編者按
一場(chǎng)疫情推動(dòng)了線上視頻直播的潮流,許多電子行業(yè)的主流廠商也紛紛加入,ADI 就是其中一家,本以為會(huì)是“軟廣”,一個(gè)多小時(shí)聽下來(lái),卻感覺十分“硬核”,于是寫下文字,一方面是一種記錄,另一方面也為了與大家分享,希望給在汽車行業(yè)傳統(tǒng)崗位上,或是即將進(jìn)入汽車行業(yè)的工程師們一點(diǎn)啟示。
汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向解讀
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2019 Global Automotive Supplier Study | 信息源:Deloitte
根據(jù)德勤全球的數(shù)據(jù),2018 年全球汽車供應(yīng)商的總收入為 1.7 萬(wàn)億美元。從 2018-2025 年的預(yù)期來(lái)看,一方面,與車身或是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱相關(guān)的業(yè)務(wù)將呈現(xiàn)增長(zhǎng)緩慢或者慢慢開始下跌的趨勢(shì),某些細(xì)分市場(chǎng)甚至可能面臨高達(dá) 20%的收入流失;而另一方面,一些增長(zhǎng)較快的細(xì)分市場(chǎng)可能實(shí)現(xiàn)收入增加兩倍以上。其中,電氣化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池和燃料電池是最具增長(zhǎng)潛力和差異化能力的領(lǐng)域,將有超過(guò)或接近 3 倍的增長(zhǎng)幅度;ADAS 和傳感器部分緊隨其后,也會(huì)有超過(guò) 2 倍的增長(zhǎng)幅度。
因此,我們可以從報(bào)告中得出一個(gè)結(jié)論:智能化、電氣化和自動(dòng)駕駛將是汽車發(fā)展的三大主要推動(dòng)力。
下面分別針對(duì)汽車智能化、電氣化和自動(dòng)駕駛?cè)齻€(gè)方向,深入淺出地談一下其中將涉及的行業(yè)痛點(diǎn)與解決方案解析。
“智能化、電氣化、智能駕駛”進(jìn)程中的行業(yè)痛點(diǎn)與技術(shù)解析
智能化
當(dāng)我們談汽車智能化,一般指的就是智能化座艙,也就是被我們稱之為 infotainment 的系統(tǒng),它存在的意義在于使坐在座艙中的人更加舒適,更有時(shí)間去享受出行的第三空間。
那么,智能化座艙具體是指哪些方面的技術(shù)呢?
一是沉浸式的音頻體驗(yàn);二是相應(yīng)的主動(dòng)降噪、超寬帶回聲消除以及定向麥克風(fēng)技術(shù)。
而要達(dá)到這些效果,除了需要頂級(jí)麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器技術(shù)和 3D 音頻技術(shù)以外,對(duì)傳輸線束的要求也很高。大家知道音響的線束大都非常粗,目的是為了保證音頻質(zhì)量。如果大家有過(guò)裝修經(jīng)驗(yàn),就會(huì)發(fā)現(xiàn),只要有音響的布線,裝修成本就會(huì)非常高。
那么如何才能在降低成本的同時(shí),還能滿足上述需求呢?
學(xué)過(guò)數(shù)電和 DSP 課程的小伙伴是不是和我有了同樣的想法?那就是把傳統(tǒng)音響數(shù)字化,然后采用數(shù)字化總線傳輸替代模擬信號(hào)傳輸,這樣就能降低在傳輸過(guò)程中的損耗和對(duì)線束的要求,降低線材重量,簡(jiǎn)化布線過(guò)程,軟件開發(fā)與算法復(fù)雜度也會(huì)大大降低。站在電動(dòng)汽車的角度上,數(shù)字化的音頻總線在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí),具有一定的供電能力,因此還能降低整車能耗,拉長(zhǎng)續(xù)航里程。其實(shí),我們已經(jīng)能在不少車內(nèi)的音響品牌中找到 ADI 的這項(xiàng) A2B 技術(shù)。
A2B 技術(shù),什么意思?
