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开往更安全、更洁净的未来之路

时间:2018-04-19 作者:ASPENCORE全球编辑群 阅读:
由台湾地区《电子工程专辑》(EETimes Taiwan)与《电子技术设计》(EDN Taiwan)共同举办的TechTaipei系列聚焦“车联网”与“电动车”两大亮点,邀请国内外汽车产业的重量级厂商,分享对于车联网、自动驾驶相关技术的观察,并剖析未来的电动车发展脉络。

汽车载着人们通往世界各地,但为了让驾驶人有更安全的行车环境,车联网、先进驾驶辅助系统(ADAS)以及全面网络化打造的自动驾驶车,正逐渐成为现实。另外,全球资源的匮乏以及考虑地球的永续发展,使用更洁净能源做为汽车动力的想法,快速催生电动车(EV)的发展。VADEETC-电子工程专辑

日前,由《电子工程专辑》(EETimes Taiwan)与《电子技术设计》(EDN Taiwan)共同举办的TechTaipei系列即聚焦“车联网”与“电动车”两大亮点,邀请国内外汽车产业的重量级厂商,分享对于车联网、自动驾驶相关技术的观察,并剖析未来的电动车发展脉络。
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EE Times/EDN Taiwan连手举办TechTaipei系列研讨会,聚焦车联网与电动车两大亮点VADEETC-电子工程专辑

台湾博世(Bosch)原厂汽车零件销售事业部总经理杨建新在开幕日发表“车联网新趋势”专题演说。他指出,“车联网、自动驾驶、电能驱动”是移动(mobility)产业的三大发展主轴,目的在于让新一代的交通运输工具更安全、更有效率。而未来哪些厂商能够成功,“将取决于能否有效整合这三大关键技术趋势,赋予消费者全新的驾驶体验、乐趣与安全。”VADEETC-电子工程专辑

“未来的车子是在计算机加上4个轮子?还是以车子为主体,在车上配备计算机?”意法半导体(STMicroelectronics;ST)汽车产品事业部技术营销经理王建田一开场就对与会工程师抛出一个值得思考的问题。他进一步解释,自动驾驶将朝两个方向发展:一是无人车,也就是未来的车子只是在计算机上加上4个轮子,例如以Google、Uber为代表的阵营,目前正倾全力发展无人车。另一派则以传统车厂为代表,采取阶段性地发展自驾车,短期内从配备先进的技术着手,目的在于提升行车的安全性、便利性与用户体验,并逐步建置下一代自动驾驶技术。VADEETC-电子工程专辑

他个人认为,未来的车子并不只是计算机加上4个轮子,还牵涉到人性、科技发展的局限以及政府基础建设等问题。因此,以现阶段的市场成长态势来看,他认为电动车在逐渐克服充电、原物料与政府法令等问题后,比起自驾车更有发展潜力。
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图2:TechTaipei系列活动现场展示,参展商与工程师互动热络VADEETC-电子工程专辑

“车联网”为自动驾驶铺路

为了实现自动驾驶,提升行车安全性,业界正积极发展基于V2X的车联网技术。王建田说,“车联网”的概念简单说就像是把现有的手机功能导入车辆,但随着支持人工智能(AI)与云端运算等技术的新车款出现,不断创造出新的应用与商机。预计在2030年,100%的车子都将连网,并带来每小时约20GB的庞大数据量。此外,2030年将有15%的车辆实现完全自动驾驶,为汽车产业创造出2,160亿美元的数字与网约车服务等新商机。
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连网汽车将在现有的ADAS基础上实现更多创新功能,预计在2021年以前额外创造出7.3亿美元的商机(来源:ST)VADEETC-电子工程专辑

其中的ADAS与车用信息娱乐系统正是带动半导体产业成长的重要驱动力,它可能为台湾业者进入汽车领域带来哪些机会?德州仪器(TI)资深应用工程师暨技术委员许景华指出,ADAS 包括SrroundView、雷达/光达、传感器融合、CMS和智能后照镜等,其中许多都涉及辨识行人、标线与灯号的复杂算法,需要一定的准确度,较不适合缺乏软件投资的台湾,而像“智能后视镜(e-mirror)、驾驶人监控系统(DMS)和前置相机等应用,较适合拥有硬件强项的台湾业者导入。”VADEETC-电子工程专辑

