汽車載著人們通往世界各地,但為了讓駕駛人有更安全的行車環境,車聯網、先進駕駛輔助系統(ADAS)以及全面網路化打造的自動駕駛車,正逐漸成為現實。另外,全球資源的匱乏以及考量地球的永續發展,使用更潔淨能源做為汽車動力的想法,快速催生電動車(EV)的發展。

日前,由《電子工程專輯》(EETimes Taiwan)與《電子技術設計》(EDN Taiwan)共同舉辦的TechTaipei系列即聚焦「車聯網」與「電動車」兩大亮點,邀請國內外汽車產業的重量級廠商,分享對於車聯網、自動駕駛相關技術的觀察,並剖析未來的電動車發展脈絡。

20180418_TechTaipei_NT11P1 EE Times/EDN Taiwan聯手舉辦TechTaipei系列研討會,聚焦車聯網與電動車兩大亮點

台灣博世(Bosch)原廠汽車零件銷售事業部總經理楊建新在開幕日發表「車聯網新趨勢」專題演說。他指出,「車聯網、自動駕駛、電能驅動」是移動(mobility)產業的三大發展主軸,目的在於讓新一代的交通運輸工具更安全、更有效率。而未來哪些廠商能夠成功,「將取決於能否有效整合這三大關鍵技術趨勢,賦予消費者全新的駕駛體驗、樂趣與安全。」

「未來的車子是在電腦加上4個輪子?還是以車子為主體,在車上配備電腦?」意法半導體(STMicroelectronics;ST)汽車產品事業部技術行銷經理王建田一開場就對與會工程師拋出一個值得思考的問題。他進一步解釋,自動駕駛將朝兩個方向發展:一是無人車,也就是未來的車子只是在電腦上加裝4個輪子,例如以Google、Uber為代表的陣營,目前正傾全力發展無人車。另一派則以傳統車廠為代表,採取階段性地發展自駕車,短期內從配備先進的技術著手,目的在於提升行車的安全性、便利性與用戶體驗,並逐步建置下一代自動駕駛技術。

他個人認為,未來的車子並不只是電腦加上4個輪子,還牽涉到人性、科技發展的侷限以及政府基礎建設等問題。因此,以現階段的市場成長態勢來看,他認為電動車在逐漸克服充電、原物料與政府法令等問題後,比起自駕車更有發展潛力。

20180418_TechTaipei_NT11P2 圖2:TechTaipei系列活動現場展示,參展商與工程師互動熱絡

「車聯網 」為自動駕駛鋪路

為了實現自動駕駛,提升行車安全性,業界正積極發展基於V2X的車聯網技術。王建田說,「車聯網」的概念簡單說就像是把現有的手機功能導入車輛,但隨著支援人工智慧(AI)與雲端運算等技術的新車款出現,不斷創造出新的應用與商機。預計在2030年,100%的車子都將連網,並帶來每小時約20GB的龐大資料量。此外,2030年將有15%的車輛實現完全自動駕駛,為汽車產業創造出2,160億美元的數位與共乘服務等新商機。

20180418_TechTaipei_NT11P3 連網汽車將在現有的ADAS基礎上實現更多創新功能,預計在2021年以前額外創造出7.3億美元的商機(來源:ST)

其中的ADAS與車用資訊娛樂系統正是帶動半導體產業成長的重要驅動力,它可能為台灣業者進入汽車領域帶來哪些機會?德州儀器(TI)資深應用工程師暨技術委員許景華指出,ADAS 包括SrroundView、雷達/光達、感測器融合、CMS和智慧後照鏡等,其中許多都涉及辨識行人、標線與燈號的複雜演算法,需要一定的準確度,較不適合缺乏軟體投資的台灣,而像「智慧後視鏡(e-mirror)、駕駛人監控系統(DMS)和前置相機等應用,較適合擁有硬體強項的台灣業者導入。」

