車用電子產業概觀

作者:Penny   |   2019 / 02 / 14

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Koko


時間先回到西元 1886 年,在這個被公認為意義非凡的「汽車元年」,德國工程師卡爾・賓士(Karl Benz)取得了汽車引擎專利,世界上第一部裝有汽油引擎的四輪汽車正式販售,能長距離行駛的內燃驅動汽車就此問世。

如今,隨著經濟發展帶動了汽車的需求和普及,這項交通工具對許多人來說已然不可或缺,世界汽車工業國際協會(Organisation Internationale des Constructeurs d’Automobiles, OICA)的統計資料顯示,2017 年全球生產了 9,730 萬輛汽車,產量及銷量均連續八年穩定成長。

 

汽車是一個複雜度高的工業化產品,以一般小客車為例,一部車約有多達八千個零組件、三萬多種零件,其中車用電子佔有舉足輕重的地位。車用電子可分為兩類,一為與機械組件整合的控制裝置,例如動力傳動(電子點火、自動變速)、感測器(壓力、溫度、影像)、安全(防碰撞雷達)等電子系統;另一類為可獨立使用的電子裝置,比如說衛星導航和影音娛樂系統。

創意的發想和技術的進步,促使人們持續對汽車進行優化,舉例來說,無人駕駛車的夢想在 1920 年代開始萌芽,相關知識與科技一直累積到了 1995 年,由卡內基美隆大學的 Navlab 計畫奠定了基石。

千禧年以後汽車各項技術開始了飛躍式的發展,因此電子零組件在一輛汽車中所佔的比重越來越高,自動駕駛、先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)和電動車成為熱門話題,我們可以總結出汽車產業的三大趨勢:智慧化、安全化與節能化。

由於車用電子的應用範圍十分廣泛,所涉及的產業鏈也有所不同,難以統一概括,因此此篇文章會以 ADAS 為主軸,透過其中的幾項功能來探索汽車智慧化與安全化兩大領域。

為什麼汽車要智慧化、安全化?

根據世界衛生組織(World Health Organization, WHO)統計,全球交通事故每年導致超過 125 萬人死亡,各國損失約 3% 的國內生產總值(Gross Domestic Product, GDP),就台灣而言,2017 年道路交通事故死亡人數 1,517 人,受傷人數則飆破 39 萬人,其中有高達 98% 的肇事原因為駕駛人過失。世界衛生組織更是預估,若沒有持續改善駕駛人行車安全,交通事故將在 2030 年成為全球第七大死因。

因此為加強行車安全,各大車廠積極發展 ADAS,將更多的電子元件和資訊應用整合至汽車內,為駕駛人提供車輛運作情形與車外環境資訊,系統也在分析資訊後,對潛在的危險狀況發出警告,以利駕駛者提早採取應對措施。必須注意的是,ADAS 並不等於自動駕駛,而是一種緊急緩衝功能,在人為失誤發生時作為安全保障的最後一道防線。

而各國也陸續推出相關政策與規範,從法規面推廣 ADAS,例如我國立法規定,自 2019 年起中大型貨車、客車都必須強制裝設車道偏離警示系統(Lane Departure Warning System, LDWS),美國政府則宣布自 2022 年 9 月 1 日起,將自動緊急煞車系統(Autonomous Emergency Braking, AEB)列為新車標配。上述原因均助長了 ADAS 的發展,ADAS 因而成為車用電子需求的一大動能,使得全球汽車電子產值與日俱增。

先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)

ADAS 基本上由 9 個主系統組成,並且隨著技術的日新月異,越來越多的功能以次系統方式問世,主要目的均是提升駕駛人安全,總歸而言,每個系統都依循以下三個程序:

感測器如同汽車的感知器官,種類越多,汽車能搜集到的週遭資訊就越周全,做出的決策也能夠越精確,每項感測器各有優缺點並彼此互補,接下來我們挑出攝影機、雷達與光達三項感測器,以舉例的方式介紹他們的應用範圍。

攝影機應用:自適應式智慧頭燈(Adaptive Driving Beam, ADB)

車輛頭燈技術聽起來雖然「古老」,然而他是駕駛者在夜間行駛的視線來源,除了燈光昏暗導致的視線不佳,對向來車刺眼的遠光燈同樣會造成眩光,車燈過暗過亮均會影響駕駛視覺,其重要性可見一斑。

智慧頭燈的主要訴求是在開啟遠光燈的同時,避免造成前方、對向車輛及路人眩光,這項技術透過車用攝影機進行畫面拍攝,對周圍的車輛特徵擷取、位置辨別以及精確的座標計算,採用複雜的演算法做出照明決策,進一步控制頭燈中各獨立燈光段的開關,達到自動區域避光的效果。

