【芯智驾】事故频发，智能汽车如何安全驶入发展快车道？

编者按：芯智驾──集萃产学研企名家观点，全面剖析AI芯片、第三代半导体等在汽车“大变形”时代的机会与挑战！

集微网消息，林志颖驾驶特斯拉Model X发生严重的交通事故，再度引爆了市场对特斯拉以及新能源汽车安全性的热议。事实上，随着新能源汽车渗透率快速提升，起火等安全事故越来越多地见诸报端。新能源汽车乃至智能汽车安全问题争议不断，本质上是半导体含量提高，汽车安全如何同步提高的待解难题。

新能源车，电池安全最为致命

公安部此前公布的数据显示，至今年6月底，全国新能源汽车保有量1001万辆，占汽车总量的3.23%；上半年全国新注册登记新能源车220.9万辆，与去年同比增加110.6万辆，增长100.26%，创历史新高。

随着渗透率快速上升，新能源车事故频次也在迅速增加，其中起火事件尤受关注。根据国家应急管理部公布的数据，2022年一季度发生新能源汽车火灾共计640起，比去年同期上升32%，高于交通工具火灾平均增幅(8.8%)，平均每日超7例火灾。特斯拉、比亚迪、小鹏、蔚来、理想、奇瑞等主要品牌都发生过自燃。王传福曾公开表示，当前新能源汽车电池自燃情况已成为阻碍行业发展的一个重要问题，伴随新能源汽车逐渐进入角色，销量不断提升，安全事故率必然有所提高，而动力电池作为新能源汽车主要零部件，安全问题也至关重要，亟需行业提出有效的应对之法。

一位汽车半导体专家告诉集微网，随着新能源汽车保有量的增加，一些低概率事件也可能逐渐发生，热失控（即俗称的起火）就是一个低概率但非常严重的事件。目前新能源汽车频繁发生火灾的原因是多方面的，包括电池部件老化、外部碰撞、高温天气、电池热失控、高负荷等。其中，电池失效并产生危险的因素是热失控，机械滥用（电池包穿刺、外部撞击）、电气滥用（过充，过放）和热滥用（过热）等均会导致热失控的发生。

如今新能源汽车行业对于整车安全的共识已由单体安全转向系统安全，提升电池整包的安全性能已成为行业的主流趋势，日益受到消费者、主机厂、Tier1厂商的关注，国家也在不断完善动力电池的安全法规。2020年政府制定了GB38031《电动汽车用动力蓄电池安全要求》并于今年开始实施，这一标准在优化电池单体、模组安全要求的同时，重点强化了电池系统热安全、机械安全、电气安全以及功能安全要求。

该法规的实施，使得新能源汽车对汽车电池管理系统（BMS）需求进一步提升，并推动了对电池热失控监测的显著增长。

英飞凌科技大中华区汽车电子事业部动力系统与新能源业务单元市场经理张昌明指出，BMS作为电池组的“健康记录卡”，更多地是监控电池组在工作过程中的状态，通过状态监测、状态预估、信息管理、安全保护、能量控制、系统集成等来全方位、智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态等功能。

“为了保证司乘人员的安全，提前预警是很有必要的安全策略。GB38031以强制标准要求新能源汽车装备提前5分钟预警功能，但如何实现提前预警并没有限制。”张昌明解释，由于电池在使用过程中会产生气体，在密闭的电池包内，气压会逐渐增大。而个别电芯出现故障时，也会迅速产生气体，从而使包内气压瞬间增大。气压传感器通过捕捉这个变化，再结合以往的监测，构建电池包压力监测策略。

通过电池故障时的喷出气体进行分析，与动力电池包强关联的气体检测也可以提供提前预警的解决方案，比如H2浓度检测方案。他认为，相较于车规级H2浓度传感器，气体压力传感器是一种比较成熟的方案，在目前的BMS管理方案里是比较容易实现的，所以市场潜力也比较大。

作为BMS的补充部分，也有部分厂商提出了专门的电池包压力监测传感器（BPS）技术。上述汽车半导体专家指出，当电池出现热失控，其内部会产生大量的热量和气体，在密闭的电池包空间内，随着热量和气体的不断累积，内部压力随之不断增加，最终导致电池外壳破裂，大量的热量和气体随之迸发出来，相邻的电池也会被迅速感染，相继出现热失控。在这个过程中，当电池包内部压力变化超出正常范围时，BPS芯片就可以迅速监测到并作出报警，避免电池包起火造成的生命和财产损失，为司乘人员提供强有力的安全保障。

BPS既可以以芯片方式集成到BMS系统中，也可以以模组形式安装于电池包内部。由于新国标的强制要求，BPS芯片及模组需求将随着新能源汽车及配套电池包市场的快速增长而激增。据集微网了解，当前市场上恩智浦、纳芯微、琻捷等厂商均已推出了各自的芯片及模组方案。

