适合新型汽车应用的传感器
适合新型汽车应用的传感器
电气化和对传感器的影响
随着汽车厂商从内燃机(ICE)生产转向混合动力和纯电动汽车设计(xEV)，传感器在汽车中的应用范围不断扩大。IHS Markit的调查数据显示，到2030年，不同xEV车型的数量可能会从目前的约335种增加到800种。立法、政府激励措施和不断完善的充电基础设施更是为电动汽车的发展提供了额外利好刺激。为此，汽车厂商需要在把握时机，在短时间内建立行业合作伙伴关系，才能成功地将这些新的传感器技术融入到汽车设计中。TDK的统一传感器组合包含全面的传感器套件，能满足各种汽车应用需求。产品组合不仅能适合传统的ICE应用，还能满足扩展的xEV要求。
其中包括：
| 温度 | 压力 | 角度 | 速度 | 转矩 | 电流 | 麦克风 | 运动/惯性 | 霍尔开关 | 嵌入式电机控制解决方案 | 气体 | 触摸 |
汽车内部采用闭环反馈机制来监测和控制机械、电子或机电过程。而这些系统需通过传感器或传感器组合输入信息，提供与监测过程有关的数据。比如，对于车轮、车轴和电机的监测应用，需要通过测量转速来生成输入数据。汽车内还通过其他反馈系统来控制温度、电流和压力。在这些系统中，无需要特定的传感器或传感器组合(传感器融合)来提供相关的测量数据。
TMR
隧道磁阻 (TMR) 传感器广泛用于汽车中的各种应用，比如用来检测方向盘的扭矩或角度、电机/轴的位置、eCaliper制动系统和雨刷驱动。TAS系列TMR传感器具有输出高、功耗低、角度测量精度好、温度漂移低的特点。TMR元件包含三层结构：最下面是固定磁层，上面是自由层，中间是隔离上下两层的势垒层(由薄绝缘体制成)。自由层的磁化方向随外部磁场的变化而变化。当固定层和自由层的磁化方向平行时，元件电阻最小。反之，当两层磁化方向相反时，元件电阻最大。
图1：TDK TAS系列TMR
TAS系列
霍尔传感器
霍尔传感器用于检测垂直磁场条件下半导体内部流动的合成电压差。通过这种方式，霍尔开关可将测得的磁场强度与预先定义的电平，或传感器中可编程的电平做对比。一旦发现电平过高(开关点)，传感器的输出就会改变。TDK的霍尔开关系列具有可编程和固定选项。霍尔开关还能与永磁体结合使用，以间接测量变量，比如转速、速度、距离、压力、角度和液位。TDK的3D HAL®像素单元技术是专为多维磁场测量应用而设计的HAL 39xy直接角度传感器的核心。这些传感器能精确地测量磁场，并且对杂散磁场不敏感，采用基于霍尔板阵列的独特设计理念。比如， 可编程3D位置传感器HAL 3930
xEV中的电池、充电电路和驱动系统组件的热管理就是传感器在爆炸环境中发挥重要作用的一个典型示例。
为了最大限度延长电动汽车的行驶里程，须确保传动系统的关键部件在不同的温度范围内工作，比如电池的工作温度比电源逆变器低得多，而电机中的磁铁在高温时会失去磁性。为达到冷却效果，采用了多达8个LIN总线控制的电子阀来直接这些组件进行液冷。这些阀门可由嵌入式电机控制器 HVC 4223F结合3D位置传感器HAL 3930来控制。当使用HVC 4223F直接驱动执行器电机时，HAL 3900可位置反馈以实现控制回路闭环。
温度传感器不仅要确保测量精度，还要快速响应区域内的温度波动，以避免热失控和随之而来的火灾风险。当驱动或给电动汽车充电时，连接器内接触电阻小幅增加就可能导致其内部出现破坏性的温升(Pv = I2 R)。为此，TDK专门推出一种可直接安装在汽车电池和逆变器之间的连接器上的温度传感器。这是一个热点，是大电流流动时最容易引发升温的区域。