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Automotive Audio Bus | 信息源:ADI
ADI 中國(guó)汽車技術(shù)市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理王星煒告訴我們:“A2B,是英文 Automotive Audio Bus 的縮寫,全稱是車內(nèi)音頻總線,對(duì)整個(gè)聲音的營(yíng)造會(huì)有更多的基于總線的數(shù)字化理念應(yīng)用在里面,也有相應(yīng)的產(chǎn)品。”
那么除了采用數(shù)字總線傳輸以外,我們的汽車制造商或者說(shuō)解決方案提供商還能為提升智能化座艙音頻體驗(yàn)做點(diǎn)什么呢??
那就是不得不提時(shí)下流行的“主動(dòng)降噪技術(shù)了”,可能有的小伙伴要問(wèn),主動(dòng)降噪到底是什么概念?生活中,我們能夠買的到很多主動(dòng)降噪產(chǎn)品,如主動(dòng)降噪耳機(jī),它的理念是當(dāng)你把耳塞塞到耳朵里,就會(huì)把噪音去除掉,你只會(huì)聽到你想聽的音樂(lè)和別人交流的聲音,里面也采用了 ADI 的音頻處理技術(shù)。而這項(xiàng)技術(shù),對(duì)于汽車領(lǐng)域同樣適用。
下面我們來(lái)了解一下汽車是如何實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪的?
首先通過(guò)車內(nèi)不同位置的麥克風(fēng)或傳感器將噪音收集下來(lái),包括車身四周的加速度、震動(dòng)信息,然后通過(guò) A2B 總線傳到主動(dòng)處理控制器,該控制器的核心技術(shù)是 ADI 音頻處理 DSP 技術(shù)(芯片+算法),它可以將收集來(lái)的聲音波形進(jìn)行反向,再來(lái)控制相應(yīng)的喇叭放出去抵消這些噪音,從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪的效果。
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主動(dòng)降噪原理示意圖 | 信息源:ADI
當(dāng)然,未來(lái)更深層次的智能化座艙還將包括獨(dú)立的聲音分區(qū)、智能的人機(jī)交互系統(tǒng)、駕駛員健康安全監(jiān)控等,這些都將隨著 ADAS 和傳感器技術(shù)的發(fā)展而逐漸走向成熟化。
電氣化
- 電氣化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
首先,我們來(lái)了解一下電氣化系統(tǒng)是什么樣的?
這得從電氣化架構(gòu)開始講起,電氣化架構(gòu)正從傳統(tǒng)的基于發(fā)動(dòng)機(jī)的架構(gòu)、基于內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力總成,往兩個(gè)方向發(fā)展:一個(gè)是往電氣化的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展,另一個(gè)是各種控制系統(tǒng)的電氣化發(fā)展。
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電氣化驅(qū)動(dòng)架構(gòu) | 信息源:ADI
接下來(lái),我們?cè)賮?lái)了解一下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)到底是怎么實(shí)現(xiàn)電氣化的?
