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半导体

智能安全新能源汽车核心芯片发展潜力巨大

新能源汽车具有智能、安全、节能的优势,因此成为近3年内最具应用前景的汽车智能化技术。根据国际能源署(IEA)2011年发布的《电动汽车(EV)与插电式电动车(PHEV)技术路线图》,新能源汽车市场将进入高速发展时期,市场份额迅速扩大。

新能源汽车市场潜力巨大

我国积极推动新能源汽车发展,智能安全的新能源汽车成为发展的重点。

为了减少大气污染,我国积极推动新能源汽车发展,北京等多个城市推出电动汽车补贴优惠政策,新能源汽车市场潜力巨大。在这样的背景下,智能安全的新能源汽车成为发展的重点。

智能安全的新能源汽车可以从以下几个方面考虑,一是车身控制。驾乘感受是司机比较在意的,如乘坐舒适性。代表是魔力车身控制系统,前置摄像头会自动扫描前方15米的路面状况,智能调节悬架的软硬高低,提供最佳的乘坐舒适性;二是主动安全,主动安全技术能提升驾驶安全性,而典型主动安全系统则包括了盲点检测、车道偏离警告、自适应巡航、泊车辅助等等;三是手势控制。通过手势就能达到控制汽车的目的,其中谷歌手势控制专利是代表技术;四是智能电量管理。纯电动、混合动力等电驱动汽车的电能需要高效管理,更加安全可靠的供能,并且减少能量损耗,提高使用寿命;五是高级胎压监测。轮胎压力对行车安全和车辆燃油经济性非常重要,胎压监测系统负担着检测胎压的重任。未来的胎压传感器不仅要能够检测胎压,还应具有更多功能,例如检测胎纹深度。

核心芯片研发是技术关键

新能源汽车应用步伐加快,安全是基础,智能是趋势,核心芯片研发是技术关键。

新能源汽车应用步伐加快,安全是基础,智能是趋势,核心芯片研发是技术关键,目前核心芯片主要包括电池管理芯片(BMS)、胎压监测芯片(TPMS)和车身控制芯片(BCM)。

电池管理系统(BMS)是电池和用户间的纽带,能够实时准确监控电池包的电压电流温度信息,估算电池状态,并有异常报警、均衡控制、热管理等功能,保证电池高效安全使用。多起电动汽车自燃事故的发生,愈加凸显BMS对安全的重要作用。随着新能源汽车市场蓬勃发展,BMS需求必将急速增长,研发已是热点。

BMS可以分为分立方案和集成方案 。传统分立方案在国外起步早,国内公司也推出了许多产品 ;集成方案基于电池管理芯片,芯片集成了采集系统,及保护预警等功能 。基于电池管理芯片的优点是能够提高集成度 、提高检测精度速度 、高可靠性 、减少系统面积和功耗 、简化系统设计 。缺点是检测精度需进一步提高、大多芯片不能直接估算电池状态 、核心电池管理芯片基本被国外垄断 。国外公司已推出电池管理芯片有Linear的LTC6802、TI的BQ系列和ADI的AD7280等。

感知型BMS芯片面临诸多挑战

感知型BMS芯片在研发时面临诸多挑战,我国正在积极开发BMS专用感知型电池管理芯片。

目前感知型BMS芯片在研发时面临诸多挑战。首先,从串联电池电压高精度快速同步检测来看,磷酸铁锂电池电压曲线平坦期电压变化小,电压检测精度需要达到1mV左右。 动力电池工作电流高度动态,须在同一时刻检测上百个电池单体的参数和状态 。尽快完成全部电池单体检测,保证实时性。其次,从电池状态估计算法研究和感知集成来看,监控电池状态,需要知道能表示电池容量、老化等信息的电池状态,如电池荷电状态SOC(State of Charge)、电池健康状态SOH(State of Health)。一方面,要建立准确的电池模型和提高电池状态估算精度。基于双卡尔曼滤波方法,联合估计SOC、SOH,提升精度;另一方面,电池状态估计算法片内集成 。软硬件协同设计,考虑芯片计算能力、功耗、面积等 。再次,从片内电池主动均衡设计来看,存在电池单体不一致性、主动均衡和被动均衡的问题。电池均衡要求低损,快速,准确。感知型BMS芯片是基于电池状态的智能均衡电流分配策略,提高均衡效率。 最后,从芯片高可靠性设计要求来看,车用芯片ESD保护要求较高。根据JEDEC 22-A114D,消费类电子芯片承受ESD放电电压一般为2000V;根据AEC-Q100-002-REV-D,车用芯片承受ESD放电电压最高为8000V。