此外,信息娱乐系统包括数字驾驶舱、数字仪表板、中控台与后座影音娱乐系统、高阶音响处理、汽车网关以及V2X/V2V车联网等创新应用,也将为台湾业者带来新机会。VADEETC-电子工程专辑

V2X:未来的明星产业VADEETC-电子工程专辑

汽车不仅是要提供驾驶车内的丰富娱乐,而是要提供车内与车外各个系统间的连结合信息,因此从连网汽车概念为出发,拓展到打造V2X的车联网网络,不仅提供丰富车上娱乐,更能确保驾驶与乘客拥有最佳的行车安全。VADEETC-电子工程专辑

“实现自动驾驶车的关键就在于V2X技术”——车对车(V2V)与车对基础设施(V2I)通讯。王建田解释,车辆与外界通讯可以透过Wi-Fi、地面广播、卫星与ADAS等技术实现,例如Wi-Fi连接至云端,实现V2V/V2I通讯;广播方式目前采用AM/FM,未来将会被数字广播取代,还可以整合智能型手机以及实现e-Call。卫星技术在车上的应用包括定位导航、卫星音频与数据串流,以及最新的驾驶行为车险应用服务(UBI)——预计将颠覆现有的传统车险市场。此外,传统车厂正逐步导入视觉与雷达感测技术、ADAS,最终将走向自动驾驶。VADEETC-电子工程专辑

车联网的主要架构是串起车内与车外的“信息信道”也就是车用以太网络与各种无线技术,并连接到云端平台进行分析,再回传控制命令,让汽车控制系统,也就是所谓的电子控制单元(ECU)执行。东芝(Toshiba)半导体技术营销部副协理水沼仁志(Hitoshi Mizunuma)表示,借助科技与半导体的进展,今年已有车厂推出具自动驾驶安全等级三的车款,先不论这样的汽车是否受法规限制而不能上路、或是技术是否已臻成熟的问题。从整个车联网的架构分析,现在的车联网架构分工模式出了些问题。VADEETC-电子工程专辑

也就是说,现在的连网汽车相当依赖云端平台,根据统计,到2025年,在汽车与云端之间串流传递的信息每个月将高达10艾字节(Exabyte)。这么庞大的信息量除了增加现有网络的负载量,使得网络数据传输品打折扣,也容易发生网络断线的情况,如此一来,汽车将无法从云端平台取得正确信息或命令,可能会因而发生危险。因此,现在物联网(IoT)相关业者正在讨论的边缘运算(Edge Computing)架构,可以移植到车联网中。VADEETC-电子工程专辑

边缘运算移植车联网?VADEETC-电子工程专辑

水沼仁志说明,现在的物联网架构中,由于“万事万物”都要仰赖云端进行运算,以至于对整体有线与无线通信网络都带来极大压力,因此网通设备厂商提出边缘运算,以及雾运算(Fog Computing)概念,让终端增添更多的运算能力,以减轻网络负担,并避免因网络负载太重而衍生的麻烦。未来汽车也可以打造为边缘运算的成员之一,透过运算能力更强的电子组件,先进行简单运算工作,再进一步透过无线通信技术连上云端。VADEETC-电子工程专辑

举例来说,具边缘运算功能的汽车可执行的简单运算,包括智能车钥,亦即可透过车上的摄影机拍下车主的脸,在车主靠近或远离汽车时自动开门或是上锁。现阶段仍是透过与云端分析靠近车身的人的脸部特征,未来则是由车内的处理器组件辨识,而不是将撷取到的影像传至云端,可省下数据传输时间。VADEETC-电子工程专辑

而汽车化身边缘运算的成员之一后,车内信息的流通与处理势必会变得越来越多,对车内网络与带宽也将带来新挑战。根据Strategy Analytics的数据表示,从2017年到2020年,车用系统的带宽需求预计将成长25倍。VADEETC-电子工程专辑

