半導體技術顛覆汽車設計

作者 : Joseph Notaro,安森美半導體(ON Semiconductor)汽車策略及業務拓展副總裁

20年前,購車大眾的願望和決策標準幾乎與車輛本身一樣發生了變化。在千禧之交,消費者主要對汽車的性能、引擎尺寸,以及汽車的品牌感興趣。如今,這些特性,尤其是資訊娛樂和「連接」特性、排放水準、安全性和品質已成為決策標準的重中之重…

安森美半導體進入汽車半導體領域已有20多年的歷史了,確切地說是半個多世紀!在這段時間裡,汽車發生了不可估量的變化,而且,在大多數領域,變化的步伐正在加快,因此需要更多創新的技術方案以支持汽車產業的轉型。

回想20年前,購車大眾的願望和決策標準幾乎與車輛本身一樣發生了變化。在千禧之交,消費者主要對汽車的性能、引擎尺寸,以及汽車的品牌感興趣。如今,這些特性,尤其是資訊娛樂和「連接」特性、排放水準、安全性和品質已成為決策標準的重中之重。

安全性一直是購車者的考慮因素,但人們的期望已經改變。20年前,安全特性主要是被動的,例如安全氣囊和吸能緩衝區(crumple zone),而現在,安全性更加主動,透過使用技術積極預防事故發生。

現代汽車配備感測器來監視車輛運作的幾乎每個方面,其內部和外部環境、駕駛,以及所有乘客,駕駛和乘客監視是相對較新的進展。20年前,最初的感測器僅監視車輪的轉動,從而允許導入早期系統來控制制動和牽引力。如今,即使在入門級車型上,車輛也包含多達一百多個感測器。

根據IHS Markit調查報告,今天的車輛具有更長的預期壽命,這在很大程度上要歸功於現代車輛所採用的技術和控制系統。這些系統不僅可以提供更平穩的換檔、更低的排放,以及更好的能效和安全性,而且還可以防止導致車輛過早磨損的過度駕駛。因此,車輛的平均預期壽命從千禧之交的9.6年增加到現在的12年左右。此外,現代先進駕駛輔助系統(ADAS)防止四分之一以上的碰撞(根據Boston Consulting Group的研究),從而進一步延長了車輛的使用壽命。

汽車產業的快速變化步伐

汽車領域的變革步伐從未如此之快。雖然可以購買新內燃機(ICE)車輛的日子已經不多了,但這些車輛的創新仍在繼續,以提高安全性、能效並消除其產生的污染。汽車的未來顯然是在電力領域,輕度混合動力車(MHEV)、插電式/混合動力車(PHEV/HEV)和電池電動車(BEV)的銷量正在增長,雖然許多人希望這一增長比目前更快。

車輛的幾乎每個方面都在發生變化——汽油動力傳動系統正在變成電動的,這本身就推動了整個車輛結構的進一步變化,要求電動馬達在電動輔助轉向系統(EPS),以及冷卻風扇等領域取代機械驅動的泵。實際上,許多機械、機電和液壓系統已被完整的電氣/電子系統所取代。由於這些新方案通常比以前的方案更小、更輕、更高效,更可靠,因此它們也用於ICE車輛,以減少化石燃料車輛的排放。

除了提高能效外,汽車廠商還堅定地關注其車輛的安全性。研究表示,所有事故中超過90%可歸因於駕駛員,因此汽車廠商的安全工作集中在協助駕駛並最終接管駕駛的系統上,這在一段時間內是一種功能,直到車輛完全實現自動駕駛。

半導體在車輛中的重要性

車輛中有五分之四的創新與電子相關,因此依賴某種形式的半導體元件。因此,根據McKinsey and Company的報告,汽車廠商每年在半導體元件上的支出約為240億美元。儘管汽車領域每年以約8%的速度增長,但某些領域的增長速度更快,特別是ADAS和自動駕駛(18%)、LED照明(24%)和電動車(42%)。

 

圖1:半導體是現代汽車電子系統的基礎。

 

