Chúng ta đang ở một bước ngoặt lịch sử, có thể đánh giá được trong ngành công nghiệp ô tô. Có rất nhiều áp lực buộc các nhà sản xuất ô tô phải đổi mới và xác định lại cách sử dụng phương tiện. Họ không chỉ cần đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng mà còn phải theo kịp các quy định về an toàn và môi trường đang thay đổi. Do đó, các nhà sản xuất ô tô đang tăng số lượng cảm biến được sử dụng trong và xung quanh xe để cung cấp cho khách hàng của họ sự an toàn và chức năng cao hơn, điều này đòi hỏi cảm biến các nhà sản xuất để thu nhỏ và cải tiến các công nghệ trước đây.
Trong bài viết này, tôi sẽ nêu bật ba xu hướng chính sẽ làm tăng đáng kể số lượng cảm biến được sử dụng trên xe trong 10 năm tới: những tiến bộ trong hệ thống thông tin giải trí, các tính năng an toàn và lái xe tự động bổ sung, và sự gia tăng điện khí hóa.
Xu hướng số 1: Hệ thống thông tin giải trí ngày càng trở nên tiên tiến hơn
Tỷ lệ của công nghệ việc áp dụng các tính năng và xu hướng thông tin giải trí mới nhất vào ô tô là theo cấp số nhân. Trải nghiệm người dùng ngày càng trở nên nhiều hơn là chỉ một ổ đĩa.
Như được hiển thị trong Hình 1, số lượng màn hình được sử dụng trong một chiếc xe thông thường đang tăng lên – từ cụm công cụ có thể cấu hình lại đến bảng điều khiển trung tâm cho đến hệ thống giải trí cho hành khách. Đồng thời, chất lượng hiển thị cũng tăng lên nhờ màn hình lớn hơn với độ phân giải tốt hơn và mức độ sáng cao hơn. Gương điện tử cho chế độ xem phía sau và bên cũng đang trở nên phổ biến hơn, cũng như các mô-đun sạc không dây và các trung tâm truyền thông bổ sung. Ô tô bắt đầu giống như phần mở rộng liền mạch của điện thoại thông minh, với người tiêu dùng mong đợi thiết kế bề mặt cảm ứng sạch sẽ về mặt thẩm mỹ, dẫn đến các mạch tích hợp (IC) bổ sung như điện cảm sang kỹ thuật số chuyển đổi (LDC) cảm biến cho phép tính năng “cảm ứng lực” trên các bề mặt không phải là màn hình, với khả năng phát hiện lượng lực tác dụng.
Hình 1: Hệ thống thông tin giải trí và cụm hiện đại, đầy đủ tính năng (Nguồn: Texas Instruments)
Các cảm biến LDC như LDC3114-Q1 của Texas Instruments (TI) cho phép trải nghiệm giao diện người dùng (UI) liền mạch với các bề mặt cảm ứng trên kim loại, nhựa hoặc kính cho giao diện người dùng xung quanh bảng điều khiển trung tâm.
Ngoài ra, các cảm biến hiệu ứng Hall 3D như TMAG5170-Q1 của TI cho phép phát hiện vị trí trong e-shifters (cần số) và điều khiển thông tin giải trí của cần điều khiển và nút bấm, thường được kết hợp với các tính năng cảm ứng và giao diện người dùng xung quanh bảng điều khiển trung tâm.
Việc hỗ trợ tất cả các tính năng và màn hình mới này yêu cầu các IC bổ sung ở dạng nhỏ hơn, điều này đã dẫn đến việc thu nhỏ các IC và in mạch bo mạch (PCB) trong khi đạt được chức năng thậm chí còn lớn hơn. Thách thức là khi bạn giảm kích thước của mô-đun chứa PCB trong khi yêu cầu xử lý ngày càng tăng, bạn sẽ có công thức hoàn hảo để có nhiệt độ hoạt động cao hơn. Điều này chủ yếu là do mức tiêu thụ điện năng lớn hơn do phải xử lý nhiều hơn và giảm luồng không khí do các kiểu dáng nhỏ hơn gây ra – cả hai đều bị ảnh hưởng bởi môi trường, vì hệ thống thông tin giải trí thường tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trong phần lớn thời gian hoạt động của chúng.