此外,資訊娛樂系統包括數位駕駛艙、數位儀表板、中控台與後座影音娛樂系統、高階音響處理、汽車閘道器以及V2X車聯網等創新應用,也將為台灣業者帶來新機會。

V2X:未來的明星產業

汽車不僅是要提供駕駛車內的豐富娛樂,而是要提供車內與車外各個系統間的連結合資訊,因此從連網汽車概念出發,拓展到打造V2X的車聯網網路,不僅提供豐富車上娛樂,更能確保駕駛與乘客擁有最佳的行車安全。

「實現自動駕駛車的關鍵就在於V2X技術」——車對車(V2V)與車對基礎設施(V2I)通訊。王建田解釋,車輛與外界通訊可以透過Wi-Fi、地面廣播、衛星與ADAS等技術實現,例如Wi-Fi連接至雲端,實現V2V/V2I通訊;廣播方式目前採用AM/FM,未來將會被數位廣播取代,還可以整合智慧型手機以及實現e-Call。衛星技術在車上的應用包括定位導航、衛星音訊與資料串流,以及最新的駕駛行為車險應用服務(UBI)——預計將顛覆現有的傳統車險市場。此外,傳統車廠正逐步導入視覺與雷達感測技術、ADAS,最終將走向自動駕駛。

車聯網的主要架構是串起車內與車外的「資訊通道」,也就是車用乙太網路與各種無線技術,並連接到雲端平台進行分析,再回傳控制命令,讓汽車控制系統,也就是所謂的電子控制單元(ECU)執行。東芝(Toshiba)半導體技術行銷部副協理水沼仁志(Hitoshi Mizunuma)表示,借助科技與半導體的進展,今年已有車廠推出具自動駕駛安全等級三的車款,先不論這樣的汽車是否受法規限制而不能上路、或是技術是否已臻成熟的問題。從整個車聯網的架構分析,現在的車聯網架構分工模式出了些問題。

也就是說,現在的連網汽車相當依賴雲端平台,根據統計,到2025年,在汽車與雲端之間串流傳遞的資訊每個月將高達10艾位元組(Exabyte)。這麼龐大的資訊量除了增加現有網路的負載量,使得網路資料傳輸品打折扣,也容易發生網路斷線的情況,如此一來,汽車將無法從雲端平台取得正確資訊或命令,可能會因而發生危險。因此,現在物聯網(IoT)相關業者正在討論的邊緣運算(Edge Computing)架構,可以移植到車聯網中。

邊緣運算移植車聯網?

水沼仁志說明,現在的物聯網架構中,由於「萬事萬物」都要仰賴雲端進行運算,以至於對整體有線與無線通訊網路都帶來極大壓力,因此網通設備廠商提出邊緣運算,以及霧運算(Fog Computing)概念,讓終端增添更多的運算能力,以減輕網路負擔,並避免因網路負載太重而衍生的麻煩。未來汽車也可以打造為邊緣運算的成員之一,透過運算能力更強的電子元件,先進行簡單運算工作,再進一步透過無線通訊技術連上雲端。

舉例來說,具邊緣運算功能的汽車可執行的簡單運算,如智慧車鑰,亦即可透過車上的攝影機拍下車主的臉,在車主靠近或遠離汽車時自動開門或是上鎖。現階段仍是透過與雲端分析靠近車身的人的臉部特徵,未來則是由車內的處理器元件辨識,而不是將擷取到的影像傳至雲端,可省下資料傳輸時間。

而汽車化身邊緣運算的成員之一後,車內資訊的流通與處理勢必會變得越來越多,對車內網路頻寬也將帶來新挑戰。根據Strategy Analytics的資料表示,從2017年到2020年,車用系統的頻寬需求預計將成長25倍。

有鑑於此,已有廠商推動車用乙太網路標準,以期因應更龐大的資訊串流,但未來車子內部所需傳輸的影像資料也將越來越多,因此乙太網路音訊/視訊橋接技術(AVB)標準以及各種高速互連技術也將逐步進入車內資通訊網路系統。

