当前主流纯电动汽车，工况续航一般在400-500公里之间，不到1000公里宏伟目标的一半。即便是续航长达660公里的特斯拉Model 3长续航版，离1000公里还是有不小的差距。
大家可能会想，随着电动汽车产业规模扩大、电池成本进一步下降，到时候给车多装点电池，不就可以轻轻松松实现1000公里续航了吗？
在我之前的多篇文章中已经论述过[1][2]，这种“以量取胜”的狂堆电池策略是不可取的。原因有两点：
- 一是多堆电池会增加车重，两倍电池并不能实现两倍续航；
- 二是多堆电池下意味着每个车都背负着一两吨的废重在行驶，与节能减排的初衷背道相驰。
“以量取胜”的策略不可取，而应该“以质取胜”：从电池的角度来说，要提高能量密度，使得同等重量可以存储更多电能，这是最关键的技术因素之一
“以质取胜”并不仅仅指电池技术的突破，考虑到亚德诺半导体
是半导体技术的优秀知名企业，那今天咱们就从汽车电子的角度，来谈一谈半导体技术的发展如何帮助电动汽车更高效地用电 —— 如果用电效率提高、相同电量可以跑更长里程，那毫无疑问也是一种“以质取胜”。
没有半导体，汽车如何工作？—— 以油门踏板为例
即便没有半点专业知识的吃瓜群众都知道，燃油车的发动机得有个ECU才能工作，电动汽车的正常运转也离不开BMS，而ECU(Engine Control Unit)、BMS(Battery Management System)控制器都使用大量半导体器件。
所有汽车都离不开半导体器件，这已经成为一个常识。难以想象的是，没有半导体的汽车是如何工作的呢？
德国人Karl Benz发明第一辆汽车是1886年，比肖克利在硅谷发明晶体管的标志性事件早了半个多世纪，因此早期汽车绝无可能使用半导体，更不用说什么ECU了。如果没有ECU，那早期汽车是
如何感知驾驶员踩下多深油门踏板、如何控制发动机进气量的呢？方法非常简单粗暴：油门踏板连接着一根钢索，当踏板踩下时节气门阀门被钢索拉开，踏板松开时节气门被弹簧拉回恢复关闭状态；油门踏板深度就直接决定了节气门开度与进气量。如下图[4]。
其实上面这张示意图已经非常直观清晰了，但我知道大家肯定还是不爱看（毕竟还是工程图），所以我准备了一个更为直观的理解方式：早期汽车的驾驶员意图解释与转矩控制输入，其实就是将自行车刹车钢索与自动弹簧门组合在一起，一拉钢索门就开，放开钢索门自动合上。没有什么ECU，甚至不需要任何电信号！虽然很土，但很有效！
左：自行车刹车钢索 右：自动弹簧门
除了进气之外，还要控制喷油量，这稍微复杂一些，需要一个叫做“化油器”的东西。这个设计非常精巧、原理简单但工程复杂的机械部件，是很多汽车系本科生的噩梦。好在它已经被半导体器件给淘汰了，在汽车上已经基本找不到了。
问题来了，既然不依赖半导体与电信号也很有效，那为啥这种拉线式油门踏板最终被历史淘汰了呢？
是因为看起来太土了吗？肯定不是，刹车系统的主流至今仍然是机械液压系统，依赖电信号的Brake-by-Wire还未成为主流。
拉线式油门踏板系统被“油门踏板位置传感器+模数(AD, Analog to Digital)转换模块+信号处理与决策+电子节气门执行器”的基于半导体器件的电子式油门系统淘汰，主要是因为后者有如下优势：
- 动力一致性：拉线式系统中，不同温度、气压、负荷状态下，踩下同样深度的油门输出的转矩竟然是不同的！那样的话，驾驶员去适应一辆新车就没那么容易了，需要较长时间的磨合。而基于半导体器件的电子式系统中，温度、气压、负荷等变量在“信号处理与决策”环节会综合考虑，使得发动机在相同深度油门下的转矩输出是相同的。
