隨著連網與安全等汽車電子元件需求升溫,現在正是積極搶進車用電子市場,迎接智慧駕駛時代的最佳時機。就在今年的台北國際車用電子展(AutoTronics Taipei)上,從一場探討最新汽車電子技術議題的「汽車電子與車聯網研討會」齊集業界多家重量級廠商與數百名工程師的盛況就能清楚看到,無論是半導體、通訊與IC設計等相關業者,都不容錯過這個將為半導體產業開創藍海的新契機。

根據市調公司Strategy Analytics估計,2015年全球約有8,500萬輛汽車生產,預計到了2018年將突破1億部。隨著越來越多的車輛出現,預計接下來還會有各種新能源車、無人駕駛車與自動駕駛車出現在我們的生活中。為了打造「車對車、車對人、車對路互連互通」(V2X)的智慧駕駛環境,攸關行車安全性、娛樂性與舒適性的各種技術與應用,正成為今年AutoTronics Taipei以及這場研討會的討論熱點。

20160506 autotronics NT31P1 「汽車電子與車聯網研討會」吸引業界多家重量級廠商與數百名工程師參與,共同探討最新汽車電子技術議題,現場座無虛席

V2X+ADAS實現智慧駕駛

智慧駕駛包含車聯網、先進駕駛輔助系統(ADAS)及車載資通訊系統(Telematics),而這三個項目都是以提升行車安全為主要宗旨。意法半導體(STMicroelectronics)行銷經理王建田表示,目前各大車廠與半導體業者相當看重的ADAS,為現階段汽車產業發展的技術重點,也是智慧駕駛發展的第二階段,而車聯網系統的完整建置,將真正迎來智慧駕駛的時代。

為了讓ADAS更加完善,需要許多半導體元件的支援。恩智浦(NXP)大中華區資深區域市場行銷經理甘治國指出,透過大量半導體元件以及安裝在汽車內外的感測器、攝影機、雷達,可實現自動煞車、自動停車等安全性功能,終極目標就在於搭配車聯網技術,讓自動駕駛車真正上路。

20160506 autotronics NT31P2 研討會現場展示各種汽車電子產品與技術方案;與會嘉賓和參展商互動交流熱烈

ADAS讓許多半導體元件得以開拓新商機,除了各種車用子系統,互補金屬氧化物半導體(CMOS)雷達系統也開始受到車廠的矚目。甘治國表示,傳統的汽車雷達系統可作為感測物體之用,為車商建置迴避障礙物與行人或自動煞車系統。不過,現有的汽車雷達體積較大,系統也較為複雜,因此,CMOS雷達挾低功耗、高效能、小尺寸等優勢,逐漸進入車用電產業。

隨著汽車內建的處理器與半導體元件日益增加,汽車整體耗電的問題也不得不慎。安謀國際(ARM)行動通訊暨數位家庭市場資深行銷經理林修平認為,ADAS涉及的運算量大,包括感測器訊號處理、攝影機到顯示器的影像運算等。若只是一味的想提高運算效能而採用超高速處理器,汽車整體功耗可能無法符合法規與車廠的要求,因此,適時搭配高效能與低功耗處理器,才能打造暨聰明又節能的智慧汽車,滿足智慧駕駛安全且節能的目標。

20160506 autotronics NT31P3 意法半導體行銷經理王建田強調,連網汽車將如同技術樞紐 (來源:意法半導體)

V2X立法加速自動駕駛車上路

在車聯網系統中,通訊技術將扮演重要角色。林修平表示,車聯網通訊可細分為短、中及遠程,遠程包括LTE-Advanced、5G等行動通訊技術;車內通訊可採用藍牙(Bluetooth)或其他無線系統;而車間通訊(V2V)與車與路間裝置通訊(V2I)則可利用專用短程通訊技術DSRC或LTE-Direct。

現階段,V2X場測已開始進行中,除了確保車聯網系統的效能與安全性,也預告真正可行的車聯網系統即將發生。甘治國透露,2019年上海將有大規模車聯網系統的路測,屆時將有2萬台汽車加入測試。

為了提升車聯網完整度與確保自動/無人駕駛車的行車安全,未來車聯網將進一步涵蓋行人的行動設備、摩托車,甚至與無人機(Drone)結合。王建田援引統計資料表示,在摩托車較多的地區,若將摩托車加入車聯網的一部份,可望降低80%的意外事件。