有鉴于此,已有厂商推动车用以太网络标准,以其因应更庞大的信息串流,但未来车子内部所需传输的影像数据也将越来越多,因此以太网络音频/视频桥接技术(AVB)标准以及各种高速互连技术也将逐步进入车内资通讯网络系统。VADEETC-电子工程专辑

Maxim技术应用部门经理黄志明说:“尤其是未来的车子将会配备巨大的屏幕、后座影音娱乐系统(RSE),加上显示器的分辨率越来越高,以及支持多达12颗以上的相机,所需处理的信息内容日益增加,将会不断提高对于ADAS和信息娱乐系统的带宽需求。”VADEETC-电子工程专辑

为了能安全、流畅地将数据从主机端传送至显示器,如何选择低成本、重量轻且高数据率的线缆方案也十分重要。黄志明认为,支持数Gbps的SerDes高速互连技术,可望因应未来汽车信息娱乐系统、ADAS和无人驾驶车所需的高数据率、复杂互连以及数据完整性要求。VADEETC-电子工程专辑

车联网:为“安全”而生VADEETC-电子工程专辑

车联网的发展是为达到“终极”安全性而生,希望能将行车事故率降低到零,虽然这是个远大的目标,但在车外与车内通讯架构上的改变,相信未来将可持续降低事故发生率。ST亚太区汽车产品事业体营销经理陈锡成指出,车外通讯架构在改变,车内通讯架构也须进一步“进化”,双管齐下,才能更加提升安全性。VADEETC-电子工程专辑

现阶段汽车的各项功能都是由单独的ECU控制、管理各别的传感器与致动器,万一发生问题,每个ECU的判断是否正确,该以哪一个ECU为判断依据,都有可能在这“争老大”过的程中发生危险。陈锡成认为,为避免上述问题的发生,未来汽车内部架构会走向网关(gateway)系统,亦即由此网关统一管理车上的ECU,收集各ECU的信息后连接云端,并下指令给须做出反应的ECU。VADEETC-电子工程专辑

此外,ADAS透过许多传感器、光学组件与摄影镜头提升汽车内外部的安全。其中定位传感器由于可做出包括直线、弧线、自转以及360度全面转向的动作,而肩负着车内机械设备的使用安全。VADEETC-电子工程专辑

IDT区域营销暨业务发展经理Ruggero Leoncavallo表示,非接触式定位传感器组件可应用在节气门位置感知器(TPS)、抑制开关(inhibitor switch)、油门、底盘平顺、齿轮抖动、空调系统、排文件,以及挡风玻璃刮水器…等。透过定位感设器驾驶可以知道汽车机械设备的运作状况,若是这些机械不在该有的设定位置,可早一步通知驾驶,免除因机械故障而衍生的危险。VADEETC-电子工程专辑

益华计算机(Cadence)则从IC设计的观点,剖析如何透过系统创新,打造更安全的汽车。Cadence亚太区系统解决方案总监张永专说:“IC设计从12个月的周期(从开规格到IC设计出来)发展至今已缩短为9个月,最近的消息还显示以最新的7nm制程,只需3个月的时间就能让IC完成从设计到出样。IC设计周期快速缩短,意味着汽车电子产业将随之发生剧烈变化。”VADEETC-电子工程专辑

张永专解释,IC设计周期大幅缩短,有助于使汽车制造、汽车电子或ADAS公司从开规格到取得芯片的时间缩短,从而加速汽车系统设计。以目前一部车从原型设计到制造约需5年时间来看,当导入最新制程使IC设计周期缩短1/4后,大约3年就可以拿到汽车了。他并预计这一变化还会越来越快速,特别是汽车市场商机庞大,CAGR约有15~20%,成为驱动半导体产业发展的重要推手。VADEETC-电子工程专辑