目前清华大学微电子学研究所正在开发BMS专用感知型电池管理芯片,它将采集电池参数、估算电池状态。该芯片可以实现以下功能,高精度电池参数采集,检测精度达到国际先进水平;片内完成电池状态估计算法,实现感知集成;片内集成智能电池主动均衡设计;异常预警、安全管理等。该感知型BMS芯片将使用上海先进半导体制造股份有限公司的汽车电子工艺。

在研发过程中,第一步实现了BMS分立系统设计。搭建BMS分立元件系统,实现基本功能;基于单片机的硬件电路完成基本电压电流温度采集功能;电池电压检测精度设计。第二步实现第一代电池管理芯片设计。片外完成状态估计算法;高精度ADC和基准源设计;汽车动力系统级高可靠性设计;电池状态估计算法研究。第三步是实现第二代电池管理芯片设计。片内实现电池状态计算;高效电池主动均衡;汽车动力系统级高可靠性设计;电池状态估计算法研究

我国有望实施TPMS强制标准

预计我国近期将实施强制性标准,我国每年将至少安装1.2亿套TPMS。

2007年9月美国新车强制安装TPMS;2012年11月欧盟规定新汽车平台加装TPMS,2014年欧盟所有新车安装TPMS;2011年7月我国实施推荐标准。预计我国近期将实施强制性标准,我国每年将至少安装1.2亿套TPMS。

针对汽车轮胎压力监测系统TPMS,清华大学开展了TPMS研发四部曲,一是取代进口英飞凌SP30芯片 (有电池);二是取代进口英飞凌SP37芯片(有电池);三是自主设计国际领先无电池TPMS;四是高级胎压监测 。

高级胎压监测系统的核心技术是无电池直接胎压监测技术。该系统拥有更加丰富的功能,能与车辆通信系统融合,实现了轮胎智能化。第一,准确实时的测量轮胎的压力和温度数据 ;第二,测量胎纹深度,轮胎载荷,抓地力等数据,提供轮胎的当前变形程度的信息 ;第三,数据通过胎压信息系统发送到主控单元,主控单元计算出轮胎的剩余寿命。提醒必要的时候可以进行轮胎更换。

高级胎压监测与车辆通信系统密不可分,而车辆通信系统是车联网的主要组成部分之一。高级胎压监测以车辆通信系统和车联网为依托,将胎压监测信息系统与车联网密切结合,开启了全新的前景。

车胎充气系统与智能手机结合。高级胎压监测系统主控单元会通过无线方式与智能手机连接;通过车胎充气辅助系统,实现精确的胎压控制,不受充气站的充气泵不能准确测量胎压的影响;合适的胎压不仅能减少滚动阻力,降低油耗,延长轮胎寿命,还能提升驾驶的舒适性和安全性。

车身控制BCM包括整车、模块和BCM芯片三部分。车身控制其芯片研发及产业化应用项目已经纳入核高基。

基于安全可靠的32 位嵌入式CPU 核,研发车身控制芯片及开发平台,通过可靠性考核;基于该芯片,开展车身控制器、网关控制器的软硬件协同设计及嵌入式软件适配技术研究和原型产品开发; 产品通过整车联合单位电气台架测试、整车集成验证、道路试验验证,并在国内自主品牌如北汽B40、B80、C30、C50 和上汽AP13、AS21 等核心车型中实现配套,配套数量达到10 万套。

清华大学微电子学研究所提出并设计实现了全芯片ESD保护网络,并基于上海先进汽车电子工艺设计开发了多款ESD保护电路和EMI滤波器,已在汽车TPMS控制芯片中获得应用。

我国汽车电子芯片全部依赖进口,亟需国产芯片。希望各界能够加强合作,把握新机遇,开创新未来。

(本报记者孙鸿凌根据“第十二届(上海)汽车电子暨智能汽车论坛”发表演讲整理,未经本人确认。)

责任编辑:陈炳欣


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