傳統(tǒng)車在前艙會(huì)有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī),而現(xiàn)在整體新能源車在車底會(huì)有一個(gè)電池系統(tǒng),包括電池管理和動(dòng)力電池系統(tǒng)。未來(lái),發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)會(huì)慢慢過(guò)渡到由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),如果是四輪驅(qū)動(dòng),后面和前面會(huì)各有一個(gè)電機(jī)。
具體是怎么驅(qū)動(dòng)的呢?首先,電池給出來(lái)的電是直流電,大家用過(guò)傳統(tǒng)電池,我們手邊可接觸到的電池基本是 1.5V 的 5 號(hào)電池,或者是手機(jī)鋰電池,差不多是 4V 左右或 3.7V 的電壓。新能源電動(dòng)車使用的動(dòng)力電池電壓會(huì)達(dá)到 400V 的級(jí)別,它是一個(gè)高壓電池,但是直流電。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪,它所需要的是交流電。當(dāng)中需要有一個(gè)電機(jī)控制器去控制直流電到交流電的轉(zhuǎn)換,同時(shí)要控制電機(jī)車輪去旋轉(zhuǎn),相應(yīng)的轉(zhuǎn)速,以及給多少動(dòng)力到車輪上。這是相應(yīng)的電機(jī)控制器所需要完成的任務(wù)。
電機(jī)控制器到底有哪些組成部分呢?首先有控制器來(lái)控制相應(yīng)電機(jī)的工況。控制器需要有電源,也需要有通信收發(fā)器,通信收發(fā)器也要考慮相應(yīng)隔離的技術(shù),因?yàn)楦邏弘姵厥?400V,不做隔離的話出現(xiàn)一些漏電會(huì)引起人員的危險(xiǎn)。
對(duì)應(yīng)來(lái)說(shuō),要把直流電轉(zhuǎn)換成高壓的交流電,需要應(yīng)用到高壓的功率器件,常見的是現(xiàn)在 IGBT 的技術(shù),少數(shù)已經(jīng)開始使用 SIC MOSFET 技術(shù)了,但未來(lái)絕對(duì)是屬于 SIC MOSFET 的世界。
SIC MOSFET 有一個(gè)問(wèn)題,它需要高壓大功率驅(qū)動(dòng)的信號(hào)。MCU 信號(hào)是弱電的,它沒法給出那么高壓、那么強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。這里面相應(yīng)的隔離門驅(qū)芯片,我們叫做 gate driver & Isolation 芯片,也是 ADI 在電氣化中非常重要的技術(shù)。
前面提到的 BMS 芯片,有隔離的通信芯片和驅(qū)動(dòng)芯片,也有電機(jī)位置傳感器芯片。在電機(jī)位置傳感器方面,ADI 中國(guó)汽車技術(shù)市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理王星煒告訴我們:“ADI 有非常高市占率的傳感器方案,就是旋轉(zhuǎn)變壓器方案,也會(huì)有相應(yīng)的電流傳感、電壓傳感和供電方案給客戶做這樣一個(gè)高壓電氣化驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。”
- 電池管理
說(shuō)完了電氣化的架構(gòu),我們來(lái)看看電池管理是什么樣的?
某個(gè)品牌電動(dòng)汽車使用的就是圓柱型的鋰電池。而民用版的鋰電池,大家平常有很多地方都會(huì)用到,比如無(wú)人機(jī)或者玩航模的都會(huì)用到圓柱型電池,一些大功率的手電筒用的也是圓柱型電池。有網(wǎng)友提到,該品牌汽車使用的圓柱型電池也是 18650,但它總共用了有 7000 顆圓柱型電池。所以,民用和車用的不同就體現(xiàn)在這一點(diǎn):我們平常使用可能只要管好這一顆電池的狀態(tài)就可以了,但車的用量非常大,像圓柱型電池,如果用 7000 多顆的話,電池管理是非常有挑戰(zhàn)的。
