在汽车电子领域减肥

随着越来越多的电子电路被添加到完全或部分由电池供电的汽车中，重量正成为汽车制造商关注的一个关键问题。因此，芯片制造商和原始设备制造商正在探索替代基板材料、不同类型的传感器融合，以及减少导线数量的新方法。

体重增加会降低电动或混合动力汽车的行驶里程。汽车芯片行业需要减重，同时仍要兼顾各项功能安全、可靠性和寿命目标。它必须在7纳米及以上的人工智能实验中实现这一目标。因此，oem开始探索不同的传感器架构和柔性电路板和芯片。

“每一克都很重要，”福特汽车公司位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的研究与创新中心执行董事德拉戈斯·马西卡在最近举行的微软stc FLEX 2019上说MEMS和传感器工业集团(MSIG)和主办的他说:“我们希望从这些用户那里得到的是5美元的激光雷达，并节省50%的重量。”

简而言之，目标是更轻的重量和360°的感知。

“由于汽车微电子系统的含量几乎呈指数级增长，这些传统系统组件的重量和空间要求将不再是可控的，”William Stone说布鲁尔科学．“很容易指出线路和电路板方面，并要求他们找到减轻重量的方法。传统的线束由于笨重的铜芯和厚绝缘体而异常笨重。同样，印刷电路板体积庞大，需要刚性支架来安装和稳定。”

但日益突出的问题是汽车上越来越多的传感器。Maciuca说，汽车上已经安装了100多个传感器。电动汽车的这一数字预计将增加到600辆左右，而全自动驾驶汽车的这一数字将再次增加。

为什么重量?多少钱，在哪里?
福特将技术分为四部分:自动驾驶、联网、电气化和共享，每一部分都会影响重量和成本。汽车的自动化程度越高，就越传感器是使机器人汽车驾驶所必需的。

TDK-InvenSense MEMS传感器业务集团生态系统高级总监尼古拉斯·索维奇(Nicolas Sauvage)表示，在无人驾驶出租车车队中，车内和维护监控将变得非常重要。“突然之间，你不能相信车里的其他人一直在检查一切。我相信你会开始看到更多的传感器来监控汽车本身的健康状况。”

例如，他预测舱内气体传感可以检测舱内空气的问题。这可能包括火灾、有人吸烟或高浓度一氧化碳的警报₂因为窗口已经好几天没打开了。这只是在船舱内。这款汽车还将监控驾驶和车内的许多功能。如果你不能相信一个人来检查汽车是否准备好驾驶，经验法则是增加更多的传感器。

不过，雷达、激光雷达和摄像头还是需要时不时地清理一下。“我们有几辆自动驾驶汽车，”德克萨斯农工大学无人系统实验室的副教授斯里坎斯·萨里帕利(Srikanth Saripalli)说。“它们都工作得很好，有一天我们拿出来测试，它就不工作了。我们不知道发生了什么。我们花了几天时间。我们测试了所有的东西，仍然不明白发生了什么。然后突然间，我们看到了我们拥有的激光雷达，我们安装在汽车顶部。我们看到很多虫子粘在上面。德克萨斯州有很多会飞的虫子。你必须每天清洁你的激光器。”

当自动驾驶汽车统治道路时，将减轻一些重量和成本。让司机从车里出来可以节省方向盘的重量和成本，也可以节省司机查看的所有东西。“你可能不再需要它了，”InvenSense的索维奇说。“实际上，你可能会开始大幅降低这些汽车的成本，也许到一定程度，当所有的无人驾驶汽车都开始不需要保险杠，因为这些车辆不会再相互碰撞了。”

Sauvage说，另一个例子是添加一个非常好的激光雷达/雷达解决方案，具有精确的飞行时间。“一旦你开始让所有无人驾驶汽车相互了解，也许你已经为它们建造了基础设施，在某种程度上，你就不会发生事故。如果不再发生事故，这辆车的成本可能会进一步降低。”

虽然总体重量将继续下降，但并不是所有东西都变轻了。“如果我们转向电动动力系统，突然之间，我们的传感器类型就会减少。但我们实际上会有更多这样的电池，因为现在每个电池都需要单独监控，我们需要温度、电压。”

有一件事我们是知道的:重量增加的速度正在加快，道格·布尔西基说，汽车市场开发总监Mentor是西门子旗下的企业“在大约40年的时间里，宝马5系的总重量增加了50%。在另一种情况下，仅在Golf SE >> e-Golf的一代进化中，EE系统的成本就增加了70%，重量增加了32%。”

其他体重因素
汽车电气化也带来了动力挑战，这对重量有直接影响。安森美半导体汽车战略副总裁Lance Williams表示:“随着我们向汽车电气化发展，我们现在谈论的不是小电流，而是瓦和千瓦。“这对汽车行业来说是一个巨大的变化，在这里你谈论的是毫安和安培。”

