不断变化。关于连接性，相关法规正推动大多数国家/地区到2023年实现基于5.9GHz频带的通信，如基本的车辆到基础设施（V2I）通信以及车辆到车辆（V2V）通信。5G连接将在先进的V2X中大显身手。

电子/电气架构

E/E架构一直以来都依赖多个不同的分布式汽车子系统，即电子控制单元（ECU）。通常每个ECU都提供一种功能，ECU之间几乎没有连接。这种方法目前在不太先进的E/E架构中仍然很普遍。但随着传感器数量和功能的增加，E/E架构将越来越多地采用功能域的概念，如用于信息娱乐、舒适性、动力总成、传感和安全性的特定域控制器。

奥迪是第一个在汽车（A8车型zFAS模块）中实现域控制器的OEM，其前置传感器（即远距离雷达、前向ADAS摄像头和激光雷达）都连接到该控制器。采用功能域控制器，ADAS等功能可以集成来自完全不同的传感系统的数据，并结合先进的神经网络计算，做出低延迟的正确决策，从而避免发生碰撞或其他灾难性事故。

雷达和摄像头在汽车中使用得越来越多，由此产生的营收有助于汽车行业从新冠疫情的危机中快速复苏。预计2021年雷达市场的营收将超过2019年，在2025年达到91亿美元，复合年增长率（CAGR）19％。摄像头市场的营收在2021年也将超过2019年，到2025年达到81亿美元，复合年增长率18％。但激光雷达市场的营收不会很高，因为目前只有一家OEM将这种传感器作为一种选择，而且还只是在部分车型中。其他OEM，例如宝马和沃尔沃，预计将在未来几年内跟上，但其应用仍将限于高端车型，因此数量也十分有限。在这种情况下，预计2025年激光雷达市场营收将达到17亿美元，复合年增长率为113％。

文章来源：ednchina Pierrick Boulay

编辑：ymf