車輛包含的電子含量比以往任何時候都多,美國汽車工程學會(SAE) Level 2電動車約有580美元主要用在影像感測器、雷達感測器、離散開關元件、電源模組和照明。然而,隨著光達(LiDAR),以及感測器融合、寬能隙(WBG)元件和雷射照明技術的加入,預計這在Level 4電動車中將增加三倍至1,760美元。

在普通車輛中,三分之二的半導體成分來自類比元件、功率元件和感測器。ADAS、更多的車輛電氣化和複雜照明系統的推出,都推動上述每個產品領域的成長。

 

圖2:依照車型劃分的每輛車半導體含量統計。

(來源:iSuppli)

 

半導體技術的快速發展,包括高性能WBG元件在商業上的可用性不斷提高,以及電動車動力傳動的迅速發展,從一代車輛到下一代車輛的設計常常發生重大變化。半導體領域的持續創新使汽車廠商能夠減少排放、增加電動車的行駛里程,提高自主性並減少關鍵電子系統的尺寸和重量,從而使最新一代的車輛對購車大眾更具吸引力。

汽車半導體技術走向未來

就全自動駕駛而言,視覺和雷達感測器是同樣重要的感測技術,因為許多系統(防撞、盲點檢測、車道保持、標誌識別、自動緊急煞車等)都依賴於車輛檢測並辨識周圍環境的能力。車艙中越來越多使用視覺感測器來監視駕駛和乘客,從而進一步提高了舒適性和安全性。實際上,自動駕駛車可包含多達40個這樣的感測器。

 

圖3:未來的車輛將包含數十個基於視覺的感測器。

 

未來,更多的車輛將擁有包含影像感測器、超音波感測器、雷達和LiDAR的系統,透過感測器融合提高有效性、冗餘性和強健性,而互補技術將協同工作以確保在所有環境條件下都能完美運作。

在動力傳動系統中,在惡劣環境下的能效和可靠性將仍是主要重點。消費者單次充電的成本和行駛里程與電動車的成功緊密相關,碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)將在提供前所未有的能效水準方面發揮重要作用,尤其是在動力傳動和車載充電系統中。儘管離散方案眾所周知,但將電源開關IGBT和MOSFET及其相關的閘極驅動器,以及溫度和電流檢測整合的模組方案,如功率整合模組(PIM)或智慧功率模組(IPM),將推動系統的重大改進。

照明將得益於越來越強大的智慧,基於LED的系統將繼續提供更高能效的工作,以及更大的功能。自我調整大燈將智慧地為駕駛照亮前方的道路,同時確保迎面而來的駕駛不會因而眼花撩亂。重點將轉移到車尾燈上,先進的LED燈將車尾燈變得生動,提供更清晰的方向指示,且煞車燈將調節其強度以反映制動力,從而提高道路安全性。將來,全自動駕駛車不僅將使用車燈去「看」,還將作為與外界交流的一種方式。

車輛中最重的物品之一是將所有單獨的模組化子系統連接在一起的佈線。隨著越來越多的電子系統被添加,並且由於資料內容呈指數成長,資料傳輸速率和資料量激增,這些過時的線束變得更重、更昂貴且完全不足。車載網路(IVN)將提供傳輸資料所需的頻寬,同時又夠精密,以確保所有與安全相關的消息都以高優先順序且無延遲地傳輸。

車輛複雜性不斷提高,與其他車輛和周圍基礎設施(如智慧城市)的通訊變得普遍,車輛架構將發生變化。乙太網路很可能會成為主導的IVN技術,從而促進從基於訊號的通訊向服務導向結構的過渡。

總結

汽車和汽車產業正在發生無可估量的變化。許多機械和液壓系統將被提高能效、安全性和舒適性的電子等效物所取代,半導體將是這些進步的關鍵,並且隨著電動車的興起,半導體將成為所有汽車中最重要的元件。安森美半導體將繼續在這更安全、更綠色的未來發揮重要和有價值的作用,該公司的影像感測器已經每小時挽救9條生命,或每年挽救81,000條生命!

 

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