功率越高，需要的电池就越多。这是其中一个原因fpga在汽车行业很受欢迎。它们比多个组件耗电更少，因为它们都可以集成在一个芯片上。

“董事会占据了很大一部分权重，”阿里巴巴战略规划高级总监迈克•菲顿(Mike Fitton)表示Achronix．“如果你在一个模块中集成更多的东西，电路板就会更简单。电路板上的层数较少，可以使用较小的散热器。但是你也可以缩小FPGA的尺寸。FPGA是一种昂贵的减小外形尺寸和重量的方法。做到这一点的最佳方法是使用嵌入式FPGA的ASIC。这降低了功率，并允许您在需要时保持灵活性。”

如果电动汽车的重量更大，就需要更多的动力来运行。Burcicki表示:“电动汽车受到重量的严重影响，而重量正迅速变得越来越重要，因此对汽车工程师来说，重量是一个越来越重要的KPI，在电动汽车时代，重量有了新的含义——它相当于燃料效率，因为它对电池续航里程有线性影响，每个OEM都在追逐最终的‘增程’汽车，除了关注性能的人。”

传感器的重量
另一种看待这个问题的方法涉及到传感器的准确性。更少精确的传感器和电线可以减轻重量，但更多不准确的传感器可以提供更快的结果。两种方法都有各自的利弊。

意法半导体MEMS传感器事业部AMS集团副总裁兼总经理Andrea Onetti表示:“这取决于最终目标是什么，以及你想从传感器中得到什么。”“这一切都与能源和热量有关。考虑一件事——传感器为你提供信息。这些信息的质量各不相同。最后，你认为它是传感器本身的精度。这才是真正起作用的地方，因为你最终得到的输入质量可以减少事后处理的计算能力需求。”

这变成了一个越来越复杂的方程中的另一个变量。在哪里进行处理取决于需要移动多少数据，这些数据对安全的重要性，以及汽车将在哪里运行。例如，在中国，政府正在推动所有数据的集中，因此处理将在云中或某个中间点完成，而不是在汽车中。

“加工过程会产生热量——它会消耗能源，”Onetti说。“热量需要消散，而这种消散可能需要空间或方法或其他什么。如果我们从一个非常高的水平来看，理想情况下，你想要的是一个绝对精确的传感器，以提供理想的数据，大大减少对计算的需求。还要考虑到，如果数据质量不好，就需要进行不同的迭代。最后的迭代就是能量，而能量在最后可以重新转化为重量。”

Onetti认为传感器市场的不同领域开始受益于更精确的传感器，这对汽车行业来说是一个好处。“传感器变得至关重要，不仅仅是因为它的功能，还因为它带来的内在精度。你手机里的加速计因为你想要纵向或横向位置。你需要精确吗?不。如果你现在考虑在手机内部，你需要惯性传感器来帮助你在航位推算的情况下行走，即使是相同的组件，精度也要高得多。这意味着，尽管传感器的名称是相同的，但传感器要好得多。”

但更精确的传感器也会增加这些设备的成本，而汽车行业长期以来一直在让多个供应商相互竞争，以从供应链中榨取每一分钱。

长达数英里的电线
传统的线束即使在紧凑型汽车上也占用了大量的空间和重量。“线束是许多车辆中三个最重的子系统之一，在高负荷车辆中可达150磅，一般车辆中有100-120磅的线束是很典型的。这些车辆的平均重量约为3500磅。”“今天的豪华汽车包含大约1500 - 2000根铜线，总长超过1英里。从这个角度来看，在1948年，普通家庭汽车只有55根电线，总长度为150英尺。”

为汽车制造商提供线束的Yazaki等公司正在尝试不同的线材，比如铝与铜，以及多路复用。

Burcicki表示:“重量是汽车电子电气系统的‘三位一体’之一——重量、空间和成本——必须保持良好的平衡。“有很多使能技术(无线电力传输、光纤……)可以实现线束及其后续重量的减轻，但目前总是存在权衡，很难取代铜导体的成本和功能，因此，空间限制、重量和(线束和车辆的)可制造性将成为技术替代的最终驱动因素。”

但是电子行业该如何减肥呢?

Brewer Science的Stone表示:“柔性电路和印刷线路有可能取代这些部件，大幅减轻系统重量，同时使电子设备与汽车物理结构的集成更加无缝。”“光固化热塑性塑料扩大了可用于制造柔性电路基板的聚合物材料的范围，并且它们具有独特的能力，可以在成型或成型后稳定在所需的形状。这为生产符合汽车内部表面的电子系统创造了新的可能性。”

测试新的柔性电路可能是另一个问题，因为这些柔性电路板的标准刚刚形成。

然而，设计线路的工具正在改进。“一辆高级汽车可以有5000米的电缆，100多个ecu, 500个led等等。现在，设计这些复杂的E/E系统已经超出了人类的能力。Mentor是西门子旗下的企业写道。E/E系统的虚拟设计允许创建一个优化的架构平台，根据结构进行修正，降低成本和车辆重量。”

TDK-Invensense的Sauvage建议，减少电线的一种方法是将雏菊链传感器连接在一起。”现在你所看到的传感器与中央单元的连接方式将会产生很大的不同。当你开始有更多的传感器，你开始有——我想称它们为控制单元，它们可以是放在一起的微控制器，也可以是GPU或cpu——所有这些都将产生更少的电线。这意味着你甚至可以有一个系统，其中所有的传感器都像雏菊系统一样相互连接。将一个传感器连接到另一个传感器，该传感器再连接到另一个传感器，该传感器再连接到控制器。因此，电线不是多对一，而是一对一对一对一，以减轻重量。”