基于复杂SoC打造的ADAS应用在功能安全、可靠性与安全保护等方面,都必须符合汽车安全完整性等级(ASIL)最严格的ASIL D,无论是制程、IP与设计流程都有严格的规定。张永专介绍,目前车用安全的规范是《道路车辆功能安全》ISO 26262国际标准,“以往有关故障模式分析等技术都由车厂掌握,如今在ISO 2622标准制定后,越来越多的IC设计公司开始进入这一领域,透过符合ISO 26262的PCB设计与验证流程,将有助于简化IC设计,加速执行故障模式分析与验证芯片,协助汽车组件供货商符合ISO 26262功能安全。”
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ISO 26262针对车辆系统制订功能安全规范,一般车用音响只需通过ASIL B,但要达到自动驾驶必须达到最高的ASIL D(来源:Cadence)VADEETC-电子工程专辑

ADAS带给人们更安全的驾驶体验,各种传感器、相机模块也已成为全球汽车市场的标准配备,这些技术的普及大幅降低用路人发生意外的潜在风险。据德国汉高(Henkel) 资深电子材料工程师郑嘉佳介绍,从ADAS零组件到系统整合,包括零组件接着胶、高性能热管理解决方案、PCB保护、电路板底部填充材料(underfill)、绝缘涂层、导电胶、灌封胶、密封解决方案、液态填充材料和车灯除雾碳浆(PTC)等,也必须确保所使用的材料在极端温度、恶劣环境下保持可靠度、同时提升组件效能,而且还能符合各国环保法规。VADEETC-电子工程专辑

电动车势不可挡

为了减少石油的使用,降低二氧化碳排放,全球各国政府已开始大力推展电动车的发展,并发布禁用燃油车时程规划。外贸协会秘书长叶明水表示,欧美与中国大陆已设定2030~2040年这段期间逐渐禁用燃油车,台湾方面则是计划2030年一般公司新购车辆与公务车须为电动车,2035年新售机车皆须为电动车,而2040年新售汽车需全面皆为电动车。由此可见,电动车已成势必发展的未来趋势之一。VADEETC-电子工程专辑

即使政府法规强制禁用燃油车,但现阶段消费者的使用观念——汽油比电力便宜、充电很麻烦——仍需改变。因此积极发展电动车的Gogoro及特斯拉(Tesla),在推出电动机车与电动汽车同时,建立完备的充/换电机制与网络,期望可将电动车电池充/换电相当便利的概念深植使用者心中,进而促使大众更加接受电动车。VADEETC-电子工程专辑

Gogoro电池系统总监Daniel Vickery援引美国能源使用统计指出,交通运输消耗掉的能源比重可谓相当高,达27%,促使各国积极推广电动车。从汽机车的使用状况来看,电动汽车在一般或公司停车场或是家中进行充电是可行的,但对电动机车来说,尤其是台湾、泰国、越南等机车使用率相当高的国家,在机车停车场满布充电桩,或在家中同时为好几台电动机车充电,将是相当庞大的工程,因此Gogoro推展结合手机应用程序加上电动机车及智能电池与快速换电站的概念,解决上述庞大基础建设建置问题之外,也让使用者可轻松在6秒内换好电动机车电池并上路。VADEETC-电子工程专辑

针对消费者仍认为汽油较电力便宜的观念,Vickery说明,每公升的汽油可以转换为8.8kWh的能量,每1kWh可让燃油机车跑3.3公里,但却可让Gogoro的电动机车行驶131公里。这样的比较,汽油或是电力何者可让机车有更长的续航力,显而易见。VADEETC-电子工程专辑

电动机车或是汽车,其动力来源皆为电池组,且由于是依靠电能达到许多功能,如何设计高效能、高度安全的电池与电路,则须仰赖相关业者的技术进展。VADEETC-电子工程专辑

电池系统安全重中之重VADEETC-电子工程专辑

电动车与燃油车最大的不同是如何处理“电力”,因此电动车与燃油车最大的差异为动能系统,电池则为相当大的关键。德州仪器应用经理黄世纬表示,电力公司生产的电力传送到充电桩或是市电中的电力储存在电动车电池内,电池再释放电力予电动车的马达使用,这样的过程中牵涉到能源如何转换的问题,以及转换过程中如何维持高转换效率以避免能源的漏失。此时,微控制器(MCU)即扮演重要角色。VADEETC-电子工程专辑