Maxim技術應用部門經理黃志明說:「尤其是未來的車子將會配備巨大的螢幕、後座影音娛樂系統(RSE),加上顯示器的解析度越來越高,以及支援多達12顆以上的相機,所需處理的資訊內容日益增加,將會不斷提高對於ADAS和資訊娛樂系統的頻寬需求。」

為了能安全、流暢地將資料從主機端傳送至顯示器,如何選擇低成本、重量輕且高資料率的線纜方案也十分重要。黃志明認為,支援數Gbps的SerDes高速互連技術,可望因應未來汽車資訊娛樂系統、ADAS和無人駕駛車所需的高資料率、複雜互連以及資料完整性要求。

車聯網:為「安全」而生

車聯網的發展是為達到「終極」安全性而生,希望能將行車事故率降低到零,雖然這是個遠大的目標,但在車外與車內通訊架構上的改變,相信未來將可持續降低事故發生率。ST亞太區汽車產品事業體行銷經理陳錫成指出,車外通訊架構在改變,車內通訊架構也須進一步「進化」,雙管齊下,才能更加提升安全性。

現階段汽車的各項功能都是由單獨的ECU控制、管理各別的感測器與致動器,萬一發生問題,每個ECU的判斷是否正確,該以哪一個ECU為判斷依據,都有可能在這「爭老大」過的程中發生危險。陳錫成認為,為避免上述問題的發生,未來汽車內部架構會走向閘道器(gateway)系統,亦即由此閘道器統一管理車上的ECU,收集各ECU的資訊後連接雲端,並下指令給須做出反應的ECU。

此外,ADAS透過許多感測器、光學元件與攝影鏡頭提升汽車內外部的安全。其中定位感測器由於可做出包括直線、弧線、自轉以及360度全面轉向的動作,而肩負著車內機械設備的使用安全。

IDT區域行銷暨業務發展經理Ruggero Leoncavallo表示,非接觸式定位感測器元件可應用在節氣門位置感知器(TPS)、抑制開關(inhibitor switch)、油門、底盤平順、齒輪抖動、空調系統、排檔,以及擋風玻璃刮水器…等。透過定位感設器駕駛可以知道汽車機械設備的運作狀況,若是這些機械不在該有的設定位置,可早一步通知駕駛,免除因機械故障而衍生的危險。

益華電腦(Cadence)則從IC設計的觀點,剖析如何透過系統創新,打造更安全的汽車。Cadence亞太區系統解決方案總監張永專說:「IC設計從12個月的週期(從開出規格到完成IC設計)發展至今已縮短為9個月,最近的消息還顯示以最新的7nm製程,只需3個月的時間就能讓IC完成從設計到出樣。IC設計週期快速縮短,意味著汽車電子產業將隨之發生劇烈變化。」

張永專解釋,IC設計週期大幅縮短,有助於使汽車製造、汽車電子或ADAS公司從開規格到取得晶片的時間縮短,從而加速汽車系統設計。以目前一部車從原型設計到製造約需5年時間來看,當導入最新製程使IC設計週期縮短1/4後,大約3年就可以拿到汽車了。從目前汽車市場每年高達15~20%的CAGR來看,他預計,這一變化還會越來越快速。

但基於複雜SoC打造的ADAS應用在功能安全、可靠性與安全保護等方面,都必須符合汽車安全完整性等級(ASIL)最嚴格的ASIL D,無論是製程、IP與設計流程都有嚴格的規定。張永專介紹,目前車用安全的規範是《道路車輛功能安全》ISO 26262國際標準,「以往有關故障模式分析等技術都由車廠掌握,如今在ISO 2622標準制定後,越來越多的IC設計公司開始進入這一領域,透過符合ISO 26262的PCB設計與驗證流程,將有助於簡化IC設計,加速執行故障模式分析與驗證晶片,協助汽車元件供應商符合ISO 26262功能安全。」