可靠性和冗余
虽然汽车行业致力于降低电子产品的重量和功率，但这些电路也必须足够可靠，才能用于安全关键系统。这给汽车制造商带来了一个难题，因为确保可靠性的最佳方法是通过冗余。这种方法已经在极端环境中得到了验证，例如在卫星中，锡晶须的生长已经被认为会导致短路，以及在今天使用远不那么复杂的技术的汽车电子设备中。

“对于我汽车的自适应巡航控制系统，我有四个摄像头来检测数据，”福特汽车销售和市场高级副总裁Gert Jørgensen说三角洲的ASIC。“我可以打开巡航控制，如果我前面有一辆车，那车就会减速，直到我达到合适的距离。当距离变长时，汽车又恢复到正常的巡航速度。为了让它工作，你有非常复杂的系统——摄像头、算法和冗余的东西。他们就是这么做的。他们赚得更多。就像以前在航天飞机上一样。他们制造冗余系统，然后投票。所以，如果四个人说一件事，一个人说另一件事，他们就会接受四个人说的话，并希望这是好的。这只是一种提高质量的方法——制造冗余系统。”

但冗余也会增加飞行器的重量，所以到处复制部件是不可行的。

该公司战略合作高级总监Jay Rathert表示:“当ecu开始磨损时，这将是一个问题。心理契约．“此外，所有的电缆线束都有重量。但如果你能摆脱它，把执行器连接到这些域控制器上，如果它们磨损了，你可以把它们像笔记本电脑一样换掉。最重要的是，软件更简单。”

这比看起来要复杂得多，因为用例和设计会有很大的不同。拉瑟特说:“这项任务可能需要45分钟才能完成，然后一整天都要休息。”“但如果你有一辆特斯拉，而且它是插着电的，有些部件就永远不会断开。如果你是一名优步司机，或者你在做长途卡车运输，你要运行7 x 24。如果芯片的设计寿命是12000小时，那就不是15年了。大约是1.5年。数字是一个暴政，而电子产品已经是第一个失败的项目。很多人已经承诺在未来几年内做好准备，有人预测这将对全球经济产生7万亿美元的影响。有很多人都希望它能成功。”

这给设计和验证带来了更多的负担，但也增加了对这些设备进行更彻底测试的需求。在这个时间点上，汽车测试是远非完美．

该公司首席市场开发经理乔伊•顿(Joey Tun)表示:“对于确定领先节点是否适合汽车行业而言，这将变得重要得多。国家仪器．“要做到这一点，你需要知道硅是如何失效的。它是因振动或温度而失效吗?你还需要对车辆的各个区域进行不同的测试，你还需要高精度的阻抗测量。”

这反过来又增加了开发过程的成本和时间。的主要目标之一ISO 26262就是让越来越多的自主功能优雅地失败。如果发动机控制系统出现错误，车上的另一个电子控制单元应该能够接管，将车辆驶离道路，并可能送往维修设施。

“在过去，当某件事失败时，你会寻找一种模式，然后找出问题所在，”安尼尔•巴拉(Anil Bhalla)说效果显著．“挑战在于，我们现在谈论的是系统层面的故障。第一个问题是，当您遇到故障时，如何诊断故障。然后你必须决定你需要采取什么行动。如果你改变了流程，你如何决定要改变什么?如果你在做一个系统级的测试，你不能只增加成本，所以现在你要增加其他的测试。然后你试图弄清楚如何微调流程以获得更高的可靠性。我们的目标是从每个插入点获取更多数据进行测试。”

这些设备还需要能够进行测试和检查，这对传感器等组件的封装方式产生了一些限制。

安森美半导体负责汽车战略的副总裁兰斯·威廉姆斯表示:“在任何情况下，包装都与汽车电气化一样重要，但它具有挑战性。”“我们可以做得非常非常小，但它受到检查能力的限制，以及焊点在整个循环过程中保持完整的能力。如果你看一部手机，你会说，‘好吧，为什么我们不能把所有的模块都做成那样大?“这是不可能的，相对于预期寿命和散热能力所需要的组件尺寸而言。”你也不仅仅是在处理环境温度的变化。我不知道每个人会怎么做，如果他们的车开过来说，‘嘿，我在太阳下坐得太久了。在我开始之前，你得让我冷静下来。“当我把苹果手机放在仪表盘上时，我偶尔会看到它。所以这些都是挑战，但我们正在研究不同的互连，不同的冶金化合物和相对于设备的构成。”

结论
在汽车领域，重量、可靠性、动力和高级功能都是紧密联系在一起的，随着汽车内部的电子设备越来越智能化，这些依赖和权衡将变得更加明显。

福特的Maciuca说:“这是一个变化的十年。”“在这个十年里，我们将看到汽车行业发生比过去100年更多的变化。”

-Ed Sperling对本文也有贡献。
故事于2019年3月15日星期五更新，添加了西门子业务Mentor的评论。