編者按：芯智駕──集萃產(chǎn)學(xué)研企名家觀點(diǎn)，全面剖析AI芯片、第三代半導(dǎo)體等在汽車“大變形”時(shí)代的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)！
林志穎駕駛特斯拉Model X發(fā)生嚴(yán)重的交通事故，再度引爆了市場(chǎng)對(duì)特斯拉以及新能源汽車安全性的熱議。事實(shí)上，隨著新能源汽車滲透率快速提升，起火等安全事故越來(lái)越多地見諸報(bào)端。新能源汽車乃至智能汽車安全問(wèn)題爭(zhēng)議不斷，本質(zhì)上是半導(dǎo)體含量提高，汽車安全如何同步提高的待解難題。
新能源車，電池安全最為致命
公安部此前公布的數(shù)據(jù)顯示，至今年6月底，全國(guó)新能源汽車保有量1001萬(wàn)輛，占汽車總量的3.23%；上半年全國(guó)新注冊(cè)登記新能源車220.9萬(wàn)輛，與去年同比增加110.6萬(wàn)輛，增長(zhǎng)100.26%，創(chuàng)歷史新高。
隨著滲透率快速上升，新能源車事故頻次也在迅速增加，其中起火事件尤受關(guān)注。根據(jù)國(guó)家應(yīng)急管理部公布的數(shù)據(jù)，2022年一季度發(fā)生新能源汽車火災(zāi)共計(jì)640起，比去年同期上升32%，高于交通工具火災(zāi)平均增幅(8.8%)，平均每日超7例火災(zāi)。特斯拉、比亞迪、小鵬、蔚來(lái)、理想、奇瑞等主要品牌都發(fā)生過(guò)自燃。王傳福曾公開表示，當(dāng)前新能源汽車電池自燃情況已成為阻礙行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題，伴隨新能源汽車逐漸進(jìn)入角色，銷量不斷提升，安全事故率必然有所提高，而動(dòng)力電池作為新能源汽車主要零部件，安全問(wèn)題也至關(guān)重要，亟需行業(yè)提出有效的應(yīng)對(duì)之法。
一位汽車半導(dǎo)體專家告訴集微網(wǎng)，隨著新能源汽車保有量的增加，一些低概率事件也可能逐漸發(fā)生，熱失控（即俗稱的起火）就是一個(gè)低概率但非常嚴(yán)重的事件。目前新能源汽車頻繁發(fā)生火災(zāi)的原因是多方面的，包括電池部件老化、外部碰撞、高溫天氣、電池?zé)崾Э?、高?fù)荷等。其中，電池失效并產(chǎn)生危險(xiǎn)的因素是熱失控，機(jī)械濫用（電池包穿刺、外部撞擊）、電氣濫用（過(guò)充，過(guò)放）和熱濫用（過(guò)熱）等均會(huì)導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。
如今新能源汽車行業(yè)對(duì)于整車安全的共識(shí)已由單體安全轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全，提升電池整包的安全性能已成為行業(yè)的主流趨勢(shì)，日益受到消費(fèi)者、主機(jī)廠、Tier1廠商的關(guān)注，國(guó)家也在不斷完善動(dòng)力電池的安全法規(guī)。2020年政府制定了GB38031《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》并于今年開始實(shí)施，這一標(biāo)準(zhǔn)在優(yōu)化電池單體、模組安全要求的同時(shí)，重點(diǎn)強(qiáng)化了電池系統(tǒng)熱安全、機(jī)械安全、電氣安全以及功能安全要求。
該法規(guī)的實(shí)施，使得新能源汽車對(duì)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）需求進(jìn)一步提升，并推動(dòng)了對(duì)電池?zé)崾Э乇O(jiān)測(cè)的顯著增長(zhǎng)。
英飛凌科技大中華區(qū)汽車電子事業(yè)部動(dòng)力系統(tǒng)與新能源業(yè)務(wù)單元市場(chǎng)經(jīng)理張昌明指出，BMS作為電池組的“健康記錄卡”，更多地是監(jiān)控電池組在工作過(guò)程中的狀態(tài)，通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)預(yù)估、信息管理、安全保護(hù)、能量控制、系統(tǒng)集成等來(lái)全方位、智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)等功能。
“為了保證司乘人員的安全，提前預(yù)警是很有必要的安全策略。GB38031以強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求新能源汽車裝備提前5分鐘預(yù)警功能，但如何實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警并沒(méi)有限制?！睆埐鹘忉?，由于電池在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣體，在密閉的電池包內(nèi)，氣壓會(huì)逐漸增大。而個(gè)別電芯出現(xiàn)故障時(shí)，也會(huì)迅速產(chǎn)生氣體，從而使包內(nèi)氣壓瞬間增大。氣壓傳感器通過(guò)捕捉這個(gè)變化，再結(jié)合以往的監(jiān)測(cè)，構(gòu)建電池包壓力監(jiān)測(cè)策略。
