xEV開啟感測器發展新契機

2023-03-15
作者 Jeroen Van Ham,ICsense資深業務開發經理

近期在汽車設計中所使用的電子產品和感測器數量正迅速呈指數級增加。隨著這一產業持續轉向電動車(EV)和自動駕駛,這種情況只會加速發展…

近期在汽車設計中所使用的電子產品和感測器數量正迅速呈指數級增加。隨著這一產業持續轉向電動車(EV)和自動駕駛,這種情況只會加速發展。同時,伴隨著電氣化發展之勢,這些技術的應用也會相應發生變化。採用混合動力和電池驅動設計的各類型電動車(xEV)由於必須在充電和傳動系統電路中針對電流和溫度進行反應控制,因而為感測器部署開啟了新機會。

隨著外部感測器以及連接能力推動xEV的自主性不斷增強,新的關注重點將放在增強車載體驗的感測器應用和技術上。

閉迴路反饋機制用於監控和管理汽車內部的機械、電子或機電過程。為了針對此類系統提供輸入、傳遞系統觀察的過程等資訊,感測器在此扮演關鍵角色。例如,以車輪、車軸和馬達為例,這些資訊可能採取循環資料的形式。工程師著眼於具有低功耗要求、出色的角度精度和極小溫度波動的角度感測器。最初於1975年發現的穿隧磁阻(TMR)感測器技術能夠發揮這一作用。

圖1顯示構成TMR元件的三層基本結構:固定磁性層、自由層以及由薄絕緣體組成的阻障層。自由層所暴露的外部磁場會影響磁化程度。當兩層磁場對齊時,該元件具有低電阻;而當兩層磁場相反時,則電阻高。

 

圖1:TMR角度感測器的基本設計。

(來源:TDK Electronics)

 

相較於TMR感測器,電子開關中常用的霍爾感測器非常適合成本敏感型應用或檢測更強的磁場。它們提供元素的間接測量,包括旋轉、速度、距離、角度和液位。當磁場垂直施加於半導體時,這些元件就會拾取在半導體內流動的電壓變化。測得的磁場強度即相當於預設級或可在感測器中編程的強度,當達到此閾值(切換點)時,感測器的輸出將會發生變化。

電氣化對感測器的影響

隨著汽車製造商從內燃機轉向xEV,感測器在電動車內部的部署區域正在擴大。根據IHS Markit預測,到2030年將會有800款xEV車型,相形之下,目前約為335款。

熱管理對於xEV中的電池、充電電路和傳動系統元件至關重要。持續的挑戰之一在於如何防止熱失控以及隨之而來的火災風險。工程師需要精確的溫度感測器,以便密切監控這些位置的熱點,並迅速做出回應。由於xEV的運行或充電涉及大電流,連接點的接觸電阻即使稍微增加也會導致災難性的溫度升高(Pv=I2R)。汽車電池和馬達逆變器之間的連接器更是一個具有高電流的特殊熱點。

 

圖2:在為xEV充電的過程中,可靠的熱管理至關重要。

(來源:TDK Electronics)

 

為了因應上述挑戰,設計人員傾向於在這些熱點中選擇耐高壓的負溫度係數(NTC)感測器,因為它們具有較高的工作溫度和電絕緣性。此外,由於NTC感測器可以直接放置在熱點上,因而能快速地檢測到任何溫度變化。來自這些感測器的資料用於限制通過充電或動力傳動系統電路的電流,從而將溫度降低到應有的程度。

xEV電池管理系統(BMS)中同樣重要的元件是壓力感測器,主要用於測量鋰離子電池內部的壓力,監控工作壓力並向BMS發出異常壓力升高的警示。這些感測器的響應時間比單獨的溫度感測器更快,董重於檢測並報告在電池內部熱事件引起的壓力峰值。

朝向自動駕駛邁進

除了過渡至電動車對於汽車設計帶來發生翻天覆地的變化,先進駕駛輔助系統(ADAS)也正朝著提高自動駕駛等級的方向發展。為了提供車輛周圍環境的完整影像,工程師傾向於結合使用光達(LiDAR)、雷達和攝影機等,以「感測器融合」共同運作。但是,這些成像系統會受到車輛振動的負面影響,導致其輸出訊號扭曲。穩定這些成像感測器輸出的方法之一是使用六軸慣性測量單元(IMU)。該方法是擷取影像資料和IMU資料,並應用軟體技術來補償由運動引起的任何失真。

IMU也有助於開發導航系統的工程師,它可在GPS訊號不可用或不可靠時進行補強。陀螺儀和加速度計輸出融合在一起,以確定車輛的位置,稱為航位推算(deck reckoning)。這種技術有助於解決GPS在可用性和可靠性方面的差距,例如穿越隧道或在城市和拒絕GNSS訊號的環境中運作。

 

圖3:當GPS/GNSS訊號無法使用時,六軸IMU可增強定位系統。

(來源:TDK Electronics)

 

數位駕駛艙

在駕駛艙中使用感測器和電子元件,能夠大幅改善乘客的舒適度、安全性和防護力。例如開始下雨時,雨刷和車燈會自動打開,座椅可以根據不同的駕駛人進行調整。透過IMU能夠穩定倒車攝影機影像、提高ADAS的準確度,同時增強駕駛體驗。這些基於感測器的尖端系統藉由減少分心駕駛,有助於提高駕駛人的注意力。

使用者介面也在不斷發展中。在數位駕駛艙中,語音指令、手勢控制和觸覺響應都構成了這個新介面的一部份。隨著業界朝向更高等級的自動駕駛進展,新技術推動了替代通知和控制機制。例如,工程師正採用基於MEMS的麥克風,透過使用道路雜訊主動控制(RANC)消除道路雜訊,從而提高語音控制裝置的可靠性。

 

圖4:數位駕駛艙提升駕駛體驗。

(來源:TDK Electronics)

 

在車輛的觸控顯示器中越來越廣泛地使用壓電執行器。它們為駕駛人提供觸覺,即所謂的觸覺反饋功能。除了觸控觸覺反饋,MEMS超音波感測器的新技術發展則有利於手勢控制。

(參考原文:xEVs Opening New Opportunities for Sensor Development,by Jeroen Van Ham)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年3月號

 

 

 

 

 

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