20180418_TechTaipei_NT11P4 ISO 26262針對車輛系統制訂功能安全規範,一般車用音響只需通過ASIL B,但要達到自動駕駛必須符合最高的ASIL D等級(來源:Cadence)

ADAS帶給人們更安全的駕駛體驗,各種感測器、相機模組也已成為全球汽車市場的標準配備,這些技術的普及大幅降低用路人發生意外的潛在風險。據德國漢高(Henkel) 資深電子材料工程師鄭嘉佳介紹,從ADAS零組件到系統整合,包括零組件接著膠、高性能熱管理解決方案、PCB保護、電路板底部填充材料(underfill)、絕緣塗層、導電膠、灌封膠、密封解決方案、液態填充材料和車燈除霧碳漿(PTC)等,也必須確保所使用的材料在極端溫度、惡劣環境下保持可靠度、同時提升元件效能,而且還能符合各國環保法規。

電動車勢不可擋

為了減少石油的使用,降低二氧化碳排放,全球各國政府已開始大力推展電動車的發展,並發佈禁用燃油車時程規劃。外貿協會祕書長葉明水表示,歐美與中國大陸已設定2030~2040年這段期間逐漸禁用燃油車,台灣方面則是計畫2030年一般公司新購車輛與公務車須為電動車,2035年新售機車皆須為電動車,而2040年新售汽車需全面皆為電動車。由此可見,電動車已成勢必發展的未來趨勢之一。

即使政府法規強制禁用燃油車,但現階段消費者的使用觀念——汽油比電力便宜、充電很麻煩——仍需改變。因此積極發展電動車的Gogoro及特斯拉(Tesla),在推出電動機車與電動汽車同時,建立完備的充/換電機制與網路,期望可將電動車電池充/換電相當便利的概念深植使用者心中,進而促使大眾更加接受電動車。

Gogoro電池系統總監Daniel Vickery援引美國能源使用統計指出,交通運輸消耗掉的能源比重可謂相當高,達27%,促使各國積極推廣電動車。從汽機車的使用狀況來看,電動汽車在一般或公司停車場或是家中進行充電是可行的,但對電動機車來說,尤其是台灣、泰國、越南等機車使用率相當高的國家,在機車停車場滿佈充電樁,或在家中同時為好幾台電動機車充電,將是相當龐大的工程,因此Gogoro推展結合手機應用程式加上電動機車及智慧電池與快速換電站的概念,解決上述龐大基礎建設建置問題之外,也讓使用者可輕鬆在6秒內換好電動機車電池並上路。

針對消費者仍認為汽油較電力便宜的觀念,Vickery說明,每公升的汽油可以轉換為8.8kWh的能量,每1kWh可讓燃油機車跑3.3公里,但卻可讓Gogoro的電動機車行駛131公里。這樣的比較,汽油或是電力何者可讓機車有更長的續航力,顯而易見。

20180418_TechTaipei_NT11P5 燃油機車與Gogoro電動車能源消耗比較(來源:Gororo)

電動機車或是汽車,其動力來源皆為電池組,且由於是依靠電能達到許多功能,如何設計高效能、高度安全的電池與電路,則須仰賴相關業者的技術進展。

電池系統安全重中之重

電動車與燃油車最大的不同是如何處理「電力」,因此電動車與燃油車最大的差異為動能系統,電池則為相當大的關鍵。德州儀器應用經理黃世緯表示,電力公司生產的電力傳送到充電樁或是市電中的電力儲存在電動車電池內,電池再釋放電力予電動車的馬達使用,這樣的過程中牽涉到能源如何轉換的問題,以及轉換過程中如何維持高轉換效率以避免能源的漏失。此時,微控制器(MCU)即扮演重要角色。