通過(guò)電池故障時(shí)的噴出氣體進(jìn)行分析，與動(dòng)力電池包強(qiáng)關(guān)聯(lián)的氣體檢測(cè)也可以提供提前預(yù)警的解決方案，比如H2濃度檢測(cè)方案。他認(rèn)為，相較于車規(guī)級(jí)H2濃度傳感器，氣體壓力傳感器是一種比較成熟的方案，在目前的BMS管理方案里是比較容易實(shí)現(xiàn)的，所以市場(chǎng)潛力也比較大。
作為BMS的補(bǔ)充部分，也有部分廠商提出了專門的電池包壓力監(jiān)測(cè)傳感器（BPS）技術(shù)。上述汽車半導(dǎo)體專家指出，當(dāng)電池出現(xiàn)熱失控，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱量和氣體，在密閉的電池包空間內(nèi)，隨著熱量和氣體的不斷累積，內(nèi)部壓力隨之不斷增加，最終導(dǎo)致電池外殼破裂，大量的熱量和氣體隨之迸發(fā)出來(lái)，相鄰的電池也會(huì)被迅速感染，相繼出現(xiàn)熱失控。在這個(gè)過(guò)程中，當(dāng)電池包內(nèi)部壓力變化超出正常范圍時(shí)，BPS芯片就可以迅速監(jiān)測(cè)到并作出報(bào)警，避免電池包起火造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失，為司乘人員提供強(qiáng)有力的安全保障。
BPS既可以以芯片方式集成到BMS系統(tǒng)中，也可以以模組形式安裝于電池包內(nèi)部。由于新國(guó)標(biāo)的強(qiáng)制要求，BPS芯片及模組需求將隨著新能源汽車及配套電池包市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)而激增。據(jù)集微網(wǎng)了解，當(dāng)前市場(chǎng)上恩智浦、納芯微、琻捷等廠商均已推出了各自的芯片及模組方案。
張昌明認(rèn)為，BPS芯片對(duì)檢測(cè)環(huán)境有一定的要求，檢測(cè)氣壓范圍也會(huì)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行不同的標(biāo)定。電池包內(nèi)氣體壓力可能會(huì)在60-160kP范圍，BPS可檢測(cè)的氣壓壓力范圍應(yīng)該大于實(shí)際電池包內(nèi)的氣壓范圍。檢測(cè)芯片的壓力范圍設(shè)計(jì)要求必須符合應(yīng)用需求，傳統(tǒng)的檢測(cè)芯片可能需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)更大的檢測(cè)范圍從而滿足BPS的需求。另外，BPS是需要全天候監(jiān)測(cè)電池包內(nèi)的壓力的，所以低功耗的BPS解決方案更為迫切。
“對(duì)于芯片廠商，就需要提供可以實(shí)現(xiàn)異常喚醒功能的芯片設(shè)計(jì)。除了通過(guò)壓力檢測(cè)，異常氣體檢測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)電池的異常，只是能保證新能源汽車的使用安全。而提高電池性能的安全性，更應(yīng)用通過(guò)優(yōu)秀的BMS管理系統(tǒng)和充電管理策略從根本上降低電池故障的概率?！彼麖?qiáng)調(diào)，“因此BPS將是BMS的一部分。BPS所反映的數(shù)據(jù)再結(jié)合電芯的各種參數(shù)、電池包內(nèi)的環(huán)境參數(shù)從而構(gòu)建BMS安全管理策略。除了BPS，還有H2濃度檢測(cè)，C原子紅外檢測(cè)等方案?！?/p>
功能性安全成為智能汽車設(shè)計(jì)的核心需求
除了電池組，使用量越來(lái)越高的各類半導(dǎo)體部件也成為智能汽車趨勢(shì)下新的安全課題。汽車市場(chǎng)的變革仍在繼續(xù)，其中一大前提就是安全優(yōu)先，整個(gè)技術(shù)供應(yīng)價(jià)值鏈都必須在正確的層級(jí)完成安全認(rèn)證。