甘治國則強調,加入無人機的車聯網系統,不僅可預先讓駕駛人或自動駕駛系統知道前方路況,以提早做出反應,提升道路與行車安全,還可讓服務供應商開發更多應用,提供駕駛人更多樂趣。不過,無人機涉及法規標準、公共安全、異業結盟等問題,還需較長的時間才能實現。

至於車聯網安全的法規,王建田解釋,美國目前已經為此準備就緒,僅待美國國會審議通過車聯網法規後,歐盟也將跟進。隨著美國與歐洲將車聯網納入汽車標準配備,不僅相關設施將加速建置,也將促使全球各地群起效尤,進一步帶動汽車產業新一波商機。

汽車中樞——車身控制系統

根據WHO在2010年的統計,全球每年約有124萬人在車禍意外中喪生。為了達到零事故的安全性,瑞薩電子(Renesas Electronics)汽車應用行銷部經理何吉哲指出,必須從安全控制與偵測辨識2項技術著手。車身控制技術包括方向盤、底盤穩定與煞車,偵測辨識技術則必須同時考慮人與車。瑞薩科技針對相關應用提供了車用底盤、方向盤、ADAS等各種半導體元件與SoC方案,均支援基於ISO26262車用標準的功能性與安全性,並可提供達到ASIL-D的最高等級要求。

「座艙系統將是未來汽車的核心!」何吉哲指出,未來將會看到汽車音響、導航與儀表板等系統進一步整合,汽車儀表板上將出現更多的螢幕以及在顯示器中加入ADAS、環景系統與倒車雷達系統等,形成一個整合的座艙系統。因此,目前高階車款的開發趨勢是在一顆晶片中整合儀表板、中控、導航與4K顯示等各種功能,以因應2018年以後的車款需求。

瑞薩科技也在今年的AutoTronics同步展出這種整合的下一代平台R-Car H3,據稱是全球首款採用最先進的16nm FinFET製程,並搭載64位元8核心CPU與H.264 codec壓縮,可支援未來的自動駕駛應用。

來自德國、在全球汽車電子市場名列前茅的大廠英飛凌(Infineon)也由車身電子市場切入,從LED車燈控制、車內網路/匯流排以及連網汽車安全性三大角度分享最新技術趨勢。該公司亞太區汽車車身部門行銷總監Martin Spiteri表示,市面上新一代車輛的功能越來越多樣化、設計也更加複雜多變,對車廠與汽車零組件供應商來說都是艱鉅挑戰。

以LED車燈為例,各大車廠的車前燈/後燈、後照鏡方向燈、裝飾用照明,在設計上不但要求亮度、可靠度與特殊功能性,還訴求美感以及品牌的辨識度;此外還有車內網路如CAN與新興的車用乙太網路,發展重點在於支援高速傳輸與連結越來越多樣化的汽車功能。而國外有研究人員扮演駭客成功入侵連網汽車的案例,車用安全技術的重要性也日益顯著。

Spiteri強調,要因應這些五花八門的汽車裝置設計需求以及安全性標準,汽車零組件供應商需要具備高整合度、設計彈性與可擴充性的車用晶片方案;慎選在汽車產業界擁有豐富經驗與口碑的半導體供應商,將是掌握車用商機的捷徑。

不讓歐美日半導體業者專美於前,成立於2011年的台灣類比元件設計業者力神科技(Lision),近兩年來在車用IC市場亦小有斬獲;該公司產品經理張寬增表示,力神自去年進軍車用市場,相關營收目前已經貢獻該公司整體營收的近5%,產品包括蕭特基二極體、橋式整流器、電路保護IC、功率MOSFET等等。

張寬增指出,目前在汽車動力傳動系統的最新技術趨勢,是由歐洲多家車廠發起的48V車用電氣規範LV148;新一代的48V混合動力車輛啟停系統將採用結合交流發電機與啟動馬達的一體式啟動馬達發電機(ISG),而這類ISG啟停系統需要新一代的整流器,以在車體空間未增加的前提下,因應大電流與抗干擾的各種挑戰。

力神科技所開發的溝槽式蕭特基二極體專利技術LISKY,即是為了因應以上的汽車應用設計挑戰;根據張寬增的介紹,與傳統平面式蕭特基二極體相較,LISKY技術的溝槽式架構(如圖)能支援更高的電流密度、更低的洩漏電流,可應用於新一代車用顯示器/LED頭燈/ECU的DC/DC轉換器以及各種馬達驅動電路。