電動車動力傳動(Powertrain)應用架構涵蓋車上需要有on-board充電器以供消費性電子產品供電,車用電池大多是用200V以上的高壓來儲存電力,以及馬達、風扇、HACV、動力方向盤多為交流電(AC)系統,因此需要解決400V轉12V、48V雙向溝通等AC-直流電(DC)及DC-DC轉換問題。黃世緯解釋,這些轉換過程利用高效能、具高運算能力與低延遲特性的微控制器可進一步解決,此外,在電動車馬達控制與功能性安全方面,也需要高效能微控制器。換句話說,微控制器的設計需考量數位電源轉換、數位馬達控制與功能性安全等三大需求,並通過ISO 26262認證。

瑞薩電子(Renesas)車用事業部/市場行銷部副理黃源旗認為,一般人可能會認為電動車就是把傳統的引擎換成馬達,油箱換成電池,但其實不是那麼輕易就可以打造一部安全、具備燃油車功能的電動車。所需要的元件包括上述提到的微控制器、馬達控制器、DC-DC轉換器、溫度控制模組…等,且這些元件在電動汽車中都屬於「重保件」。

所謂的重保件指的是萬一該元件失效時會直接或間接影響車輛安全,進而危害人身安全的電子元件。黃源旗強調,不僅電子元件被視為重保件,儀表板因需要顯示許多牽涉生命安全相關的燈號,也被歸類為重保件的一環。且重保件在測試時若發生問題,無法修改再重測,而是得直接報銷淘汰,也衍生對具備高效能與高可靠度微控制器的需求。

而要確保微控制器或其他元件符合重保件條件,則需要經過ISO 26262功能性安全認證,且在製程技術方面也應採用較先進製程,才能使微控制器元件具備高效能與低功耗特性。

在電動車電池管理系統(BMS)方面除了需要微控制器與電源管理IC之外,也需要電流感測元件的協助。依薩貝棱輝特霍伊斯勒(Isabellenhüette)亞洲行銷主管Ladislav Varga表示,從電動車電氣化技術可減少的二氧化碳量來看,各階段的動力傳動架構不同,電池管理系統需求的元件也稍有差異,不過這些系統不僅需要微控制器,也需要逆變器、轉換器等元件針對AC-DC或DC-AC、DC-DC進行轉換。不僅如此,針對電池管理系統的安全,還需要感測電阻與電流感測器隨時監控電池狀況,以免因電池失效而發生事故。

20180418_TechTaipei_NT11P6 電動車動力傳動架構與可減少的二氧化碳對比圖(來源:Isabellenhüette)

羅姆半導體(Rohm)台灣設計中心所長林志昇則認為,讓電動車電池架構更高效、更具安全性,隔離元件、溫度監測器、LSI及閘級驅動器等元件也不可或缺,且還需要考量如何讓電動車電池系統變得更小,不佔用過多電動車空間。

舉例來說,在將電池電能轉換為動能時,可利用6組閘級驅動器加上其他元件組成系統架構,且將隔離元件整合在閘級驅動器中,除了可縮小系統尺寸,也可以使系統不受溫度影響而產生問題。林志昇表示,使用高整合度的閘級驅動器,可使電池電能轉換為動能的系統更具可靠性,還能具備高抗雜訊能力,更能縮短輸入輸出的延遲時間。

此外,在電動車電池系統邁入48V,系統會需要從輸出48V高壓給車內需求低電壓的功能使用,因此相關元件在設計時得注意脈衝寬度調變(PWM),以及採用寬能隙元件如碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)打造的MOSFET,才能有效大幅降壓,並耐受較高的工作溫度,縮小系統體積。

建立能源使用新標竿

全面禁用燃油車就能「拯救」地球?事實上,沒有那麼簡單。Gogoro與Tesla終極目標並不只是推出電動車、充電樁與換電站網路,而是試圖建立全球能源使用的新思維。現階段,Tesla已完成從太陽能發電到供給電動車電力,以及電力儲存的垂直整合,顯現該公司在新興能源發展的技術實力,並向大眾證明新興能源可超越現有的燃煤或核能發電,有能力成為未來電力供給的主力。藉由Tesla的經驗,該公司期望未來各國政府或是相關廠商都能針對再生能源有更多的研究,進而改變全球能源的使用。