NTCG系列和B57xxxV5系列传感器封装在一个坚固的多功能外壳，设计成连接器核心的一部分。该传感器是采用陶瓷外壳封装的负温度系数(NTC)元件，可确保高工作温度和卓越的电气绝缘性能。通过这种定位方式，可优化传感器对任何温度波动的响应速度。同时反过来又加快了充电或传动系统电路的响应，从而快速限制流经电路的电流来缓解温升。
压力传感器，如C43/C44系列系列，可用于测量锂离子电池内的压力，在xEV电池管理系统(BMS)同样至关重要。这些传感器可跟踪电池的工作压力，并向BMS报告异常的压力增加。这类传感器的响应时间短，可以比单独的温度传感器更快地检测和报告电池内由热事件引起的压力增加。
自动驾驶的转型之旅
除了向电动汽车转型的巨大转变，先进的驾驶辅助系统(ADAS)的可靠性和功能也在不断演进，推动汽车向更高水平的自动驾驶迈进。传感器对此类系统的完整性至关重要，并且通常以组合方式工作(传感器融合)。这些传感器为系统提供了可靠、准确、全面的车辆周围环境视图。这些系统会受到车辆振动的影响，必须通过电子稳定系统来确保输出。使用惯性测量单元(IMU)，比如IAM-20680，可以补偿系统的外来振动影响，并相应改善结果。通过改进各种传感元件、LIDAR、雷达和摄像头产生的图像质量，能强化系统的准确性。IMU还能为V2V车对车通信系统和基础设施提供精确的定位数据。此外，IMU还可以增强定位系统的航迹推算功能，比如汽车行驶在隧道中或人口密集的市区等传统GPS/GNSS信号弱或不可用的地方。
数字驾驶室的座舱体验
在驾驶室内，可使用各种传感器和电子设备来提高乘客的舒适度、安防性和安全性。比如根据不同的司机自动调节座椅，下雨时自动打开雨刷，天黑或汽车在隧道中行驶时自动亮灯。高品质的IMU可稳定倒车影响，改善驾驶体验和ADAS的准确性。所有这些先进的基于传感器的系统都旨在通过限制干扰来提高驾驶员的注意力。
此外，驾驶员与机器之间的人机界面 (HMI) 页正在发生改变。在数字驾驶室内，语音指令、手势控制和触觉反馈成为了新界面的一部分。而随着我们自主性水平的不断提高，新技术有望在驾驶室内率先替代通知和控制机制。TDK的SmartAutomotive™产品线下辖一系列MEMS运动传感器和麦克风，专为汽车市场应用而设计，并通过相关测试。其中MEMS麦克风可通过路噪主动控制(RANC)来消除道路噪音，提高声控系统的可靠性。
PowerHap™压电执行器能为司机提供触觉反馈，是一种在车载触控显示屏中应用中日益普及的技术。它能在使用数字按钮等信息娱乐功能时，增强真实感，提高操作可靠性。为了防止司机因看屏幕而分散注意力，我们不仅提供触摸技术，还提供超声波传感器以实现手势控制。
未来技术
胎压管理系统在汽车设计中并非是一项新功能。但是，现在的技术不仅能监测胎压，还能显示关于“轮胎橡胶在何处接触路面”的其他信息。TDK的InWheelSense™是一种新的、可扩展的技术，能精确测量许多“车轮上”和“车轮外”的参数，比如胎壁温度、路面条件和车轮定位条件等等。这个可扩展的压电驱动传感器平台能向车辆或云端服务传输数据，而随着驾驶自动化水平的提高，该功能也变得越来越重要。
总结
电子设备和传感器在现代汽车设计中的作用正在迅速扩大。电动汽车在充电和传动系统电路中需要响应电流和温度控制，开辟了新的传感器应用领域。
TDK不仅能为汽车应用提供一整套传感器，还具备深厚的专业知识，能为汽车厂商和一级供应商部署传感器技术提供指导和协助。TDK致力于建立建设性的合作伙伴关系，并欢迎那些希望提高当前传感器应用性能、为新应用设计传感器或两者兼而有之的客户前来咨询。
审核编辑：汤梓红
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