除了圓柱型的電池之外還有另外兩種,一個(gè)是軟包,手機(jī)上用的非常多的就是軟包的電芯,多個(gè)電芯組成電池組;另一個(gè)是方殼型的電芯,每個(gè)電芯都需要做監(jiān)控,同時(shí)多個(gè)電芯會(huì)組成一個(gè)電池組,也需要做監(jiān)控。因此,ADI 中國(guó)汽車技術(shù)市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理王星煒表示,“ADI 產(chǎn)品家族不僅提供電芯監(jiān)控,也提供電池組的監(jiān)控,以及相應(yīng)的電芯監(jiān)控之間高壓隔離的通信技術(shù),是一個(gè)非常完整的產(chǎn)品家族,給到整個(gè)行業(yè)一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的解決方案。主要好在哪兒?ADI 完整的產(chǎn)品家族支持從最高 800V 到相應(yīng) 48V 的弱混系統(tǒng),同時(shí)提供非常高的精度、穩(wěn)定性,以及現(xiàn)在主流的行業(yè)所需要的非常高的功能安全等級(jí)?,F(xiàn)在通信架構(gòu)也有兩種發(fā)展方向,有有線的 iso SPI 方向,也有無(wú)線的 BMS 架構(gòu)??傮w來(lái)說(shuō),ADI 完整而全面的產(chǎn)品家族,使得整個(gè)系統(tǒng)往更低系統(tǒng)成本的方向發(fā)展?!?/p>
既然提到了電池管理和電芯監(jiān)控,那我們不妨再來(lái)了解一下其中原理。
電池管理都是通過(guò)電芯電壓來(lái)管理的,說(shuō)白了就是通過(guò)電芯電壓知道它有多少電量,因此需要準(zhǔn)確地測(cè)量電芯的電壓,轉(zhuǎn)換成電量的信息。電池又會(huì)有不同的材料,不同的材料就有相應(yīng)不同的放電曲線。比如磷酸鐵鋁的曲線就會(huì)非常平。對(duì)非常平緩的曲線,每一毫伏對(duì)應(yīng)的電池電量的百分比就非常關(guān)鍵。測(cè)量精度一旦有誤差,測(cè)量出來(lái)的電量就會(huì)有非常大的安全余量,這樣電池可以用的電量就變小了。
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電池管理 | 信息源:ADI
我們來(lái)看一下整個(gè)行業(yè)需要的電池應(yīng)用的不同場(chǎng)景。
電池應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)從最小的 48V 弱混系統(tǒng)一直到插電混動(dòng)電池包,再往上電池組的級(jí)別還會(huì)做到串并聯(lián)。比如一些大巴車、電動(dòng)船舶,身長(zhǎng)較長(zhǎng),需要不止一組電池組串并聯(lián)來(lái)提供相應(yīng)的能量。而對(duì)于插電混動(dòng)和純電動(dòng)車來(lái)說(shuō),不同的電芯需要做非常多的串并聯(lián)組成一個(gè)電池組。因此,不同的使用場(chǎng)景會(huì)需要不同的產(chǎn)品家族去應(yīng)對(duì)。
總體來(lái)看,整個(gè)電池會(huì)有不同的層級(jí),從前面說(shuō)的電芯最基本的底層到模塊層,到電池包層,再裝到車上,組成一個(gè)車級(jí)應(yīng)用,車還會(huì)跟電網(wǎng)有相應(yīng)的交互。電池管理中,400V 的電池有接近 96 節(jié)或者 100 節(jié)的電芯在里面做串聯(lián)。ADI 中國(guó)汽車技術(shù)市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理王星煒表示,“目前 ADI 技術(shù)已迭代到第五代,可以提供 12 通道(如 LTC6811)、15 通道、18 通道(如 LTC6813)的產(chǎn)品去應(yīng)對(duì)客戶的不同需要,而且是通過(guò)雙腳隔離聚化鏈的架構(gòu)去做相應(yīng)的隔離通信,然后再把相應(yīng)電芯的電壓和溫度信息去給到電池管理的主控芯片做相應(yīng)的測(cè)量。此外可靠性方面,體現(xiàn)在焊接完芯片以后 PCB 非常小,不需要做產(chǎn)線額外的標(biāo)定,生產(chǎn)成本比較低。穩(wěn)定性方面,體現(xiàn)在汽車質(zhì)保方面,比如六年十萬(wàn)或十五萬(wàn)公里的行駛,相應(yīng)的關(guān)鍵部件不出現(xiàn)衰減,電池就是關(guān)鍵部件。再者就是系統(tǒng)級(jí)的解決方案方面,不僅體現(xiàn)在相應(yīng)電壓電流的檢測(cè)功能性上,還包括對(duì)功能安全非常全面的支持?!?/p>
要滿足以上需求的產(chǎn)品架構(gòu)是什么樣的呢?
現(xiàn)在業(yè)界的產(chǎn)品架構(gòu)在往兩個(gè)方向發(fā)展,一個(gè)是 BMS 有線通信架構(gòu),即 BMS 每個(gè)電芯模組上有一個(gè)采樣板,采樣板之間是通過(guò)隔離的雙腳線連接,組成一個(gè)環(huán)形的有線的拓?fù)?。另一個(gè)是未來(lái)的發(fā)展方向,就是無(wú)線 BMS,每個(gè)模塊之間不再有傳輸?shù)耐ㄐ啪€了。
無(wú)線有什么好處呢?
