適合新型汽車應(yīng)用的傳感器

電氣化和對傳感器的影響

隨著汽車廠商從內(nèi)燃機(ICE)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向混合動力和純電動汽車設(shè)計(xEV)，傳感器在汽車中的應(yīng)用范圍不斷擴大。IHS Markit的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，到2030年，不同xEV車型的數(shù)量可能會從目前的約335種增加到800種。立法、政府激勵措施和不斷完善的充電基礎(chǔ)設(shè)施更是為電動汽車的發(fā)展提供了額外利好刺激。為此，汽車廠商需要在把握時機，在短時間內(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，還能滿足擴展的xEV要求。
其中包括：

汽車內(nèi)部采用閉環(huán)反饋機制來監(jiān)測和控制機械、電子或機電過程。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)測過程有關(guān)的數(shù)據(jù)。比如，對于車輪、車軸和電機的監(jiān)測應(yīng)用，需要通過測量轉(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，比如用來檢測方向盤的扭矩或角度、電機/軸的位置、eCaliper制動系統(tǒng)和雨刷驅(qū)動。TAS系列TMR傳感器具有輸出高、功耗低、角度測量精度好、溫度漂移低的特點。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壘層(由薄絕緣體制成)。自由層的磁化方向隨外部磁場的變化而變化。當固定層和自由層的磁化方向平行時，元件電阻最小。反之，當兩層磁化方向相反時，元件電阻最大。

圖1：TDK TAS系列TMR

TAS系列

霍爾傳感器

霍爾傳感器用于檢測垂直磁場條件下半導體內(nèi)部流動的合成電壓差。通過這種方式，霍爾開關(guān)可將測得的磁場強度與預(yù)先定義的電平，或傳感器中可編程的電平做對比。一旦發(fā)現(xiàn)電平過高(開關(guān)點)，傳感器的輸出就會改變。TDK的霍爾開關(guān)系列具有可編程和固定選項。霍爾開關(guān)還能與永磁體結(jié)合使用，以間接測量變量，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)是專為多維磁場測量應(yīng)用而設(shè)計的HAL 39xy直接角度傳感器的核心。這些傳感器能精確地測量磁場，并且對雜散磁場不敏感，采用基于霍爾板陣列的獨特設(shè)計理念。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)揮重要作用的一個典型示例。

為了最大限度延長電動汽車的行駛里程，須確保傳動系統(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，而電機中的磁鐵在高溫時會失去磁性。為達到冷卻效果，采用了多達8個LIN總線控制的電子閥來直接這些組件進行液冷。這些閥門可由嵌入式電機控制器 HVC 4223F結(jié)合3D位置傳感器HAL 3930來控制。當使用HVC 4223F直接驅(qū)動執(zhí)行器電機時，HAL 3900可位置反饋以實現(xiàn)控制回路閉環(huán)。

溫度傳感器

溫度傳感器不僅要確保測量精度，還要快速響應(yīng)區(qū)域內(nèi)的溫度波動，以避免熱失控和隨之而來的火災(zāi)風險。當驅(qū)動或給電動汽車充電時，連接器內(nèi)接觸電阻小幅增加就可能導致其內(nèi)部出現(xiàn)破壞性的溫升(Pv = I2 R)。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。這是一個熱點，是大電流流動時最容易引發(fā)升溫的區(qū)域。

NTCG系列和B57xxxV5系列傳感器封裝在一個堅固的多功能外殼，設(shè)計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)化傳感器對任何溫度波動的響應(yīng)速度。同時反過來又加快了充電或傳動系統(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系列系列，可用于測量鋰離子電池內(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報告異常的壓力增加。這類傳感器的響應(yīng)時間短，可以比單獨的溫度傳感器更快地檢測和報告電池內(nèi)由熱事件引起的壓力增加。

自動駕駛的轉(zhuǎn)型之旅

除了向電動汽車轉(zhuǎn)型的巨大轉(zhuǎn)變，先進的駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的可靠性和功能也在不斷演進，推動汽車向更高水平的自動駕駛邁進。傳感器對此類系統(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、準確、全面的車輛周圍環(huán)境視圖。這些系統(tǒng)會受到車輛振動的影響，必須通過電子穩(wěn)定系統(tǒng)來確保輸出。使用慣性測量單元(IMU)，比如IAM-20680，可以補償系統(tǒng)的外來振動影響，并相應(yīng)改善結(jié)果。通過改進各種傳感元件、LIDAR、雷達和攝像頭產(chǎn)生的圖像質(zhì)量，能強化系統(tǒng)的準確性。IMU還能為V2V車對車通信系統(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信號弱或不可用的地方。

數(shù)字駕駛室的座艙體驗

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)不同的司機自動調(diào)節(jié)座椅，下雨時自動打開雨刷，天黑或汽車在隧道中行駛時自動亮燈。高品質(zhì)的IMU可穩(wěn)定倒車影響，改善駕駛體驗和ADAS的準確性。所有這些先進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，駕駛員與機器之間的人機界面 (HMI) 頁正在發(fā)生改變。在數(shù)字駕駛室內(nèi)，語音指令、手勢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制。TDK的SmartAutomotive?產(chǎn)品線下轄一系列MEMS運動傳感器和麥克風，專為汽車市場應(yīng)用而設(shè)計，并通過相關(guān)測試。其中MEMS麥克風可通過路噪主動控制(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，增強真實感，提高操作可靠性。為了防止司機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現(xiàn)手勢控制。

未來技術(shù)

胎壓管理系統(tǒng)在汽車設(shè)計中并非是一項新功能。但是，現(xiàn)在的技術(shù)不僅能監(jiān)測胎壓，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、可擴展的技術(shù)，能精確測量許多“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。這個可擴展的壓電驅(qū)動傳感器平臺能向車輛或云端服務(wù)傳輸數(shù)據(jù)，而隨著駕駛自動化水平的提高，該功能也變得越來越重要。

總結(jié)

電子設(shè)備和傳感器在現(xiàn)代汽車設(shè)計中的作用正在迅速擴大。電動汽車在充電和傳動系統(tǒng)電路中需要響應(yīng)電流和溫度控制，開辟了新的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域。

TDK不僅能為汽車應(yīng)用提供一整套傳感器，還具備深厚的專業(yè)知識，能為汽車廠商和一級供應(yīng)商部署傳感器技術(shù)提供指導和協(xié)助。TDK致力于建立建設(shè)性的合作伙伴關(guān)系，并歡迎那些希望提高當前傳感器應(yīng)用性能、為新應(yīng)用設(shè)計傳感器或兩者兼而有之的客戶前來咨詢。

審核編輯：湯梓紅