- 更好的油耗与排放：与上一条的逻辑相同，电子式系统可以更好地控制发动机燃烧状态，从而实现更低的油耗与排放。更不用说，诸如缸内直喷(GDI, Gasoline Direct Injection)的先进发动机技术必须以电子式油门踏板系统为基础，否则根本实现不了。
- 高级功能的兼容性：与拉线式系统相比，电子式系统是一种drive-by-wire系统，它才能支持一些高级的动力控制功能，例如当代的自适应巡航控制(ACC, Adaptive Cruise Control)，以及未来的各级别自动驾驶技术。
可见，即便仅仅是少了油门踏板位置传感器&AD转换模块这一个小小的半导体器件，都会导致包括ECU在内的整个动力控制系统失效，对汽车的性能与功能影响巨大。
我们不妨设问一个假想问题：如果半导体器件从未被发明，那如今的汽车会长什么样子？也许那样的汽车更有蒸汽朋克范儿，但性能与功能肯定都大打折扣。
当代汽车的传感器
注：首先需要说一下，传感器未必是基于半导体原理，但每个传感器都必然配备一个半导体的AD转换模块，将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，便于控制器处理。
历史不能假设，事实上半导体器件在汽车上的应用越来越多，而且保持着两位数的增长速度。每辆车上仅传感器就多达平均150个[5]，在汽车电动化、智能化、互联网的趋势下这个数字可能还会倍增。
下面这张图展示了，传感器几乎遍布汽车每一个位置。从动力系统(Drivetrain)、安全性(Safety)、舒适性(Comfort)这3个角度，对这些传感器作一概括性的举例：
- 动力系统：油门踏板传感器(Accelerator-pedal sensor)、氧传感器(Lambda oxygen sensor)、(变速箱)速度传感器(Speed Sensors)等。
- 安全性：用于气囊起爆或ABS功能的加速度传感器(Acceleration sensor)、用于ESP的横摆率传感器(Yaw-rate sensor)和方向盘转角传感器(Steering-wheel-angle sensor)等。
- 舒适性： 用于空调系统的空气质量传感器(Air-quality sensor)和温湿度传感器(Humidity/temperature sensor)等。
在汽车电动化、智能化、互联化(智能座舱)的趋势中，汽车需要的传感器数量大幅增加，在此简单举几个例子：
- 电动化：电机控制器内的功率器件、用于电机控制的旋变(Resolver)转角位置传感器、用于BMS的电压、电流、温度传感器等。
- 智能化(自动驾驶)：用于感知外界信息的超声波传感器(Ultrasound sensors)、激光雷达(Lidar)、图片传感器(Imaging sensors)、惯性单元(IMU, Inertial Measurement Unit)等。在当前的自动驾驶初级阶段，可以说负责感知的各种传感器是技术迭代的决定性因素。
- 互联化(智能座舱)：用于驾驶员监测的3D人脸建模传感器等。
对续航有增益的传感器&AD转换技术
唔，本想简单回顾一下车用半导体器件的历史，结果似乎扯得有点远了。咱们还是回到主题，对电动汽车续航有增益的传感器&AD转换技术有3个：
- 驱动：提高电机效率的转子位置测量。
- 能源：提高电池寿命(维持续航的稳定性)的BMS电压、电流、温度测量。
- 感知：能够降低百公里能耗的自动驾驶技术所需要的感知能力。
一、提高电机效率的转子位置测量
驱动车辆行驶的电机是电动汽车的用电大户。电动汽车的电池容量有限，能省一点就要省一点，所以提高电机效率特别重要。
提高电机效率，除了要从电机设计、功率器件等方面努力之外，还有一个特别重要的就是转子位置的测量精度。
