汽車生產(chǎn)的格局正悄然發(fā)生變化。近年來，現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中的電子設(shè)備和傳感器的使用數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。而隨著汽車行業(yè)持續(xù)向電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)型，這個(gè)趨勢(shì)還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)張。電動(dòng)汽車的核心技術(shù)拓展了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。另外，內(nèi)燃機(jī)汽車氣體傳感器已經(jīng)從廢氣監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向內(nèi)部空氣質(zhì)量 （IAQ） 測(cè)量。

本期推文將為您介紹電氣化和自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)型如何擴(kuò)大傳感器技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的作用。

電氣化和對(duì)傳感器的影響

隨著汽車廠商從內(nèi)燃機(jī) （ICE） 生產(chǎn)轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì) （xEV），傳感器在汽車中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。IHS Markit的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，到2030年，不同xEV車型的數(shù)量可能會(huì)從目前的約335種增加到800種。立法、政府激勵(lì)措施和不斷完善的充電基礎(chǔ)設(shè)施更是為電動(dòng)汽車的發(fā)展提供了額外利好刺激。

為此，汽車廠商需要在把握時(shí)機(jī)，在短時(shí)間內(nèi)建立行業(yè)合作伙伴關(guān)系，才能成功地將這些新的傳感器技術(shù)融入到汽車設(shè)計(jì)中。TDK的統(tǒng)一傳感器組合包含全面的傳感器套件，能滿足各種汽車應(yīng)用需求。產(chǎn)品組合不僅能適合傳統(tǒng)的ICE應(yīng)用，還能滿足擴(kuò)展的xEV要求。其中包括下列12款：

汽車內(nèi)部采用閉環(huán)反饋機(jī)制來監(jiān)測(cè)和控制機(jī)械、電子或機(jī)電過程。而這些系統(tǒng)需通過傳感器或傳感器組合輸入信息，提供與監(jiān)測(cè)過程有關(guān)的數(shù)據(jù)。比如，對(duì)于車輪、車軸和電機(jī)的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，需要通過測(cè)量轉(zhuǎn)速來生成輸入數(shù)據(jù)。汽車內(nèi)還通過其他反饋系統(tǒng)來控制溫度、電流和壓力。在這些系統(tǒng)中，無需要特定的傳感器或傳感器組合 （傳感器融合） 來提供相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

TMR

隧道磁阻 （TMR） 傳感器廣泛用于汽車中的各種應(yīng)用，比如用來檢測(cè)方向盤的扭矩或角度、電機(jī)/軸的位置、eCaliper制動(dòng)系統(tǒng)和雨刷驅(qū)動(dòng)。TAS系列TMR傳感器具有輸出高、功耗低、角度測(cè)量精度好、溫度漂移低的特點(diǎn)。TMR元件包含三層結(jié)構(gòu)：最下面是固定磁層，上面是自由層，中間是隔離上下兩層的勢(shì)壘層 （由薄絕緣體制成）。自由層的磁化方向隨外部磁場(chǎng)的變化而變化。當(dāng)固定層和自由層的磁化方向平行時(shí)，元件電阻最小。反之，當(dāng)兩層磁化方向相反時(shí)，元件電阻最大。

圖1：TDK TAS系列TMR

霍爾傳感器

霍爾傳感器用于檢測(cè)垂直磁場(chǎng)條件下半導(dǎo)體內(nèi)部流動(dòng)的合成電壓差。通過這種方式，霍爾開關(guān)可將測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度與預(yù)先定義的電平，或傳感器中可編程的電平做對(duì)比。一旦發(fā)現(xiàn)電平過高 （開關(guān)點(diǎn)），傳感器的輸出就（找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城）會(huì)改變。TDK的霍爾開關(guān)系列具有可編程和固定選項(xiàng)。霍爾開關(guān)還能與永磁體結(jié)合使用，以間接測(cè)量變量，比如轉(zhuǎn)速、速度、距離、壓力、角度和液位。TDK的3D HAL?像素單元技術(shù)是專為多維磁場(chǎng)測(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)的HAL 39xy直接角度傳感器的核心。這些傳感器能精確地測(cè)量磁場(chǎng)，并且對(duì)雜散磁場(chǎng)不敏感，采用基于霍爾板陣列的獨(dú)特設(shè)計(jì)理念。比如，可編程3D位置傳感器HAL 3930。

xEV中的電池、充電電路和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件的熱管理就是傳感器在爆炸環(huán)境中發(fā)揮重要作用的一個(gè)典型示例。為了最大限度延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛里程，需確保傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件在不同的溫度范圍內(nèi)工作，比如電池的工作溫度比電源逆變器低得多，而電機(jī)中的磁鐵在高溫時(shí)會(huì)失去磁性。為達(dá)到冷卻效果，采用了多達(dá)8個(gè)LIN總線控制的電子閥來直接這些組件進(jìn)行液冷。這些閥門可由嵌入式電機(jī)控制器HVC 4223F結(jié)合3D位置傳感器HAL 3930來控制。當(dāng)使用HVC 4223F直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器電機(jī)時(shí)，HAL 3900可位置反饋以實(shí)現(xiàn)控制回路閉環(huán)。

溫度傳感器

溫度傳感器不僅要確保測(cè)量精度，還要快速響應(yīng)區(qū)域內(nèi)的溫度波動(dòng)，以避免熱失控和隨之而來的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)或給電動(dòng)汽車充電時(shí)，連接器內(nèi)接觸電阻小幅增加就可能導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)破壞性的溫升 （Pv=I2R）。為此，TDK專門推出一種可直接安裝在汽車電池和逆變器之間的連接器上的溫度傳感器。這是一個(gè)熱點(diǎn)，是大電流流動(dòng)時(shí)最容易引發(fā)升溫的區(qū)域。

