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汽车安全技术如何实现零伤亡

发布时间:2020-07-02 发布时间:
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汽车安全一直都是大家关注的话题,随着去年中国取代美国成为最大汽车销售国,无论是汽车企业、零部件供应商还是中国的普通消费者,对安全问题的关注度都在与日俱增。汽车安全性所涉及的范围很广,大到专门的安全配置,小到每个零部件、每块钢板,每个焊点甚至是焊点位置。从当前的技术发展趋势来看,从被动安全、主动安全、主动安全功能集成再到主被动安全功能集成,汽车安全技术正朝着“零伤亡”的方向不断努力。

被动安全和主动安全

被动安全中的安全气囊市场发展极为迅速,并将成为当前以及未来几年间最广泛使用的安全技术。“2015年,中国汽车市场安全气囊的普及率将超过90%,安全气囊技术正在日趋成熟。”飞思卡尔全球汽车营销经理Marc Osajda表示。

目前,包含正面气囊的辅助防护安全系统(SRS)已经成为很多中档轿车的标准配置。随着侧面安全气囊、帘式安全气囊等气囊数的增多,SRS正在向更先进的气囊系统发展。“未来的趋势,将是低档轿车中将两个正面气囊作为标准配置,而中高档轿车中将出现六个或更多气囊以及安全带预紧器。”英飞凌科技亚太有限公司汽车电子事业部安全系统市场高级经理Francis Foo说。

上世纪90年代早期,汽车安全气囊系统大量采用MEMS加速计,这也促成了MEMS设计的第一波发展浪潮。作为安全气囊加速计领域的领先企业,飞思卡尔近期推出了多款MEMS产品,包括MMA5xxxW卫星碰撞加速度计、业内首款以QFN封装形式提供的PSI5 X或Z轴卫星惯性传感器、针对安全气囊ECU的MMA68xxQ双轴碰撞传感器以及MC33789安全气囊系统基础芯片(SBC)。而ADI也表示,其高集成MEMS(加速度传感器和陀螺仪集成到一起的ADXRS8XX,低g值和高g值的加速度传感器集成到一起的ADXL2XX)也将于不久的将来研发完成。

“未来MEMS传感器的发展趋势仍然是减小体积、增强可靠性和提高灵敏度。”Marc Osajda表示,“这是一个被称为‘传感器融合’或‘系统级封装’的新时代。主、被动安全系统的融合带来了新的挑战,可以通过把不同传感器集成到单个封装中(如陀螺仪加低加速度传感器)来解决这些问题。”飞思卡尔所使用的全面集成的TPMS系统级封装,包括4个晶片:压力传感器、加速度传感器、一个8位微控制器(MCU)和RF发射器。

“同安全气囊一样,防抱死制动系统(ABS)虽然在发达国家中已经被公认为是标准配置,但是在中国等发展中国家的发展潜力仍然十分巨大。”Francis Foo补充道,“而如EPS、TPMS等其他安全系统也获得了足够的市场重视。这四个主要的安全系统目前占据了全球汽车安全系统的绝大部分份额。”

未来汽车安全技术需要给车辆提供前、后、左、右360度的安全保护,用德尔福公司的说法,就是需要给车辆提供360度的安全屏障(Safety Cocoon)。其所使用到的技术包括:

1. 自适应巡航系统ACC、前向碰撞预告警系统FCW、碰撞缓解和避撞系统AB/ABA;

2. 车道偏离告警系统LDW、驾驶员车道保持能力告警LKP、主动夜视系统ANV、前大灯控制系统AHC、交通标志识别系统TSR;

3. 车辆盲区检测、换道辅助、车辆追尾预告警;

4. 车辆后视影像系统、智能泊车辅助系统。

在上述众多先进技术中,最典型的是车道偏离和前撞预警,其技术基础是视频和雷达。据ADI大中华区汽车电子商务经理李防震介绍,目前中国本土的安全模块供应商以及大学,已经研发出以视频技术为基础的车道偏离和夜视功能,不过采用雷达技术还处在一个开始阶段。

“确实,目前使用新式雷达和成像技术的防撞型预防式安全技术,在采用方面仍处在初期阶段,”Atmel亚太区及日本RFA业务营销总监Goh Yan表示,“仅有几家主要OEM厂商开始将该技术作为一项安全选配。”

“主动安全产品与其它汽车电子产品相比很大的不同,在于前者的性能与路况、交通状况特别是驾驶员的驾驶习惯有关。”德尔福(中国)科技研发中心安全系统新产品开发部门经理沈骏强博士在这里特别强调,“因此,将一个在北美和欧洲开发完善的主动安全系统原封不动拿到中国市场来,不一定是最佳方案。供应商必须针对中国的实际情况进行二次开发,不仅调整标定参数,还要修改核心算法。同时,也需要在中国的路面上进行大量试验和数据采集及分析。”

德尔福目前的电子扫描雷达ESR和智能前视视频系统IFV,能够提供对车辆的前向安全保护。ESR雷达是多模式电子扫描雷达,提供长距离和中距离两种覆盖范围。基于ESR雷达可以构建具备起停功能的ACC系统、FCW系统、AB/ABA系统。IFV是一个集成了摄像头和处理器的视频系统,尺寸小但功能强大,可以安装在挡风玻璃后,提供LDW、LKP、ANV以及基于视频的FCW系统。同时,ESR雷达信号和IFV的视频信号还可以进行融合,提供基于数据融合的FCW和AB/ABA系统。据Marc Osajda介绍,飞思卡尔在该领域也在不断创新,其针对盲点监测(BSP)或自适应巡航控制的RF雷达解决方案正在开发中。