無(wú)線使得電池的全生命周期管理都可以獲得監(jiān)控。
怎么監(jiān)控呢?
在電池生產(chǎn)的時(shí)候,可以跟無(wú)線的管理系統(tǒng)做一個(gè)綁定,有點(diǎn)像電池的身份證。電池的身份證只要生產(chǎn)的時(shí)候就跟著電池,等到電池生產(chǎn)完送到倉(cāng)庫(kù)去,在倉(cāng)儲(chǔ)管理的時(shí)候也是有無(wú)線 BMS 技術(shù)在做持續(xù)監(jiān)控。等到電池在運(yùn)輸中,以及最終裝到車上以后,都會(huì)有一個(gè)持續(xù)的記錄:這個(gè)電池是什么時(shí)候生產(chǎn)的,行駛了多少里程,可用電量有沒有衰減,衰減到什么程度。
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無(wú)線 BMS 使能電池二次利用 | 信息源:ADI
現(xiàn)在人們用車一般大概是五六年或者更長(zhǎng)一段時(shí)間,就會(huì)考慮變成二手車出售再去買新車,這是傳統(tǒng)使用車的周期。這個(gè)周期內(nèi)電動(dòng)車怎么去評(píng)估殘值?其中動(dòng)力電池的殘值評(píng)估就是非常關(guān)鍵的一個(gè)點(diǎn)?;谶@種無(wú)線通信的技術(shù),電池里面就有自己的無(wú)線身份證,會(huì)知道它的可用電量衰減到什么樣的程度,就可以評(píng)估它的殘值了。同時(shí),如果這個(gè)電池不再適合車用,還可以二次利用,比如變成一個(gè)大樓的備用電源或者數(shù)據(jù)中心的備用電源,這也是一個(gè)未來(lái)發(fā)展的方向,通過(guò)無(wú)線 BMS 系統(tǒng)使得監(jiān)控系統(tǒng)可以和電池進(jìn)行全生命周期的綁定,變成一個(gè)身份證。
自動(dòng)駕駛
- ADAS 與傳感器技術(shù)
再看一下未來(lái)的自動(dòng)駕駛是什么樣的。
現(xiàn)在路上跑的已經(jīng)有很多車是帶自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的,我們先看一下駕駛輔助系統(tǒng)。
一般駕駛輔助系統(tǒng)都需要非??煽康膫鞲衅骷夹g(shù)?,F(xiàn)在按照自動(dòng)駕駛的技術(shù)來(lái)看,雷達(dá)技術(shù)和攝像頭技術(shù)是目前業(yè)界使用最廣泛的自動(dòng)駕駛的傳感器技術(shù)。一般的雷達(dá)是自適應(yīng)巡航的長(zhǎng)距離雷達(dá),放在車輛中間的位置,也有放在車輛后視鏡的位置?,F(xiàn)在做自動(dòng)駕駛的雷達(dá)會(huì)在車的四個(gè)角落都放,后面也會(huì)有。它所需要做的探測(cè),就是探測(cè)障礙物。
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高性能成像雷達(dá)方案 | 信息源:ADI
如果單去看現(xiàn)在業(yè)界的方案,有按照頻率來(lái)分的,比如有 24G/77G 雷達(dá),這是毫米波雷達(dá),類似于蝙蝠超聲波通過(guò)回波檢測(cè)障礙物。毫米波雷達(dá)會(huì)發(fā)射微波,通過(guò)回波特性來(lái)知道障礙物在哪里。傳統(tǒng)的 24G/77G 雙方案體現(xiàn)到相應(yīng)的半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)說(shuō),原來(lái)分離式的方案,主流的芯片工藝都是 GaAs 工藝,因?yàn)樗梢詽M足探測(cè)傳感器所需的高速開關(guān)。但 GaAs 工藝和傳統(tǒng) Si 工藝,由于工藝上的差別,導(dǎo)致生產(chǎn)成本非常高。因此,折中選擇現(xiàn)在的發(fā)展方向——SiGe 工藝,既能降低成本,又可增強(qiáng)可集成度的特性。SiGe 工藝會(huì)更好地與傳統(tǒng) Si 工藝技術(shù)來(lái)做整合,可以有更多的數(shù)字電路集成到這些芯片上去。對(duì)于 ADI 來(lái)說(shuō),其固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)和 ToF 攝像頭技術(shù)非常適合做成像雷達(dá),不僅可以探測(cè)障礙物,還可以區(qū)分出多個(gè)障礙物之間的距離,為自動(dòng)駕駛量產(chǎn)提供基礎(chǔ)保障。