电动车动力传动(Powertrain)应用架构涵盖车上需要有on-board充电器以供消费性电子产品供电,车用电池大多是用200V以上的高压来储存电力,以及马达、风扇、HACV、动力方向盘多为交流电(AC)系统,因此需要解决400V转12V、48V双向沟通等AC-直流电(DC)及DC-DC转换问题。黄世纬解释,这些转换过程利用高效能、具高运算能力与低延迟特性的微控制器可进一步解决,此外,在电动车马达控制与功能性安全方面,也需要高效能微控制器。换句话说,微控制器的设计需考虑数字电源转换、数字马达控制与功能性安全等三大需求,并通过ISO 26262认证。VADEETC-电子工程专辑

瑞萨电子(Renesas)车用事业部/市场营销部副理黄源旗认为,一般人可能会认为电动车就是把传统的引擎换成马达,油箱换成电池,但其实不是那么轻易就可以打造一部安全、具备燃油车功能的电动车。所需要的组件包括上述提到的微控制器、马达控制器、DC-DC转换器、温度控制模块…等,且这些组件在电动汽车中都属于“重保件”。VADEETC-电子工程专辑

所谓的重保件指得是万一该组件失效时会直接或间接影响车辆安全,进而危害人身安全的电子组件。黄源旗强调,不仅电子组件被视为重保件,仪表板因需要显示许多牵涉生命安全相关的灯号,也被归类为重保件的一环。且重保件在测试时若发生问题,无法修改再重测,而是得直接报销淘汰,也衍生对具备高效能与高可靠度微控制器的需求。VADEETC-电子工程专辑

而要确保微控制器或其他组件符合重保件条件,则需要经过ISO 26262功能性安全认证,且在制程技术方面也应采用较先进制程,才能使微控制器组件具备高效能与低功耗特性。VADEETC-电子工程专辑

在电动车电池管理系统(BMS)方面除了需要微控制器与电源管理IC之外,也需要电流感测组件的协助。依萨棱辉特霍伊斯勒(Isabellenhüette)亚洲营销主管Ladislav Varga表示,从电动车电气化技术可减少的二氧化碳量来看,各阶段的电力总成架构不同,电池管理系统需求的组件也稍有差异,不过这些系统不仅需要微控制器,也需要逆变器、转换器等组件针对AC-DC或DC-AC、DC-DC进行转换。不仅如此,针对电池管理系统的安全,还需要感测电阻与电流传感器随时监控电池状况,以免因电池失效而发生事故。
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电动车电力总成架构与可减少的二氧化碳对比图(来源:Isabellenhüette)VADEETC-电子工程专辑

罗姆半导体(Rohm)台湾设计中心所长林志升则认为,让电动车电池架构更高效、更具安全性,隔离组件、温度监测器、LSI与门级驱动器等组件也不可或缺,且还需要考虑如何让电动车电池系统变得更小,不占用过多电动车空间。VADEETC-电子工程专辑

举例来说,在将电池电能转换为动能时,可利用6组闸级驱动器加上其他组件组成系统架构,且将隔离组件整合在闸级驱动器中,除了可缩小系统尺寸,也可以使系统不受温度影响而产生问题。林志升表示,使用高整合度的闸级驱动器,可使电池电能转换为动能的系统更具可靠性,还能具备高抗噪声能力,更能缩短输入输出的延迟时间。VADEETC-电子工程专辑

此外,在电动车电池系统迈入48V,系统会需要从输出48V高压给车内需求低电压的功能使用,因此相关组件在设计时得注意脉冲宽度调变(PWM),以及采用宽能隙组件如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)打造的MOSFET,才能有效大幅降压,并耐受较高的工作温度,缩小系统体积。VADEETC-电子工程专辑

建立能源使用新标竿VADEETC-电子工程专辑

全面禁用燃油车就能“拯救”地球?事实上,没有那么简单。Gogoro与Tesla终极目标并不只是推出电动车、充电桩与换电站网络,而是试图建立全球能源使用的新思维。现阶段,Tesla已完成从太阳能发电到供给电动车电力,以及电力储存的垂直整合,显现该公司在新兴能源发展的技术实力,并向大众证明新兴能源可超越现有的燃煤或核能发电,有能力成为未来电力供给的主力。藉由Tesla的经验,该公司期望未来各国政府或是相关厂商都能针对再生能源有更多的研究,进而改变全球能源的使用。VADEETC-电子工程专辑