“功能性安全已成為汽車設(shè)計(jì)的核心需求，ISO 26262已經(jīng)成為汽車相關(guān)解決方案的核心考量?！盜magination軟件產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Plout Galatsopoulos指出，安全已經(jīng)不再僅僅是系統(tǒng)層的問(wèn)題，也需要同時(shí)致力于通過(guò)硬件IP和駕駛員層助力安全性的實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)ISO 26262道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，所有底層的硬件和軟件都必須嵌入功能安全，從而盡最大可能降低故障風(fēng)險(xiǎn)并減少潛在事故發(fā)生。信息安全與功能安全同等重要，都需要達(dá)到能讓汽車按照設(shè)計(jì)安全運(yùn)行的高水平，而芯片已經(jīng)成為功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全的中心。
例如，現(xiàn)代汽車搭載越來(lái)越多的攝像頭，目標(biāo)是取代傳統(tǒng)后視鏡，消除視覺(jué)盲區(qū)，全新的HMI系統(tǒng)通過(guò)智能座艙的顯示屏或語(yǔ)音為駕駛員營(yíng)造沉浸式視覺(jué)體驗(yàn)，近距離傳感器和道路偏離檢測(cè)則負(fù)責(zé)及時(shí)干預(yù)并修正駕駛行為。Plout Galatsopoulos表示，在全自動(dòng)駕駛時(shí)代，上述所有功能都需具備的基礎(chǔ)要素就是具備功能性安全的高性能處理器?！巴ㄟ^(guò)與傳統(tǒng)汽車芯片供應(yīng)商和新勢(shì)力的合作，Imagination已經(jīng)在上述領(lǐng)域取得快速發(fā)展。將功能性安全作為汽車系統(tǒng)價(jià)值鏈每個(gè)環(huán)節(jié)的重要組成將有效縮短上市時(shí)間。”
在當(dāng)前“軟件定義汽車”的浪潮下，海量的數(shù)據(jù)處理正在如今的汽車智能座艙內(nèi)發(fā)生——多顯示器接入、音頻處理、圖像處理（GPU）、車載藍(lán)牙/WiFi連接，以及近年來(lái)越來(lái)越多的多攝像頭接入、AI處理（比如，語(yǔ)音、視覺(jué)交互等），這諸多功能的背后驅(qū)動(dòng)力，就在于這顆座艙SoC。
其中尤為關(guān)鍵的是，智能座艙中的多個(gè)顯示屏比如儀表盤、導(dǎo)航、娛樂(lè)系統(tǒng)等可能由同一個(gè)GPU來(lái)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)其中某個(gè)系統(tǒng)崩潰時(shí)不會(huì)影響到儀表盤，即功能安全相關(guān)負(fù)載——GPU在此就是將使用場(chǎng)景，在硬件級(jí)上實(shí)現(xiàn)切分。因此在汽車領(lǐng)域，安全和工作負(fù)載的劃分對(duì)儀表盤等功能性安全相關(guān)的負(fù)載很重要，運(yùn)行在同一個(gè)GPU上的導(dǎo)航和娛樂(lè)系統(tǒng)也是如此。
在2020年，Imagination推出了全新的BXS系列圖形解決方案，針對(duì)汽車用例做了專門的性能優(yōu)化，為軟硬件增加了支持ACB認(rèn)證的全新安全功能。在最近的Khronos & Imagination技術(shù)研討會(huì)上，Imagination技術(shù)前瞻副總裁Kristof Beets對(duì)該公司在汽車領(lǐng)域創(chuàng)新思路進(jìn)行了分析，Imagination的GPU技術(shù)將不同的用例從硬件層進(jìn)行分割并保護(hù)，通過(guò)硬件虛擬化提供良好的安全性和性能。
例如TRP（即平鋪貼圖區(qū)域保護(hù)）關(guān)鍵專利技術(shù)，將性能對(duì)安全性的影響降到最低，基于平鋪的GPU架構(gòu)可以將任何安全相關(guān)冗余限制到最低水平，保證關(guān)鍵系統(tǒng)的安全性?！边@一技術(shù)讓我們實(shí)現(xiàn)了安全關(guān)鍵計(jì)算應(yīng)用效率的最大化，專屬的硬件機(jī)制可以檢測(cè)瞬態(tài)和永久故障。在圖像處理流程中，GPU單元的重復(fù)平鋪貼圖可以從幾何構(gòu)型與像素處理兩個(gè)層面提供額外的安全防護(hù)?！?/p>
據(jù)悉，芯馳最新的智能座艙芯片X9U就基于Imagination的GPU技術(shù)進(jìn)行打造，一顆芯片可支持多達(dá)10個(gè)獨(dú)立全高清顯示屏，包含前排儀表、中控屏、HUD及多個(gè)娛樂(lè)屏，能夠?qū)崿F(xiàn)多屏共享和互動(dòng)的同時(shí)，其中的MCU子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)與車內(nèi)其他域控制器之間的安全通信和交互。
結(jié)語(yǔ)
智能網(wǎng)聯(lián)汽車正在成為最大的智能移動(dòng)終端，安全性也越來(lái)越成為重中之重。守護(hù)智能汽車安全需要多方主體共同發(fā)力，無(wú)論是整車可靠性，新一代電子電氣架構(gòu)，新型電池技術(shù)革新，還是車載半導(dǎo)體、車用操作系統(tǒng)都需一起發(fā)力，才能推動(dòng)自動(dòng)駕駛進(jìn)入安全發(fā)展的“快車道”。（校對(duì)/李沛）