为什么这么说呢？咱们以永磁同步电机为例，它的工作原理其实特别简单，下面是我的一种可能不严谨，但非常直观的理解方式：转子可以理解为是一根永磁体，定子产生旋转的电磁场“引诱”转子跟它一起转，如下图所示[6]。
定子磁场与转子磁场
注：实现上定子磁场与转子磁场是平行的，上图成90度角只是科普理解方便而做的示意图
定子产生旋转的电磁场，是需要消耗电能的，必须想办法把电用在刀刃上。怎么才叫用在刀刃上呢？ 图中的定子磁场与转子磁场垂直时，定子的牵引力就全部用来吸引转子旋转了。
要做到这一点，定子必须精确地知道转子的位置。如果定子对转子的判断失误会怎么样？就会出现右图的情况：定子磁场不垂直于转子磁场，一部分牵引力被浪费掉了。由此可见，转子位置测量的精确程度，直接影响电机效率与续航里程。
注：上述科普逻辑大量简化了细节，如果稍微详细一点讲述位置传感器测量不准确对续航的影响，主要是指下面3个方面：
1)如果转子位置测量不准确，定子就会产生一定的无功分量(在最大转矩电流比控制策略(MTPA,Maximum Torque Per Ampere;)下，相当于进入非预期的弱磁(增磁)控制状态)，效率相应会下降。
2)如果转子位置测量不准确，在相同电流下能够产生的最大输出转矩降低，这就相当于配置了大电机却只实现了小电机的功能，降低了电机的功率密度，给车辆增加了额外的重量，从而影响续航。
3)如果转子位置测量不准确，那么相应的转矩控制精度会降低，会对整车级的能量优化策略产生影响。特别是对于混动车来说，转矩控制不精确意味着转矩协调策略的执行有误差，达不到能量优化的最佳效果。
而电机的转子位置测量，无论是位置传感器还是配套的AD转换模块都存在巨大的挑战：
- 转速特别快：车用电机转速非常快，可达18000转/分。也就是说，在一秒旋转300圈的情况下，还要求转子位置测量精确，想想都不容易。
- 精度要求高：位置测量直接关系着电机效率，因而对精度要求高。与之相比，油门踏板传感器精度差点也没关系，只要可靠性高。
- 可靠性要求高：这东西可不能坏，必须经久耐用、质量可靠，因为谁也不想打开电机去更换传感器。
- 工作环境严苛：高低温环境、振动大、干扰多。
汽车上用于雨刷位置测量的电位式位置传感器(Potentiometer sensors)与曲轴位置测量的霍尔位置传感器(Hall sensors)，均不能很好地满足电机位置测量的技术需求。
左：Potentiometer sensors工作原理 右：Hall sensors工作原理 图片来源[5]
这时候，工程师想到了变压器的原理：传统变压器原理也很简单，原边绕组与副边绕组的相对位置固定，因而输出与输入电压比是常数；如果让其中一边绕组旋转起来，相对位置变化，那电压比就是一个变量。
不同的相对位置决定了电压比，那反过来，通过电压比不就可以推算出相对位置了吗？真是天才的想法！
下图来源[7]
可变磁阻式旋变原理图与输出信号 图片来源[7]
因为使用了变压器原理，所以这种传感器被称为旋转变压器(Resolver)，简称旋变。敲黑板了，旋转变压器并不是为了升压或降压的，而是用来测量位置的。
传感器的问题解决了，模拟信号采样与转换的难题接踵而来。咱们回想一下电位式位置传感器，其实就是咱们初中学的滑动变阻器的原理，位置与电位一一对应，信号采样与转换就特别简单。
与电位式位置传感器不同，旋变的输出信号比较复杂（上图右），这时候就需要性能高、质量可靠、成本低的AD转换器了 —— 旋变并非基于半导体原理，但旋变想要高效工作必须要依赖于半导体的AD转换器配合。
在旋变解码芯片方面，值得称道的是
亚德诺半导体
拥有业内领域的专利方案。
二、提高电池寿命的电压、电流、温度测量