Vickery指出,目前Gogoro在台湾已完成每5公里内达到74%换电站的布建,但Gogoro希望可以「Go Big」,亦即能在电池系统开发之外,研发能造成能源革命的新技术,以及使用大数据(big data)分析能源使用状况,进而提供最节能的能源使用方式。在台湾,该公司的目标是在2025年,达成有20%的再生能源可利用。VADEETC-电子工程专辑

标准规范把关安全性

电动车的动力来自电池,在汽车不稳定环境下作业时可能发生问题,加上供电系统输出复杂,大电流马达、电磁阀等各种组件导致供电电压输出经常发生波动,甚至频繁发生大电压脉冲或跌落现象,影响车内电子产品稳定运作。爱德克斯(ITECH)营销技术支持部林文生指出,为了让车辆能稳定运作,必须对车子的发电机、继电器、接线盒、保险丝与车载电子等进行稳定度与耐受度测试,确保符合ISO 16750-2、LV124等汽车测试标准。VADEETC-电子工程专辑

除了ISO 26262功能性安全标准外,为避免电动车内部组件具备严苛使用环境耐受度,以及系统过载或瞬时电压太高而失效,国际汽车电子协会(AEC)制定了汽车电子组件相关的测试标准规范。Littlefuse应用工程经理许孝成说明,AEC制定的标准包括针对IC芯片的AEC-Q100、关于离散组件的AEC-Q101,以及锁定被动组件如电阻、电容和电感的AEC-Q200…等,因此车用组件皆须通过AEC-Q各项认证标准,才能获得汽车系统厂商或OEM的选用。VADEETC-电子工程专辑

电动车的电力系统相关组件安全很重要,但也别忽略充电系统的安全。许孝成指出,全球主要地区包括美国、欧洲、亚洲皆积极发展电动车,不仅得面对电动车带来的新电力系统架构的挑战,也需要关注充电桩的设计与安全性。目前电动车发展以美国走的最快,因此针对AC充电桩的接头已推出标准,且也融合欧规发布AC加DC的充电桩接头。VADEETC-电子工程专辑

日本则是强调利用DC充电提升充电桩充电速度,因此也有自有的充电桩接头;Tesla亦发展自己的超级充电站规格。近期,无线充电技术也成为电动车新的充电策略。对汽车制造商或是充电桩制造商来说,若能所有的充电接头都支持,对消费者而言将是最便利的,但是也意味着成本的提高,且产品也需要经过相关电气安全认证,如IEC或UL规范…等。VADEETC-电子工程专辑

此外,为了提升产品的可靠度,德凯宜特(Dekra-iST)技术营销室资深技术经理陈旺助指出,从组件、PCB、板阶可靠度(Board Level Reliability;BLR)、组装到系统都必须通车规可靠度验证,尤其是最近新增的测试项目——车规“板阶可靠度测试”。VADEETC-电子工程专辑

宜特科技可靠度工程处经理庄家豪说,“板阶可靠度测试对于手机、穿戴式电子等消费电子厂商而言并不陌生,从2000年即已陆续进行板阶相关测试,目的在于观察IC/组件上板后的焊点状态。如今,车用组件在安装于车辆之前,也必须经过这样一连串严苛的可靠度测试,才能确保产品质量以及保障人身安全。”VADEETC-电子工程专辑

特别是从车用系统模块失效模式来看,焊点经常是导致芯片失效的主因,而随着芯片封装尺寸与间距越来越小,焊点承受的应力越来越大,这个问题变得更重要。此外,Tier 1车厂近来也开始重视BLR测试并陆续建立专属的厂规。因此,陈旺助强调,欲转型进入车电供应链的消费型电子厂商除了符合既有的AEC-Q100 (IC)、ISO 16750(模块)规范外,还必须通过最新的AEC-Q104车规BLR认证。VADEETC-电子工程专辑

本文授权编译自EE Times Taiwan,版权所有,谢绝转载VADEETC-电子工程专辑

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