20160506 autotronics NT31P4 力神科技所開發的溝槽式蕭特基二極體專利技術LISKY (來源:力神科技)

因應車用電池技術帶來充電效率、續航力、可靠性、耐用性與成本方面的諸多挑戰,漢高(Henkel)電子材料技術服務經理朱春傑強調車用電池導熱材料及其熱管理與電氣絕緣的重要性。

特別是在電動汽車普及推廣過程中,「如何最佳化熱管理設計從而改善新能源車的性能、穩定性及安全是業界最關注的議題。朱春傑指出,溫度太低或過熱都會影響車用電池的壽命、充電時間與電池容量,因而需要熱管理以確保達到最佳工作溫度區間;此外,還必須進行電氣絕緣,以符合安規要求。

漢高針對電芯到電芯、電芯到底盤提供液態導熱填縫劑、導熱墊片與金屬導熱基板等兼具成本效益與可靠的電子材料解決方案,透過低熱阻、高導電係數且絕緣電壓適中的最佳化熱管理設計,為日益普及的新能源車帶來更安全、可靠且充電效率高的電池。

先進測試/認證不可少

為了打造安全的汽車與智慧駕駛環境,所有出現在汽車上的半導體、零組件、模組、系統甚至整車都必須進行測試與驗證。是德科技(Keysight Technologies)根據推升汽車電子市場成長的三大驅動力——安全、環境,以及通訊/便利性,將汽車電子測試分為無線/RF/mmW/數位、動力/能源以及無線充電/高速數位等三個主要領域,包括ADAS與車用半導體、EV/HEV電池與充電、電池管理系統(BMS)以及V2V/V2X車聯網與無線充電等各種系統,雖然帶來大量商機,但也讓工程師面臨設計與測試的嚴苛挑戰。

20160506 autotronics NT31P6 是德科技展示一系列完整的汽車電子測試儀器與軟體解決方案

是德科技應用工程部資深專案經理祁子年指出,「相較於一般消費性電子,這些與先進車用電子有關的技術更需要考慮到安全性、環保節能以及通訊/便利性。」因此,是德科技相應地提供針對高功率半導體元件、功率轉換、車載資通訊、EMI/EMC、車用序列匯流排與E-band雷達等設計的完整儀器硬體與軟體解決方案,協助工程師解決測試難題。

車用電子的可靠性認證,以及如何執行供應鏈品質驗證與管理等議題也至關重要。宜特科技(iST)可靠度工程處處長曾劭鈞強調,相較於消費IC,車用IC的目標在於達到零失效(zero defect)。然而,車用IC市場較為封閉,前期的開發與驗證期可能長達3年;車用供應鏈市場壟斷,也讓台灣業者不得其門而入。

因此,曾劭鈞指出,IC設計業者要切入車用電子領域,儘速打入Tier1車電IC供應鏈,就必須先取得兩張門票,「第一張是北美汽車產業推出的AEC-Q100(IC)、101(分離式元件)、200(被動元件)可靠度標準;其次則要符合零失效的供應鏈品質管理標準ISO/TS 16949規範,才能滿足高可靠度的車用需求。」

除了為車用IC把關,宜特科技不久前還針對車用模組驗證打造了「溫濕度複合式振動」測試環境,並與多家國際Tier1車廠合作,期望協助台灣電子業者儘快找到跨足車電產業的敲門磚。

20160506 autotronics NT31P5 宜特科技可靠度工程處處長曾劭鈞強調,車用IC與消費IC的最大差異就在於可靠度的要求:車用IC生命週期約10~20年,以及達到~0PPM的故障率(來源:宜特科技)

力特(Littelfuse)台灣區應用工程經理許孝成則表示,根據市場研究機構IC Insights的預測,汽車電子市場可望在2013~2018年之間維持10.8%的複合年平均成長率(CAGR);儘管商機看好,汽車電子業者要能通過嚴苛車用環境要求得克服許多挑戰,例如要取得ISO 7637-2與ISO 16750-2認證的電壓負載測試程序。

許孝成表示,要讓產品通過ISO 7637-2/16750-2測試,關鍵在於選擇合適的電路保護元件,例如TVS二極體,而具備豐富設計經驗的供應商夥伴也很重要,能有助於加快產品設計時程並提高通過認證的成功機率;Littelfuse除了能提供可因應各種汽車應用的電路保護解決方案,亦能為客戶提供通過各種車用認證測試的因應之道。