電氣化和ADAS中傳感器的發展

汽車的另一個發展趨勢是使用的傳感器越來越多。

在CASE趨勢下，傳感器主要應用在兩個方面：電氣化和ADAS功能，后者包含自主、定位和車聯萬物（V2X）。增加傳感器是新的電氣/電子（E/E）系統架構和ADAS系統發展的一部分。與排放控制一樣，政策法規也在推動安全性能的改進，歐盟新車安全評鑒協會（NCAP）、美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）及歐盟均制定了相關法規。

為了實現汽車電氣化，越來越多的磁（電流）傳感器被用于電池監控（電池管理系統）。EV的發展降低了對ICE的依賴，這可能會對傳統的動力總成壓力傳感器（監測來自MAP、BAP、變速箱油和GPF等的壓力）產生不利影響，但這種情況長遠來看會得到改善。目前，具有混合動力總成的HEV為傳統傳感器和新型傳感器的集成提供了最佳切入點，這些傳感器包括用于平視顯示器（HUD）的光傳感器、用于車輪扭矩的磁傳感器、用于里程表和導航的慣性傳感器、用于動力總成監控的壓力傳感器，以及用于電動動力總成的電流傳感器等。

除了電氣化，ADAS是促使所有類型的車輛中傳感器增加的另一個因素。為了賦予汽車更多的自主性，汽車需要發展其自身的情境感知能力。為此，車輛需要適當的傳感器來仿真人類對環境的感知。

但是我們應該清楚，消費汽車市場中用于ADAS的傳感器套件與Waymo、Cruise等出行即服務（MaaS）業務模型中用于完全自主的傳感器大不相同。后者采用高成本、高性能、工業級傳感器和先進的處理平臺，其成本和能耗都超過消費類汽車一個數量級。雖然其成本增加了，但技術相當先進，因而車主愿意承受。而對ADAS來說，關鍵則是以低成本提供優良的性能。下面列出了一些重要的ADAS傳感器：

• 圖像傳感器：正成為ADAS中最重要的傳感器。攝像頭就像是汽車的眼睛，幾乎都采用了互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器。汽車攝像頭搭載率的不斷提高，有助于實現不同功能：

前視：從一個長距離攝像頭發展到三個攝像頭，擴大了視野，也擴展了ADAS的作用范圍。

環視：從僅僅實現倒車和停車輔助功能的后置攝像頭，發展到環繞汽車的360°視野，可提供更好的情境感知能力（包括倒車、在狹窄空間停車、轉彎和其他操作）。

• 駕駛員監控：根據歐盟NCAP 2025的規劃，駕駛員監控系統被提上日程（2020年開始），用來監控駕駛員因飲酒、疲勞而引起的注意力分散和身體不適，以降低安全風險；同時還可以監控乘客、檢測被遺留在車內的孩子或動物，以避免中暑等意外。雖然這種座艙監控技術在市場上占主導地位，但是也有其他技術與之競爭，如熱傳感器、飛行時間（ToF）或雷達。

• 超聲波傳感器：可近距離檢測障礙物或行人，其主要功能是輔助停車和避免碰撞，也可用于座艙信息娛樂系統的手勢識別功能。當然，也有與之競爭的其他技術，如ToF攝像頭。

• 雷達：仍然是測量相對距離和速度的最佳傳感技術。過去幾年中，強制實施自動緊急制動（AEB）在很大程度上推動了雷達的發展。現在，雷達技術不斷提高其角分辨率，相關廠商都在努力開發3D雷達（博世、大陸集團已經發布了相關產品）或4D成像雷達，以及單片微波集成電路（MMIC）解決方案。

• 激光雷達（LiDAR）：是最新進入汽車生態系統的傳感器。激光雷達可以在黑暗中工作，并精確監控周圍環境，是實現更高級感知功能所需的傳感器。為了檢測物體深度，以及檢測近處和遠處的物體，需要將ADAS攝像頭數據和激光雷達數據有效融合。但是，對一級供應商和OEM來說，集成激光雷達傳感器要比集成雷達和攝像頭復雜得多。為了更好地實現集成、進行數據處理或降低成本，OEM還有很多工作要做。

紅外熱像儀/傳感器可以“看”到遠紅外光譜（8~14μm），比較適合在暗光條件下工作。黃昏時因為光線較弱，人類駕駛員開車會感到困難，ADAS攝像頭在陽光直射、深陰影和弱環境光條件下有時也會出現問題。采用紅外傳感器可以檢測到生物和其他發熱物體散發的熱量，從而補充CMOS傳感器，改善汽車的安全功能。最大的熱像儀制造商FLIR一直提倡在ADAS中采用熱成像技術作為補充，還展示了這種技術在實現更有效的自動緊急制動（AEB）和更好的行人檢測時具備的優勢。

• 全球導航衛星系統（GNSS）接收器：可以在數字地圖上定位車輛，并利用互連來增強ADAS功能，這些對ADAS具備情境感知能力至關重要。但是，在某些情況下（高樓林立的城市街道、隧道、樹下等），可能沒有GNSS信號。因此，它越來越多地與其他定位系統配合使用。

• 里程表傳感器：裝在車輪上，用于記錄截至最后一個已知位置的行駛距離。

• 慣性測量單元（IMU）：用于檢測慣性變化，根據最近的已知位置計算當前位置。

上面列出的最后兩個傳感器是短距離感知的備用器件，當GNSS不可用時可以幫助估算車輛的位置，從而始終保持高精度定位。

除了ADAS，汽車連接性和E/E（電氣/電子）架構也在不斷變化。關于連接性，相關法規正推動大多數國家/地區到2023年實現基于5.9GHz頻帶的通信，如基本的車輛到基礎設施（V2I）通信以及車輛到車輛（V2V）通信。5G連接將在先進的V2X中大顯身手。

電子/電氣架構

E/E架構一直以來都依賴多個不同的分布式汽車子系統，即電子控制單元（ECU）。通常每個ECU都提供一種功能，ECU之間幾乎沒有連接。這種方法目前在不太先進的E/E架構中仍然很普遍。但隨著傳感器數量和功能的增加，E/E架構將越來越多地采用功能域的概念，如用于信息娛樂、舒適性、動力總成、傳感和安全性的特定域控制器。

奧迪是第一個在汽車（A8車型zFAS模塊）中實現域控制器的OEM，其前置傳感器（即遠距離雷達、前向ADAS攝像頭和激光雷達）都連接到該控制器。采用功能域控制器，ADAS等功能可以集成來自完全不同的傳感系統的數據，并結合先進的神經網絡計算，做出低延遲的正確決策，從而避免發生碰撞或其他災難性事故。

雷達和攝像頭在汽車中使用得越來越多，由此產生的營收有助于汽車行業從新冠疫情的危機中快速復蘇。預計2021年雷達市場的營收將超過2019年，在2025年達到91億美元，復合年增長率（CAGR）19％。攝像頭市場的營收在2021年也將超過2019年，到2025年達到81億美元，復合年增長率18％。但激光雷達市場的營收不會很高，因為目前只有一家OEM將這種傳感器作為一種選擇，而且還只是在部分車型中。其他OEM，例如寶馬和沃爾沃，預計將在未來幾年內跟上，但其應用仍將限于高端車型，因此數量也十分有限。在這種情況下，預計2025年激光雷達市場營收將達到17億美元，復合年增長率為113％。

文章來源：ednchina Pierrick Boulay

編輯：ymf