安全系统的复杂性毫无疑问为芯片供应商带来的更多的挑战。“关键的需求和挑战将集中在提供技术方面。”德州仪器汽车电子产品中国区高级经理顾雷表示,“故障安全设计特性(如:冗余和内置安全自查)要求我们提供更高的集成度和复杂度。”

不可或缺的高性能微处理器

在主动安全技术中,信号处理同上面提到的信号采集同样重要。主动安全技术大量采用了复杂的数字和模拟信号处理,以及图像处理和模式识别技术。要处理这些复杂的算法,需要高性能的微处理器或DSP作为软件运行的平台。

目前,英飞凌的16位MCU XC2300系列被广泛应用于包括EPS、ABS以及安全气囊等各种安全系统中,该系列MCU性能从低端的38引脚64K闪存到高端144引脚1MB闪存。XC2300系列具有可扩展性及涵盖众多汽车电子安全系统的兼容性,而且软硬件可重复使用。该产品系列配备高性能的CPU,在80MHz时每秒可处理高达8,000万条指令。XC2300灵活的USIC(通用串行接口通道)可配置为UART、LIN、缓冲SPI、I2C总线或I2S接口。而MultiCAN(CAN 2.0B现行版本)则可通过三个CAN节点提供最多64个可灵活分配的消息对象,并具有网关功能。此外,英飞凌针对该领域还提供8位XC800和32位TriCore MCU系列。

飞思卡尔针对安全气囊、助力转向和ABS/ESP应用,提供一整套Power Architecture微控制器,其中MPC564xL是其最新产品,专门优化电子助力转向、车辆稳定控制及驾驶员辅助等安全应用。双核MPC564xL包含两个“通道”,其中每个通道都包括一个内核、总线、中断控制器、内存控制器和其他内核相关的模块。与当前采用的双MCU方法相比,成本更低。此外,针对ADAS应用的MCU目前也正在开发中。

Atmel的MCU能够在严苛的Grade 0条件下工作,非常适合汽车引擎盖下的应用。其功能强大的8位或者32位微控制器可为安全系统提供处理能力,而一款通信控制器则可用于汽车电子系统内不同传感器模块之间的重要通信。

李防震表示:“当前客户对辅助驾驶系统的开发需求不仅限于芯片技术层面,应用和系统软件层面的资源与支持也必不可少。”为此,ADI特意开发了新一代DSP(BF6XX)芯片,很多数据处理由硬件完成,从而减少了客户的软件编程工作量。

事实上,几乎所有电子解决方案都会涉及到软件开发,而拥有更多后台运行软件的情况也正在不断增加。对于传统的被动安全,由于系统的集成度越来越高,ECU的开发会比以往复杂,但是由于所用的芯片具有一定的兼容性,而且都采用了标准协议,所以虽然复杂程度提高,但是却带来了更高级的安全功能以及更低的成本,而且这也是技术发展的趋势。

此外,Goh Yan还认为,在汽车内增加模块化系统,并不会像很多人想的那样增加ECU算法的复杂性,反之,采用模块化概念可以降低复杂性。因为在这种情况下,每个控制盒都管理自己的电子装置和软件。而采用CAN等数字总线和LIN总线,这些模块之间的通信亦被简化。

汽车安全法规情况

按照Marc Osajda的想法,现代汽车中部署安全系统主要源于两个因素的驱动:一是严格的法规要求车辆制造商实施电子安全系统。例如,FMVSS要求在美国必须安装电子稳定控制系统和胎压监测系统,欧洲也将强制执行。而考虑到所有车辆和道路使用者的利益,预计类似法规也将在中国实施。

二是客户需要更安全的车辆。NCAP规定,按照法律要求,车辆安全得分是做出买车决定时必须考虑的一个因素。对于正在打算购买车辆的消费者来说,安全气囊和ABS/ESP是最基本的要求。

事实上,电子安全系统以及它们对人类福祉所具有的直接影响,开始面临日益严苛的要求。即将推出的功能性安全标准ISO26262将应用到汽车行业,以确保汽车的电子系统完全安全。这些新要求影响着整个产品开发流程,并且对汽车电子协会(AEC)AEC-Q100或ISO-9000质量要求也同样产生着影响。工程师从一开始设计流程,就必须收集证据来证明该产品是根据法规标准进行开发的。

李防震表示,作为芯片供应商,ADI的所有产品一定要通过国际认可的测试标准,如TS16949/AEC-Q100等标准;芯片在做成模块后还要有一系列测试如EMI/EMC等,车子在出场之前还有很多安全的测试,如NCAP等。为了使安全得到保证,各国政府也出台了相应法规去强制企业安装相应的功能。

“从系统标准方面来讲有ISO标准,”沈骏强介绍,“所以德尔福开发主动安全系统的一个最基本前提是满足ISO标准。从法规方面来讲,北美和欧洲都有相关主动安全方面的法规和车辆安全评价标准。譬如NCAP标准针对前向预碰撞告警等都有相关的测试要求和通过标准。中国汽车电子市场在法规方面在紧跟欧美,除了已经实施的被动安全方面的法规外,在主动安全特别是在行人保护方面有相关的建议性法规出台。”

虽然中国汽车电子行业目前已经全面启动了“汽车电子标准化”工作,在新能源汽车方面国家也将出台相应的政策法规鼓励和规范这个正在发展中的行业,但事实上,中国汽车电子标准化工作与国外相比仍明显滞后,产品开发缺少规范,这也影响着整个产业的发展。

除了安全法规,中国汽车市场还有一些独到的特色。“中国市场与其它新兴市场的一个主要区别就是,中国消费者期望每一辆汽车都拥有所有最新电子器件和功能,而其它一些市场只希望有基本配置的汽车。”顾雷表示,“这反过来也会推动中国市场开发数量惊人的新产品,与成熟西方市场相比,产品开发周期也非常快。” 

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