当消费者希望有一辆续航1000公里的电动汽车的时候，想要的是这辆车能够安全地、稳定地开1000公里，而不应该是时刻担心自燃风险，或者是担心用不了几次续航就跌到700公里，而是希望这辆车能够安全地、持久稳定地续航1000公里。
前者就是锂电池的安全性(Safety)问题，后者是锂电池的寿命衰减问题(SOH, State of Health)。无论是安全性问题，还是寿命衰减问题，都依赖于精确、可靠的SOC(State of Charge)估计，而SOC估计则需要高水平的锂电池电压、电流、温度传感器与AD转换技术。这些测量的信号与锂电池安全性/寿命的关系包括但不限于：
- 安全性：通过SOC曲线特性在线诊断锂枝晶(Lithium Stripping)，是预防快充带来的热失控安全风险的一种潜在方法[8]。这对SOC估计的精度要求很高，而续航1000公里的电动汽车肯定要上快充或超快充技术的。一些前瞻性的热失控预警算法也依赖于精确的SOC估计或精确的电压、电流、温度数据测量[3]。
- 寿命： 日常监控电芯，以避免出现过压、过温或欠压等损害电池寿命的状态；通过精确的SOC曲线特性在线诊断锂枝晶，是预防快充带来的寿命衰减风险的潜在方法[8]；在充电时监控电压、温度，避免进入能够导致电池寿命衰减的工况[9]。
精确测量SOC、温度等数据来确定最大充电电流，避免出现寿命衰减的情况 图片来源[9]
三、高等级的自动驾驶可提升续航
一般认为，自动驾驶的主要功能是解放驾驶员的双手，可能并未意识与续航也有关系。
大家都知道，在讨论续航的时候要考虑“驾驶循环”。驾驶循环与路况有关，高速路况、城市普通路况、城市拥堵路况下的续航肯定差别很大；驾驶循环也与驾驶习惯有关，在相同的路况下，老司机能够提前做出加速、刹车、变道判断，避免急踩油门急刹车的情况出现，从而比新手司机开出更高的续航。
不同驾驶循环做个对比：相同的一辆电动汽车，60km/h等速续航600公里，NEDC综合工况续航可能只有450公里，真实工况可能勉强开得到400公里。
当前国标测试续航的NEDC综合工况
当前驾驶员能够用得到的自动驾驶，还处于较为低级的L2级别，提供的是诸如PCS预碰撞控制系统( Pre-Collision System)、LDA车道偏离预警系统(Lane Departure Alert)、全速域DRCC雷达巡航系统（Dynamic Radar Cruise Control）、LDA车道偏离预警系统(Lane Departure Alert)等功能，在使用这些功能时驾驶员必须双手放在方向盘上，还不能完全解放。
注：关于自动驾驶L1至L5的5个级别的定义，参见这篇文章[10]
将来自动驾驶达到L4甚至L5级别的时候，车辆AI才算是真正达到”神极老司机”的状态，不仅能解放驾驶员的双手，还能实现更高的安全性和续航。自动驾驶的”神极老司机”可以通过以下畅想中的效应来提高续航：
- 高级驾驶控制：自动驾驶使用激光雷达等传感器“眼观八方”，遇到红灯时以最优效率提前减速，避免出现刚踩油门又要踩一脚刹车的情况；在按时到达目的地的前提下，根据风速、坡度、负荷来规划最优效率的续航轨迹，而这通常是人类无法完成的工作；更进一步的，若车与车之前也实现了互联通信，就可以提前预知周围车辆的动力变化，提前做出效率优先的加速或刹车决策，从而进一步优化续航。
理想中的自动驾驶包括V2V通信
- 优化整体路况：理想状态下，若大部分车辆都实现了自动驾驶，那意味着城市交通状况变得有序很多，不仅可以杜绝违反交通规则、杜绝交通事故，还能从全局着手进行每辆车的路径规划，使得城市内的车辆都像轨道交通一样尽量接近匀速行驶。
车-路-城协同的自动驾驶
