智慧車關鍵元件

作者:Yuchi   |   2017 / 01 / 16

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Jayroz


從汽車市場消費者的需求面做觀察,「便利」、「安全」、「節(潔)能」已是三大明確訴求,這代表著消費者對汽車的「智慧化」、「節能化」的渴望,也一再激勵車用電子技術研發能量。在各大車廠的努力之下,如今汽車電子化程度逐漸升高,汽車電子成本佔汽車整體成本比例已從1980年代的2~3%拉升到現在的40~50%。然而要如何達到智慧化與節能化?

首先,智慧化可分為兩大主軸:一、結合資通訊技術提供給駕駛人及乘客各種娛樂以及行車資訊;二、幫助駕駛人減少開車所需耗費的精神,甚至做到超越人類對傳統機械控制所可達到的安全效能。無論上述哪一類型,皆要求汽車可自行透過各種技術去偵測環境,分析資訊後做出適切的反應,很聰明、很有效率,且精準符合需求。這樣的運作流程與現在發展火紅的物聯網非常相似。運行主要分成三層,從資料取得、資料處理再向驅動器(致動器)發出指令,一切都由汽車電子來完成,幫助駕駛人達到「便利」、「安全」、「節能」三大目標。正如目前可見的汽車電子各大領域產品,皆有其功能所需的各種關鍵半導體及元件,而ECU、MCU及感測器是遍及各種系統可謂最重要的元素,以下是對這三項元件需要有的簡單認識:

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ECU

認識汽車電子的第一步,必須先了解的就是電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)。幾乎每一項汽車電子系統內都有這項核心角色,一個ECU可說就是一部嵌入式電腦,用來控制汽車的各大系統,內部的組成零件有微控制器(MCU)、輸入、輸出迴路、AD(類比與數位)變換迴路、電源元件、車內通訊電路等。如前圖所示,車內各種不同的系統控制都需要仰賴ECU,因此隨著系統複雜程度的提高,車內ECU的數量也逐漸攀升,資料顯示,目前雙B的高階車款,一台車上已有上百個ECU。

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MCU

微控制器(microcontroller, MCU)的應用最多在消費性電子商品上,而第二大就是汽車電子的應用。在ECU中最重要的MCU,就是將中央處理器(CPU)、記憶體、各種輸入/輸出介面、定時/計數器(timer/counter)都整合在一塊IC上。根據內部資料匯流排頻寬,WSTS(世界半導體貿易統計組織)將MCU分為4位元、8位元、16位元與32位元四種等級。隨著應用領域的複雜度,適用不同等級的MCU,在車用領域,以飛思卡爾(Freescale)提供的MCU系列產品為例,簡易的功能系統,如車內空調、車窗,後照鏡等,可使用成本較低的8位元MCU;對MCU的運算處理能力要求較高的煞車、安全氣囊、車身穩定控制,使用的是16位元;而今越朝智慧化邁進的同時,32位元已躍上主流規格,如多媒體、娛樂、駕駛資訊等較高階的電子化資訊系統皆多採用此規格。

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感測器

車用電子的ECU/MCU負責資料處理運算,此外最重要的就是負責蒐集資料的各種感測器。以建構駕駛輔助系統來說,就使用了影像感測器、毫米波雷達、雷射雷達、加速度感測器、角速度感測器、車輪速度感測器,胎壓感測器等,而在眾多感測器中,影像感測器越來越受到重視。

隨著影像技術的進步及車廠對系統整合能力的提升,讓分布於車輛內外多個影像感測器資訊,得到全面性的應用,彌補了人類視覺上的不足,達到駕駛輔助及安全提升。例如車道偏離警示系統、停車輔助系統、盲點偵測系統、倒車警示等單一系統都可以為駕駛人的行車安全做加分。而進一步將這些系統做整合,可以建構的就是一個更全面、安全且舒適的駕車環境,這也是目前汽車朝向智慧化甚至前往終極目標–自動駕駛的主要途徑。

適應環境能力要求

關鍵元件除了在功能開發與處理能力必須跟上應用腳步外,在運作環境上比起一般消費性電子,甚至工業用半導體,車用半導體必須面臨更多挑戰。汽車必須適應不同國家的氣候環境並且兼顧長期移動及安全性,因此,除了在車身內裝的車載系統所需IC元件對環境要求較低以外,其餘多數的車用電子零件必須在嚴苛的環境下進行運作。以可忍受環境溫度來說,對一般IC的要求最多為零下10°C~70°C,但對車用電子的要求必須從零下40°C~155°C,並且達到千餘次循環,再加上抗濕負載,抗高溫、耐震、故障率的要求都比一般消費性電子零件要求嚴格許多。

再加上汽車的使用年數較長,所以操作年限與耐用度也受到嚴苛考驗,零件供貨年限甚至要超過30年,這些都是造成車用半導體市場與其他應用市場的差異所在。

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在了解主要關鍵元件及其特性後,對汽車如何透過電子化達到智慧應有了初步的認識,若有興趣更做更進一步了解,可閱讀「車載系統」及「車輛安全系統」等文章,對汽車智慧化的具體應用做進階的認識。而另一主軸–節能化,也將同樣從對關鍵組件的認識開始,展開一系列的介紹。

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Yuchi
宅女一枚,放空時間和思考時間一樣多,相信知識的累積與連結可以帶來強大力量!
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