张昌明认为，BPS芯片对检测环境有一定的要求，检测气压范围也会根据检测对象进行不同的标定。电池包内气体压力可能会在60-160kP范围，BPS可检测的气压压力范围应该大于实际电池包内的气压范围。检测芯片的压力范围设计要求必须符合应用需求，传统的检测芯片可能需要进行重新设计更大的检测范围从而满足BPS的需求。另外，BPS是需要全天候监测电池包内的压力的，所以低功耗的BPS解决方案更为迫切。

“对于芯片厂商，就需要提供可以实现异常唤醒功能的芯片设计。除了通过压力检测，异常气体检测来预测电池的异常，只是能保证新能源汽车的使用安全。而提高电池性能的安全性，更应用通过优秀的BMS管理系统和充电管理策略从根本上降低电池故障的概率。”他强调，“因此BPS将是BMS的一部分。BPS所反映的数据再结合电芯的各种参数、电池包内的环境参数从而构建BMS安全管理策略。除了BPS，还有H2浓度检测，C原子红外检测等方案。”

功能性安全成为智能汽车设计的核心需求

除了电池组，使用量越来越高的各类半导体部件也成为智能汽车趋势下新的安全课题。汽车市场的变革仍在继续，其中一大前提就是安全优先，整个技术供应价值链都必须在正确的层级完成安全认证。

“功能性安全已成为汽车设计的核心需求，ISO 26262已经成为汽车相关解决方案的核心考量。”Imagination软件产品管理高级总监Plout Galatsopoulos指出，安全已经不再仅仅是系统层的问题，也需要同时致力于通过硬件IP和驾驶员层助力安全性的实现。

根据ISO 26262道路车辆功能安全标准的规定，所有底层的硬件和软件都必须嵌入功能安全，从而尽最大可能降低故障风险并减少潜在事故发生。信息安全与功能安全同等重要，都需要达到能让汽车按照设计安全运行的高水平，而芯片已经成为功能安全、网络安全的中心。

例如，现代汽车搭载越来越多的摄像头，目标是取代传统后视镜，消除视觉盲区，全新的HMI系统通过智能座舱的显示屏或语音为驾驶员营造沉浸式视觉体验，近距离传感器和道路偏离检测则负责及时干预并修正驾驶行为。Plout Galatsopoulos表示，在全自动驾驶时代，上述所有功能都需具备的基础要素就是具备功能性安全的高性能处理器。“通过与传统汽车芯片供应商和新势力的合作，Imagination已经在上述领域取得快速发展。将功能性安全作为汽车系统价值链每个环节的重要组成将有效缩短上市时间。”

在当前“软件定义汽车”的浪潮下，海量的数据处理正在如今的汽车智能座舱内发生——多显示器接入、音频处理、图像处理（GPU）、车载蓝牙/WiFi连接，以及近年来越来越多的多摄像头接入、AI处理（比如，语音、视觉交互等），这诸多功能的背后驱动力，就在于这颗座舱SoC。

其中尤为关键的是，智能座舱中的多个显示屏比如仪表盘、导航、娱乐系统等可能由同一个GPU来驱动，当其中某个系统崩溃时不会影响到仪表盘，即功能安全相关负载——GPU在此就是将使用场景，在硬件级上实现切分。因此在汽车领域，安全和工作负载的划分对仪表盘等功能性安全相关的负载很重要，运行在同一个GPU上的导航和娱乐系统也是如此。

在2020年，Imagination推出了全新的BXS系列图形解决方案，针对汽车用例做了专门的性能优化，为软硬件增加了支持ACB认证的全新安全功能。在最近的Khronos Imagination技术研讨会上，Imagination技术前瞻副总裁Kristof Beets对该公司在汽车领域创新思路进行了分析，Imagination的GPU技术将不同的用例从硬件层进行分割并保护，通过硬件虚拟化提供良好的安全性和性能。

例如TRP（即平铺贴图区域保护）关键专利技术，将性能对安全性的影响降到最低，基于平铺的GPU架构可以将任何安全相关冗余限制到最低水平，保证关键系统的安全性。”这一技术让我们实现了安全关键计算应用效率的最大化，专属的硬件机制可以检测瞬态和永久故障。在图像处理流程中，GPU单元的重复平铺贴图可以从几何构型与像素处理两个层面提供额外的安全防护。“

据悉，芯驰最新的智能座舱芯片X9U就基于Imagination的GPU技术进行打造，一颗芯片可支持多达10个独立全高清显示屏，包含前排仪表、中控屏、HUD及多个娱乐屏，能够实现多屏共享和互动的同时，其中的MCU子系统则负责与车内其他域控制器之间的安全通信和交互。

结语

智能网联汽车正在成为最大的智能移动终端，安全性也越来越成为重中之重。守护智能汽车安全需要多方主体共同发力，无论是整车可靠性，新一代电子电气架构，新型电池技术革新，还是车载半导体、车用操作系统都需一起发力，才能推动自动驾驶进入安全发展的“快车道”。（校对/李沛）