圖2：適用于xEV直流充電槍的耐高壓溫度傳感器

NTCG系列和B57xxxV5系列傳感器封裝在一個(gè)堅(jiān)固的多功能外殼，設(shè)計(jì)成連接器核心的一部分。該傳感器是采用陶瓷外殼封裝的負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 元件，可確保高工作溫度和卓越的電氣絕緣性能。通過這種定位方式，可優(yōu)化傳感器對(duì)任何溫度波動(dòng)的響應(yīng)速度。同時(shí)反過來又加快了充電或傳動(dòng)系統(tǒng)電路的響應(yīng)，從而快速限制流經(jīng)電路的電流來緩解溫升。

壓力傳感器

壓力傳感器，如C43/C44系列，可用于測(cè)量鋰離子電池內(nèi)的壓力，在xEV電池管理系統(tǒng) （BMS） 同樣至關(guān)重要。這些傳感器可跟蹤電池的工作壓力，并向BMS報(bào)告異常的壓力增加。這類傳感器的響應(yīng)時(shí)間短，可以比單獨(dú)的溫度傳感器更快地檢測(cè)和報(bào)告電池內(nèi)由熱事件引起的壓力增加。

自動(dòng)駕駛的轉(zhuǎn)型之旅

除了向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型的巨大轉(zhuǎn)變，先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 的可靠性和功能也在不斷演進(jìn)，推動(dòng)汽車向更高水平的自動(dòng)駕駛邁進(jìn)。傳感器對(duì)此類系統(tǒng)的完整性至關(guān)重要，并且通常以組合方式工作 （傳感器融合）。這些傳感器為系統(tǒng)提供了可靠、準(zhǔn)確、全面的車輛周圍環(huán)境視圖。

這些系統(tǒng)會(huì)受到車輛振動(dòng)的影響，必須通過電子穩(wěn)定系統(tǒng)來確保輸出。使用慣性測(cè)量單元 （IMU），比如IAM-20680，可以補(bǔ)償系統(tǒng)的外來振動(dòng)影響，并相應(yīng)改善結(jié)果。通過改進(jìn)各種傳感元件、LIDAR、雷達(dá)和攝像頭產(chǎn)生的圖像質(zhì)量，能強(qiáng)化系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。IMU還能為V2V車對(duì)車通信系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施提供精確的定位數(shù)據(jù)。此外，IMU還可以增強(qiáng)定位系統(tǒng)的航跡推算功能，比如汽車行駛在隧道中或人口密集的市區(qū)等傳統(tǒng)GPS/GNSS信號(hào)弱或不可用的地方。

數(shù)字駕駛室的座艙體驗(yàn)

在駕駛室內(nèi)，可使用各種傳感器和電子設(shè)備來提高乘客的舒適度、安防性和安全性。比如根據(jù)不同的司機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)座椅，下雨時(shí)自動(dòng)打開雨刷，天黑或汽車在隧道中行駛時(shí)自動(dòng)亮燈。高品質(zhì)的IMU可穩(wěn)定倒車影響，改善駕駛體驗(yàn)和ADAS的準(zhǔn)確性。所有這些先進(jìn)的基于傳感器的系統(tǒng)都旨在通過限制干擾來提高駕駛員的注意力。

此外，駕駛員與機(jī)器之間的人機(jī)界面 （HMI） 頁(yè)正在發(fā)生改變。在數(shù)字駕駛室內(nèi)，語音指令、手勢(shì)控制和觸覺反饋成為了新界面的一部分。而隨著我們自主性水平的不斷提高，新技術(shù)有望在駕駛室內(nèi)率先替代通知和控制機(jī)制。TDK的SmartAutomotive?產(chǎn)品線下轄一系列MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器和麥克風(fēng)，專為汽車市場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并通過相關(guān)測(cè)試。其中MEMS麥克風(fēng)可通過路噪主動(dòng)控制 （RANC） 來消除道路噪音，提高聲控系統(tǒng)的可靠性。

PowerHap?壓電執(zhí)行器能為司機(jī)提供觸覺反饋，是一種在車載觸控顯示屏中應(yīng)用中日益普及的技術(shù)。它能在使用數(shù)字按鈕等信息娛樂功能時(shí)，增強(qiáng)真實(shí)感，提高操作可靠性。為了防止司機(jī)因看屏幕而分散注意力，我們不僅提供觸摸技術(shù)，還提供超聲波傳感器以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制。

未來技術(shù)

胎壓管理系統(tǒng)在汽車設(shè)計(jì)中并非是一項(xiàng)新功能。但是，現(xiàn)在的技術(shù)不僅能監(jiān)測(cè)胎壓，還能顯示關(guān)于“輪胎橡膠在何處接觸路面”的其他信息。TDK的InWheelSense?是一種新的、可擴(kuò)展的技術(shù)，能精確測(cè)量許多“車輪上”和“車輪外”的參數(shù)，比如胎壁溫度、路面條件和車輪定位條件等等。這個(gè)可擴(kuò)展的壓電驅(qū)動(dòng)傳感器平臺(tái)能向車輛或云端服務(wù)傳輸數(shù)據(jù)，而隨著駕駛自動(dòng)化水平的提高，該功能也變得越來越重要

審核編輯黃宇