最近因為要去華盛頓特區的中國駐美大使館辦理簽證而有一次租車經歷,車型是2018年款福特(Ford)FUSION混合動力車。當筆者在高速上行駛時,注意到左右兩側的後視鏡有時候會出現黃色的圓點,剛開始還不知道這是什麼作用,行駛一段距離後才意識到這是用於兩側車道的車輛進入盲區的監測提醒。當我在休息區休整好準備再次上路,倒車時聽到聲音示警,儀錶板上顯示後面有車輛從左側行駛過來,提醒我停止倒車。回來後,在網站搜尋才知道,原來這是福特的視覺盲點偵測系統(BLIS)。

20191126NT61P1 (圖片來源:福特)

這種視覺盲點偵測系統是最近幾年出現的一種先進駕駛輔助系統(ADAS)功能,在福特、富豪(Volvo)、馬自達(Mazda)等中高階車型中都有配置。一位名叫George Platzer的人於1995年在提交給國際汽車工程師協會(SAE International)的一篇論文中首次提出一種解決盲點問題的方法。如果以特定的方式調整車輛兩邊的後視鏡,盲點是可以消除的,但他的方法並沒有受到重視,他後來申請專利並賣給了福特,開發出視覺盲點偵測系統,並陸續在福特、林肯(Lincoln)和富豪等品牌車型中裝配這種功能。

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配備有視覺盲點偵測系統功能的車輛一般在兩側的後視鏡下面或車尾兩側安裝雷達感應器,當側邊車道的車輛進入盲區時,相應的後視鏡出現醒目的亮點以提醒司機有車輛進入盲區,當車輛快速超過後亮點自動消失。除了監測兩側盲區車輛外,在倒車時從車道兩側駛來的車輛或行人也可以檢測到,會發出聲音警告,並在儀錶板上顯示後面有車輛或行人。

ADAS成為汽車半導體增長驅動力

ADAS是一種協助車輛駕駛人員在行駛或停車時預防人為失誤而提高安全性的電子系統,它以友善的人機互動介面來提高人員、車輛和道路安全。ADAS依賴多種資料來源的輸入而進行韻算處理並做出相應的決策和動作,包括汽車成像、光達(LiDAR)、汽車雷達、影像處理、電腦視覺,以及車載網路等。

常見的ADAS功能包括:自我調整巡航控制(ACC)、防鎖死煞車系統(ABS)、自動停車、自動導航系統、汽車夜視、盲點監控、防碰撞系統、駕駛員監控系統、駕駛員困倦監測、車道偏離警示(LDW)、胎壓監控、交通訊號識別等。隨著5G和車載網路的發展,車輛與車輛之間的互動資訊(V2V和V2X)也將成為ADAS的一個主要資料登錄源。

雖然今年全球汽車市場不景氣,美國和中國市場都出現不同程度的下滑,但ADAS卻以兩位元數的速度增長。從全球最大的汽車半導體供應商NXP的季度財報也可以看出這一趨勢,NXP今年前兩季的傳統汽車半導體業務相比去年下降明顯,但ADAS和電池管理系統(BMS)業務卻在快速成長。自2015年以來,NXP的ADAS業務年複合成長率達到50%,現已佔據整個營收的10%;預計到2021及以後幾年仍會以超過20%的速度成長。

BMS是汽車電子化新動力

2019年諾貝爾化學獎得主之一是97歲高齡的John Goodenough教授,他被尊稱為「鋰電池之父」。他發明的鈷酸鋰材料使得鋰電池成為可攜式電子產品的主要供電電源,從筆記型電腦、手機到各種電池供電的可攜式設備,極大地便利了人類的生活。鋰電池不但普遍用於電子產品,越來越流行的電動車(EV)也廣泛採用鋰電池。

鋰電池具有高電荷密度和重量輕的優點,數百個鋰電單元組合成電池組,可以達到300V電壓和300A大電流,以驅動電動車長距離行駛。但是,鋰電池組的充電和放電都需要嚴格監控,不能過充電但也不能欠放電。出於安全和效率考慮,每個電池單元的電壓和電流都需要監控。因此需要專門的BMS來監測電池組在充電、放電和車輛行駛過程中的動態監控管理。

從硬體結構來看,BMS有三種拓撲結構,即集中式BMS、分散式BMS和模組化BMS。無論哪種結構,其基本原理和功能都是一樣的,如下圖所示。

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電池管理系統可以監測以下主要狀態指標:

1.放電控制:電池單元的低壓不能低於某個額定值(比如3V),BMS要確保整個電池組的每個電池單元放電都不能低於3V;

2.充電控制:充電過程也需要監控,因為不適當的充電可能會損壞電池單元或降低使用壽命。鋰電池採用二階充電機制,第一階充電是恆流(CC)充電以便為電池提供恆定的電流;當充電接近飽和狀態時,進入二階恆壓(CV),這時就需要為電池提供恆定的電壓,而電流則比較小。整個充電過程中,BMS要確保電池不會超過限定電壓和電流。

其他監測參數還包括電量狀態指示、健康狀態指示、電池單元平衡、熱控制、精確度、處理速度和資料記錄等。

BMS元件目前還只是汽車半導體市場的很小一部分,但其增長速度驚人,而且潛力巨大。全球汽車製造商都在開發和生產更多型號的電動車,未來幾年對BMS元件的需求將呈現出爆炸式成長(因為保證電動車輛不因為電池故障而發生爆炸是政府機構、汽車廠商和消費者都關心的安全問題)。據NXP財報透露,雖然BMS業務只有5,000萬美元規模,但到2021年可望達到數億美元,這一細分市場還剛剛開始火熱起來,相信隨著電動車的普及,BMS將成為汽車半導體供應商新的增長驅動力。

本文為EE Times China原創文章