車載攝影機猶如讓車輛長眼睛,其模組包含:光圈、光學鏡頭、濾光片與影像感測器,值得一提的是,由於外在環境嚴苛,車載鏡頭需符合抗震、抗冷抗熱、防水與防磁等要求,必須使用技術門檻較高的玻璃鏡片提高性能,台灣的玻璃鏡頭廠有亞光(3019-TW)和佳凌(4976-TW); 影像感測器則是負責將光線的明暗轉為電子訊號,原相(3227-TW)專精於 IC 設計,而勝麗(6238-TW)則是封裝大廠之一。

雷達應用:防護音波、側撞防護

車禍對聽力造成的傷害時常被大眾所忽略,但其嚴重程度與後果卻是不容小覷。賓士(Mercedes-Benz, Daimler AG-DE)的「主動安全防護音波」,便是提供聽覺保護的創新科技,其運作機制是透過車內音響預先發出某一固定頻譜「粉紅噪音」,利用人體自然反射,先觸發中耳後方鐙骨肌的收縮,藉此強化耳朵對於接下來車體猛烈撞擊的強大噪音抵抗力,降低聽力傷害。

此外,賓士也推出「主動側撞防護」功能,當雷達偵測到即將發生側面撞擊意外時,會將前座椅外側的氣囊快速充氣,讓前座乘客先往車輛中間位移、隔出安全空間,藉此減輕側撞時對胸腔的壓迫和傷害。

同樣是針對側撞防護的,還有奧迪(Audi, NSU-DE)於 2017 年公佈的新一代 A8 配備「主動懸掛系統」,有鑒於車門是車體最脆弱的部位之一,這項技術能讓撞擊側的底盤在衝擊瞬間增高 8 公分,使剛度強的門框替車側承受較多的撞擊力道,奧迪聲稱此項功能可降低車內乘客 50% 以上的腹腔傷害。

以上所提及的主動安全系統,均需仰賴雷達作為其中的感測器,其實雷達監測裝置的運用並不新穎,早在 1959 年凱迪拉克就已推出配有碰撞預警的概念車 Cyclone,只是當時並未量產。

目前市面上車用雷達有四種:紅外線、超聲波、雷射以及毫米波,其中毫米波雷達因探測性能穩定,爲各大車廠主要發展目標,目前台灣廠商有為升(2231-TW)、啟碁(6285-TW)與明泰(3380-TW)參與這項技術市場。

光達應用:高解析度地圖

光學雷達即是上述所提及的雷射雷達,由於它是提升車輛感測能力的關鍵技術,因此另外提出介紹。

光達當年為地圖繪製而生,這種遙感技術是透過發射奈米波長的光波,藉此測量目標物的距離與外觀,由於角解析度小,能提供比毫米波雷達更為精細的 3D 影像,因此被認定為從 ADAS 邁向自動駕駛車的必要技術。市場研究機構 Yole Developpement 預測,光達市場將在 2022 年達到 16 億美元規模,並進一步在 2032 年躍升至 315 億美元,可說是「錢途」無量。

高成本是光達的最大痛點,以矽谷光達先驅 Velodyne 為例,一顆手工製造的 64 線光達要價 7~8 萬美元,但隨著如 Luminar、Quanergy 等新秀參與市場,勢必會加速光達的發展與推廣。

Google(GOOGL-US)、Uber 和 Baidu(BIDU-US)等踏入自駕車領域的車廠都有參與光達技術的應用,擁有針對感測資訊運算與解決方案的相關專利,值得注意的是,佳淩在 2017 年爭取到 Velodyne 的訂單,已成為其光達鏡頭的供應商。

小結

汽車工程師協會(Society of Automotive Engineers, SAE)將汽車根據自動化程度分為六個等級,從 Level 0 的完全人為操作,逐步到 Level 5 的無人駕駛自動車,目前市面上搭載 ADAS 的車輛被歸類為 Level 2,具多項自動化的操控功能。

接下來進入的低延遲、高可靠性 5G 網路傳輸時代,有益於車聯網技術(Vehicle-to-everything, V2X)的發展,將人、車、路等多項資訊傳送到雲端平台,讓車輛彼此進行「溝通」,以打造零事故的交通環境,而車用電子正是上述各項系統中至關重要的角色。

參考資料:交通部統計查詢網、內政部警政署統計資料、世界衛生組織 fact sheets 、Money DJ 、世界汽車工業國際協會、維基百科、ARTC 車輛中心、奧迪、賓士官網、科技報導

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跨領域就讀結合財務金融與資訊管理的交大學生,喜歡接觸新知與學習各項軟體,目前嘗試探索統計、資料處理和分析相關領域。