Vì cảm biến nhiệt độ đóng một vai trò quan trọng như vậy trong việc giúp tránh hư hỏng mạch do quá nhiệt, các nhà sản xuất ô tô đang tăng số lượng cảm biến nhiệt độ được sử dụng trên một PCB điển hình và ưu tiên độ tin cậy và độ chính xác trong quá trình lựa chọn sản phẩm. Việc đặt các cảm biến nhiệt độ ở các điểm nóng của hệ thống như bộ vi điều khiển, nguồn điện hoặc màn hình LED có đèn nền giúp giữ các bộ phận này trong điều kiện hoạt động được khuyến nghị, cho phép hệ thống thông tin giải trí mang lại hiệu suất và độ tin cậy mà người tiêu dùng mong đợi.
Việc tìm kiếm loại cảm biến nhiệt độ phù hợp có thể khó khăn với hàng ngàn tùy chọn có sẵn. Một thứ sẽ không phá vỡ ngân hàng và đáng tin cậy hơn so với các nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm truyền thống, là nhiệt điện trở tuyến tính TMP61-Q1 của TI. Độ chính xác tăng lên của TMP61-Q1 giúp giảm thiểu biên độ an toàn của lỗi nhiệt độ để tránh kích hoạt sai. Điều này cho phép các hệ thống điều khiển hoạt động gần hơn với giới hạn nhiệt và chỉ điều tiết hoặc tắt khi cần thiết.
Trong vài năm tới, bạn có thể mong đợi sự gia tăng không chỉ về số lượng sản phẩm cảm biến, mà còn về độ chính xác cao hơn và khả năng tích hợp trong các hệ thống thông tin giải trí, với mục tiêu kích hoạt các tính năng trải nghiệm người dùng bổ sung và lái xe giải trí hơn.
Xu hướng số 2: Các tính năng an toàn và lái xe tự động bổ sung
Không phải tất cả các ô tô đều được sản xuất như nhau, đặc biệt là khi được thiết kế riêng cho một số thị trường nhất định. Nhưng các quy định của chính phủ đang thu hẹp khoảng cách về tính năng an toàn tiêu chuẩn để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Ví dụ, vào năm 2019, chính phủ Ấn Độ đã bắt buộc lắp đặt các tính năng an toàn chủ động và thụ động cho tất cả các mẫu xe được bán tại quốc gia này. Để bổ sung các tính năng an toàn này cho các mẫu xe hạng thấp và hạng trung, các nhà sản xuất ô tô cần bổ sung thêm nhiều cảm biến để cảm nhận môi trường bên trong và xung quanh xe.
Bạn sẽ tìm thấy một ví dụ tuyệt vời về xu hướng này trong camera chiếu hậu. Chúng chỉ có trên các mẫu xe sang cách đây 10 năm nhưng giờ đây đã trở thành một tính năng an toàn tiêu chuẩn cho hầu hết các loại xe mới; thật khó để tìm một chiếc xe mới mà không có nó. Một ví dụ khác là hệ thống giám sát lái xe, cũng đang ngày càng phổ biến. Vì vậy, nếu lịch sử lặp lại, tôi sẽ không ngạc nhiên khi thấy việc áp dụng rộng rãi các tính năng an toàn tiên tiến hơn.
Các tính năng an toàn nâng cao là một phần của hệ thống hỗ trợ người lái nâng cao (ADAS). Ban đầu được biết đến với tính năng kiểm soát hành trình, ADAS đã phát triển thành nhiều lĩnh vực khác, đưa cảm biến trên xe lên một tầm cao mới để hỗ trợ các tính năng như giám sát trong cabin, phát hiện điểm mù, cảnh báo chệch làn đường, hỗ trợ đỗ xe - thậm chí là phiên bản tự động mới nhất công nghệ lái xe.
Hình 2 hiển thị các cấp độ lái xe tự hành khác nhau và các tính năng tương ứng của chúng. Mặc dù có nhiều rào cản trong việc đạt được quyền tự chủ cấp độ 5, các nhà sản xuất ô tô đang nỗ lực để biến điều đó thành hiện thực.