Vickery指出,目前Gogoro在台灣已完成每5公里內達到74%換電站的佈建,但Gogoro希望可以「Go Big」,亦即能在電池系統開發之外,研發能造成能源革命的新技術,以及使用大數據(big data)分析能源使用狀況,進而提供最節能的能源使用方式。在台灣,該公司的目標是在2025年,達成有20%的再生能源可利用。

標準規範把關安全性

電動車的動力來自電池,在汽車不穩定環境下作業時可能發生問題,加上供電系統輸出複雜,大電流馬達、電磁閥等各種元件導致供電電壓輸出經常發生波動,甚至頻繁發生大電壓脈衝或跌落現象,影響車內電子產品穩定運作。愛德克斯(ITECH)行銷技術支援部林文生指出,為了讓車輛能穩定運作,必須對車子的發電機、繼電器、接線盒、保險絲與車載電子等進行穩定度與耐受度測試,確保符合ISO 16750-2、LV124等汽車測試標準。

除了ISO 26262功能性安全標準外,為避免電動車內部元件具備嚴苛使用環境耐受度,以及系統過載或暫態電壓太高而失效,國際汽車電子協會(AEC)制定了汽車電子元件相關的測試標準規範。Littlefuse應用工程經理許孝成說明,AEC制定的標準包括針對IC晶片的AEC-Q100、關於離散元件的AEC-Q101,以及鎖定被動元件如電阻、電容和電感的AEC-Q200…等,因此車用元件皆須通過AEC-Q各項認證標準,才能獲得汽車系統廠商或OEM的選用。

電動車的電力系統相關元件安全很重要,但也別忽略充電系統的安全。許孝成指出,全球主要地區包括美國、歐洲、亞洲皆積極發展電動車,不僅得面對電動車帶來的新電力系統架構的挑戰,也需要關注充電樁的設計與安全性。目前電動車發展以美國走的最快,因此針對AC充電樁的接頭已推出標準,且也融合歐規發佈AC加DC的充電樁接頭。

日本則是強調利用DC充電提升充電樁充電速度,因此也有自有的充電樁接頭;Tesla亦發展自己的超級充電站規格。近期,無線充電技術也成為電動車新的充電策略。對汽車製造商或是充電樁製造商來說,若能所有的充電接頭都支援,對消費者而言將是最便利的,但是也意味著成本的提高,且產品也需要經過相關電氣安全認證,如IEC或UL規範…等。

此外,為了提升汽車與安全與可靠度,德凱宜特(Dekra-iST)技術行銷室資深技術經理陳旺助指出,從元件、PCB、板階可靠度(Board Level Reliability;BLR)、組裝到系統都必須通車規可靠度驗證,尤其是最近新增的測試項目——車規「板階可靠度測試」。

宜特科技可靠度工程處經理莊家豪說,「板階可靠度測試對於手機、穿戴式電子等消費電子廠商而言並不陌生,從2000年即已陸續進行板階相關測試,目的在於觀察IC/元件上板後的焊點狀態。如今,車用元件在安裝於車輛之前,也必須經過這樣一連串嚴苛的可靠度測試,才能確保產品品質以及保障人身安全。」

特別是從車用系統模組失效模式來看,焊點經常是導致晶片失效的主因,而隨著晶片封裝尺寸與間距越來越小,焊點承受的應力越來越大,這個問題變得更重要。此外,Tier 1車廠近來也開始重視BLR測試並陸續建立專屬的廠規。因此,陳旺助強調,欲轉型進入車電供應鏈的消費型電子廠商除了符合既有的AEC-Q100 (IC)、ISO 16750(模組)規範外,還必須通過最新的AEC-Q104車規BLR認證。