若上述自动驾驶的理想状态得以实现，那么400公里的真实续航提升到600公里的等速续航，实现30%-50%的续航提升，也不再是幻想。
如果不依赖自动驾驶对续航的增益，仅指望电池技术的革命来实现1000公里续航，那至少还需要提升100%的能量密度，这个指标听起来真的是压力山大，即便是锂固态电池也难以达到。
但如果三五年后自动驾驶也达到比较理想的状态，对续航有个30%的提升，那对电池能量密度就只需要提升50%了就可以达到1000公里的真实续航了，这个指标听起来还比较现实。
当然，千里之行始于足下，在自动驾驶从L2级向L3级迈进的紧要关头，用于感知环境的各种传感器的技术水平与产业化程度就成了关键因素：比如毫米波雷达、惯性单元、激光雷达等等。
助力汽车电动化的亚德诺半导体
汽车中的半导体器件无处不在，在汽车电动化、智能化、互联化的趋势中会扮演越来越重要的角色。虽然半导体很重要，但它们在汽车中作为基层零部件往往被消费者忽视，就像大部分吃瓜群众买个智能手机，也不会关心摄像头的图像传感器用的哪个品牌。
这些扮演着越来越重要的角色但却被忽视的半导体公司中，有一家叫亚德诺半导体@亚德诺半导体。它的英文缩写很特别叫ADI，第一次听到这个名字时我就觉得它应该是一家AD转换器产品的大佬，毕竟名字如此霸气就叫”Analog Devices, inc”。
事实的确如此，ADI的产品以性能好、可靠性高闻名业内，用起来很放心，几乎不会出什么幺蛾子故障。ADI的产品不仅仅是AD转换模块，而是面向汽车电动化、智能化、网联化形成了完整的解决方案。
ADI在汽车电动化方面的解决方案
在汽车电动化方面，非常值得一提的是ADI针对汽车能量管理的完整解决方案：
ADI针对汽车能量管理的完整解决方案
- 监控IC产品LTC6811: 可在290μs内测12路电流/电压，精度达1.2mV，业界极快的转换速度和极佳数据保护。
- 数字隔离器iCoupler®: 高速率下最低功耗性、封装尺寸小、通道选项多，所需组件量和占用电路板面积都最小。
- 集成电源数字隔离器isoPower®:隔离电源和多通道数字隔离功能，与分立式DC至DC隔离器加数字隔离器的方案相比，成本更低、占用面积更小。
关于BMS，ADI还有一个很有意思的概念产品：基于SmartMesh网络的无线BMS系统，有效减少了电池包内部的线速数量，使电池包内的布置更加方便；同时将总线网络变换为无线网络，可降低总线网络的共因失效的风险，提高系统可靠性。
此无线BMS系统应用在了宝马i3概念车上，很期待将来应用在量产车上的潜力。
ADI在2018德国慕尼黑电子展现场展出的无线BMS概念车
除BMS外，ADI还有检测电机速度、角度和位置的的磁阻方案(xMR)，相当于上文所述的旋转变压器。
ADI高精度马达控制检测方案
在汽车智能化(自动驾驶)方面，ADI也提供雷达、激光雷达和惯性单元等关键技术方案：
- ADI雷达：覆盖24GHz和76-81GHz完整频段，在现今开发的所有雷达模块中占到50%.
- ADI激光雷达：收购Vescent，志在提供质高价低的纯固态激光雷达。
- ADI惯性单元：高稳定性和超低噪声，高达十个运动自由度，从战术级降维至车规级开发的IMU，堪称业界超优方案。作为百度Apollo的重要合作伙伴，为全球首款L4级量产自动驾驶巴士阿波龙提供IMU用于惯性导航。
小结
总之，电动汽车要实现1000公里续航，主力军还是要靠锂电池技术的突破、能量密度的大幅提高，但作为侧翼部队，半导体技术的贡献同样不可忽视。
就像宁德时代作为锂电池供应商声名鹊起一样，在汽车电动化、智能化、互联化的趋势下，半导体技术对汽车的重要性将越来越强，像亚德诺半导体这样的先进半导体器件供应商将来也可能会被消费者所熟知。
閱讀更多 木辛書屋 的文章