- 慣性導(dǎo)航
有的小伙伴可能第一次聽說(shuō)慣性導(dǎo)航,它在所有汽車技術(shù)中不太起眼,卻是在自動(dòng)駕駛方面非常重要的一個(gè)方案。在一些比較高性能、高可靠性的航空器里使用比較多,比如民航飛機(jī)。
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汽車級(jí)慣性導(dǎo)航 MEMS 方案 | 信息源:ADI
導(dǎo)航器件在汽車?yán)锏膽?yīng)用變得越來(lái)越重要,如果是基于高清地圖的自動(dòng)駕駛行駛,就無(wú)法避免過(guò)隧道、高架橋下方,這些地方 GPS 信號(hào)不好,但我們?nèi)耘f需要相應(yīng)的導(dǎo)航信息,這種導(dǎo)航信息就需要來(lái)自慣性導(dǎo)航的芯片和算法持續(xù)給基于車的轉(zhuǎn)向或者車的加速度、減速度,來(lái)定位車的具體位置。ADI 中國(guó)汽車技術(shù)市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理王星煒告訴我們:“目前 ADI 的慣性導(dǎo)航相應(yīng)的芯片是基于原來(lái)在民航飛行器中的很多經(jīng)驗(yàn),轉(zhuǎn)化成汽車應(yīng)用,與傳統(tǒng)的從手機(jī)消費(fèi)類提升到汽車應(yīng)用的方案不同,擁有非常高的可靠性和精度?!?/p>
寫在最后
智能化、電氣化、自動(dòng)駕駛將是未來(lái)汽車發(fā)展的三大方向,這已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)內(nèi)形成了共識(shí)。對(duì)于半導(dǎo)體廠商而言,無(wú)疑是變革中大蛋糕的分享者,但機(jī)遇往往與挑戰(zhàn)并存,瓶頸鑄成壁壘。
舉個(gè)例子,大家都知道特斯拉最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一在于其憑借純電動(dòng)平臺(tái)以及較好的電池管理系統(tǒng) BMS,使得整車在冬季以及高速巡航狀態(tài)下,續(xù)航里程都不至于下滑太多。針對(duì) BMS 這一部分拉開的差距,它涉及到電池組、監(jiān)控管理芯片、算法、極限測(cè)試等多個(gè)方面,那么突破方向何在?
ADI 中國(guó)汽車技術(shù)市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理王星煒告訴我們:“對(duì)于電池管理 BMS 芯片來(lái)說(shuō),采用實(shí)驗(yàn)室級(jí)的齊納二極管基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)突破方向,這種埋入式齊納二極管將結(jié)放置在硅表面下方,遠(yuǎn)離污染物和氧化層的影響,從而達(dá)到精確、穩(wěn)定的測(cè)量效果,賦予電池更多的‘可用電量’,也使得電動(dòng)車在冬季或者其他使用工況下有更好的續(xù)航里程?!?/p>
的確,將大問(wèn)題拆解,尋求細(xì)節(jié)落實(shí)與突破,確實(shí)是不變的應(yīng)戰(zhàn)準(zhǔn)則,未來(lái)隨著半導(dǎo)體廠商在汽車領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)的不斷積累,變革的腳步預(yù)計(jì)會(huì)越來(lái)越快。
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