Hình 2 Các cấp độ của lái xe tự động (Nguồn Texas Instruments)
Chức năng lái xe tự động không thể tồn tại nếu không có camera và cảm biến siêu âm, radar hoặc LiDAR ở rìa để cảm nhận môi trường xung quanh xe. Khi nhiều nhà sản xuất ô tô chạy đua để đạt được cấp độ lái xe tự động cao hơn, thì việc tăng số lượng cảm biến là không thể tránh khỏi. Nhưng bạn sẽ đặt chúng ở đâu?
Đây là lúc quá trình thu nhỏ phát huy tác dụng - nơi kích thước gói và sự tích hợp tỏa sáng. Ví dụ, các phương tiện cao cấp ngày nay có hệ thống radar đơn đa chip. Do sử dụng nhiều thành phần rời rạc, các hệ thống radar này lớn và cồng kềnh khi chúng cần nhỏ hơn, công suất thấp hơn và tiết kiệm chi phí. TI cung cấp các giải pháp cảm biến radar sóng milimet (mmWave) trên ô tô như AWR1843 của TI có xử lý cùng vị trí với phần đầu xe để giảm 50% kích thước và hệ số hình thức của hệ thống radar. TI cũng cung cấp mức độ tích hợp cao hơn với các thiết bị radar mmWave ăng-ten trên gói như AWR1843AOP của TI, cho phép gắn nhiều hệ thống radar xung quanh xe một cách hiệu quả.
Nó không chỉ là những cảm biến đòi hỏi nhiều dữ liệu cao; các cảm biến khối xây dựng nhỏ hơn nhiều sẽ đảm bảo sự an toàn và hiệu suất lâu dài của các bộ xử lý tính toán chuyên sâu cho quá trình tổng hợp cảm biến và trí tuệ nhân tạo. Nếu bộ xử lý quá nóng, có dòng điện quá lớn hoặc tiếp xúc với mức độ ẩm cao, hiệu suất của bộ xử lý có thể giảm hoặc có thể hỏng hoàn toàn, ảnh hưởng đến chức năng ADAS. Cảm biến nhiệt độ, dòng điện và thậm chí cả độ ẩm như HDC3020-Q1 giữ cho các bộ xử lý này và các thành phần ADAS khác như cảm biến LiDAR trong điều kiện hoạt động được chỉ định của chúng để tránh hư hỏng.
ADAS có các yêu cầu an toàn ở cấp độ hệ thống nghiêm ngặt hơn các hệ thống ô tô khác, bởi vì khi các phương tiện giao thông ngày càng thông minh hơn, chúng cũng trở nên phức tạp hơn. Sự phức tạp hơn làm gia tăng những lo ngại về an toàn, đặc biệt là khi lái xe tự hành trở thành xu hướng chủ đạo. Xếp hạng Mức độ Toàn vẹn An toàn Ô tô (ASIL) thiết lập các yêu cầu để giảm thiểu rủi ro và đảm bảo các quy trình an toàn tiêu chuẩn khi thiết kế các hệ thống này. Do đó, nhiều hệ thống phụ trên xe phải có chức năng an toàn cấp hệ thống.
Một yêu cầu phổ biến trong an toàn chức năng là dự phòng. Để đáp ứng các yêu cầu về dự phòng, các nhà sản xuất ô tô đang nhanh chóng áp dụng các cảm biến cho các hệ thống kiểm soát quan trọng về an toàn, nhân rộng hơn nữa số lượng cảm biến. Các nhà sản xuất cảm biến như TI đã nhận thấy xu hướng này và tập trung vào việc giúp các kỹ sư tìm và sử dụng cảm biến dễ dàng hơn, cho dù là trong các thiết kế nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn chức năng hay trong các hệ thống an toàn hơn được phân biệt cạnh tranh.
Xu hướng số 3: Gia tăng điện khí hóa
Các nhà sản xuất ô tô đang phát triển toàn diện cho xe điện (EV). Tại sao lại là EV? Chà, một chuyến đi êm ái và mô-men xoắn tức thì không phải là lý do duy nhất khiến chúng tăng lực kéo; có một lực lượng lớn hơn nhiều liên quan đến các mục tiêu của chính phủ để giảm lượng khí thải carbon dioxide.
Nhiều quốc gia đã công bố ngày mục tiêu và cam kết liên quan đến doanh số bán xe điện. Ví dụ, Hàn Quốc đã công bố mục tiêu đến năm 2050 trở thành trung hòa với các-bon, với kế hoạch tương ứng là tăng số lượng xe điện trên đường lên gần 3 triệu xe vào năm 2025 thông qua việc gia hạn các lợi ích về thuế xe điện và các mục tiêu mua xe điện cụ thể đối với xe ô tô cho thuê. . Chi tiết về mục tiêu của mỗi quốc gia có thể khác nhau, nhưng mục tiêu chung là loại bỏ dần các loại xe sử dụng động cơ đốt trong (ICE) theo thời gian với các quy định và ưu đãi như giảm thuế hoặc trợ cấp.
Làm thế nào để sản xuất EV tăng lên ảnh hưởng đến nhu cầu về cảm biến? So với các phương tiện ICE, xe điện có các yêu cầu tăng lên đối với Vôn, cảm biến dòng điện, nhiệt độ và độ ẩm, vì các hệ thống phụ lớn như bộ sạc tích hợp, bộ chuyển đổi DC / DC, bộ biến tần và hệ thống quản lý pin (BMS) đều xử lý điện áp hoặc dòng điện cao. Mỗi một trong những hệ thống này yêu cầu giám sát chặt chẽ để giảm thiểu mối đe dọa của dòng điện dâng cao, sự thoát nhiệt và thậm chí ăn mòn hoặc chập điện do rò rỉ hơi ẩm.
Độ chính xác của cảm biến cao trong các hệ thống này có thể chuyển thành thời gian sạc EV ngắn hơn và thậm chí là tuổi thọ pin dài hơn. Ví dụ, các kết quả đọc nhiệt độ chính xác hơn có thể làm giảm biên độ sai số, do đó ngăn chặn việc kích hoạt sai hệ thống điều khiển và cho phép hoạt động gần hơn với giới hạn nhiệt, chỉ điều chỉnh hoặc tắt khi cần thiết. Tổng độ chính xác khi sử dụng cảm biến nhiệt độ có liên quan đến cảm biến và các thành phần xung quanh, kỹ thuật bố trí được sử dụng và đường dẫn nhiệt, vì vậy điều cần thiết là phải ghi nhớ các phương pháp hay nhất khi sử dụng cảm biến nhiệt độ gắn trên bề mặt.
Cảm biến nhiệt độ TMP126-Q1 của TI giúp các hệ thống thực hiện hành động trước để giảm nguy cơ thiệt hại do nhiệt với cảnh báo tốc độ thay đổi nhiệt độ giúp phát hiện sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng trước khi chúng đạt đến mức nguy hiểm, giảm nguy cơ nhiệt thoát ra ngoài. Các cảm biến như TMP126-Q1 không chỉ chính xác mà còn đáng tin cậy nhờ độ lệch cảm biến thấp của vật liệu silicon. Trong BMS có dòng sạc cao, điều quan trọng là phải duy trì độ chính xác của cảm biến dòng điện để biết chính xác trạng thái sạc của tế bào pin. Sử dụng các cảm biến dòng điện chính xác và có độ trôi thấp như INA229-Q1 của TI có thể giúp duy trì hiệu quả sử dụng pin EV theo thời gian, nhiệt độ và độ ẩm.
Kết luận
Các cảm biến sẽ chỉ tiếp tục tăng theo thời gian khi hệ thống thông tin giải trí ngày càng tiên tiến hơn, các tính năng lái xe tự động và an toàn được phổ biến, đồng thời xe điện gia tăng thị phần. Để giúp các kỹ sư ô tô tối ưu hóa thiết kế của họ, Semiconductor các nhà sản xuất đang cung cấp các cảm biến nhỏ hơn, chính xác hơn và tiết kiệm điện hơn. Với rất nhiều cảm biến có sẵn, việc lựa chọn sản phẩm có thể bị áp đảo. Điều quan trọng là phải thiết lập tiêu chí nào quan trọng nhất - tập trung vào các thông số như độ chính xác, độ trôi và kích thước là một cách tuyệt vời để thu hẹp các tùy chọn của bạn.
Giới thiệu về tác giả
Bryan Padilla là kỹ sư tiếp thị sản phẩm tại Texas Instruments. Anh ấy có mối quan tâm suốt đời đến thị trường ô tô và chuyên nghiệp tập trung vào các công nghệ cảm biến.
về Texas Instruments