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智能汽车时代来临!
迈向电子化和电动化

【作者: 鍾榮峯】2011年01月06日 星期四

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智能汽车有别于传统汽车,在技术上最重要的差异,就是更加注重机电整合,亦即智能汽车车身和车载系统更强调电子组件和机械零配件的整合度。智能汽车强调「智能」,最大的差别,可分为两大部份:其一是汽车车身和车载系统的电子化,其二是汽车引擎动力的电动化。汽车电子在智能汽车内将扮演联络全车身讯息功能的神经细胞,角色越来越吃重。而在智能汽车架构下,智能汽车的引擎动力,就不是汽油驱动,而是油电混合动力迈向电动车电池驱动的新趋势。


三大架构:安全、舒适便利、节能

下一世代的智能汽车该具备哪些功能?电子产业可以掌握哪些技术应用点?


主动安全、舒适便利以及节能,是智能汽车技术架构的三大主轴,彼此功能相互整合渗透,藉由车用网络链接。智能汽车最为关键的三大电子产品,是车用传感器及MEMS微机电、混合讯号多核心控制器和电池管理芯片,彼此搭配支持三大技术架构下的应用内容。这些汽车电子产品,都需要经过严格的汽车产业验证测试过程。



《图一 智能汽车三大架构示意图》
《图一 智能汽车三大架构示意图》

智能汽车更讲究主动安全

首先,智能汽车更为讲究主动安全,特别是在自动防撞设计上,主要内容包括车体前方/后方/侧边碰撞预警(FCW)和缓解(Crash Mitigation)、车道偏离示警(LDW)、倒车影像辨识系统(RVC)、盲点预警、驾驶疲劳警示和自动煞车控制等。雷射扫描、影像辨识加上影像传感器,便成为智能汽车主动安全系统的三大利器。


在这里,动态影像辨识和雷达测距防撞侦测系统(DTR),会是智能汽车主动安全首要的基本配备。车体前后方主动防撞系统的技术核心,主要是采用雷达测距防撞侦测系统(Distronic;DTR),也可以和智能巡航控制或主动巡航控制(ACC)的系统结合。透过雷达侦测前方车辆或物体的固定间距,自动地调整车辆行车速度。当碰撞危机可能发生时,藉由碰撞预警和缓解系统,辅助煞车和煞车制动器便能启动作用。


动态影像辨识技术已经是整车全周身的影像辨识辅助系统、自动停车导航系统、前方碰撞预防系统和全自动停车系统的技术核心。在高速动态行车时,动态影像辨识可毫无延迟地透过影像辨识解析高速移动车身外部的行人、道路动线和其他物体的对象物,更可以深入辨识不同对象物之间立体空间的景深差异,辅助并提升驾驶人两眼视差所看到不同对象物的距离感精确度,作为主动安全驾驶警示之用。


自动辅助驾驶和影音导航系统,也会是智能汽车主动安全性能架构下的重要内容,在这里SoC设计的关键特点,在于多核心CPU、2D/3D绘图处理、多媒体编译码、动态影像辨识、高音质播放处理和车用网络互联等。


车用MEMS助攻 智能汽车安啦

除此之外,车用MEMS对于提升智能汽车主动安全,也有关键的地位。车身主动安全系统的强制性法规,也将进一步带动车用感测MEMS的普及率,尤其是在电子车身稳定系统(electronic stability control;ESC)以及胎压监测系统(tire pressure monitoring systems;TPMS)部份。美国在2012年将强制明定汽车加装电子安全系统;欧盟在2014年也将强制规定胎压侦测系统(TPMS)。


此外,使用加速度计来感测倾斜度的电子式驻煞车系统(electronic parking brake;EPB),也会继续成长。前保险杆内装设加速度计或是压力传感器来侦测撞击力道,藉此保护行人。另外微辐射热感应(microbolometers)可支持夜视系统、MEMS振荡器强化倒车监视镜头等。


智能汽车更可藉由下一代感测融合(sensor fusion)技术,是运用感测讯号并结合应用演算机制,来提升既有感测系统的效能,例如ESC结合上坡起步辅助系统(hill-start-assist;HSA)。


全球排名前面的车用MEMS传感器供应大厂包括博世(Bosch Sensortec)、Denso、飞思卡尔(Freescale)、Sensata Technologies、亚德诺(ADI)、Panasonic等,在压力传感器和陀螺仪等车用MEMS应用上,也有越来越不错的成长前景。在诸多条件驱动之下,到2014年平均每辆汽车内部的MEMS组件数将成长到11.5颗。


智能汽车必备车用娱乐信息

图形化仪表显示逐渐当道

结合上网动态信息、图资更新和即时消息服务的车用娱乐信息系统(infotainment),对于强调舒适和便利的智能汽车,已是不可或缺的重要内涵。首先较为具体的变化在于图形化仪表板设计,彩色TFT显示屏幕将逐渐取代传统指针显示。除了既有的行车速、转速、油量和温度显示外,在提升舒适功能上,图形化仪表板将进一步整合抬头显示、倒车摄录像系统和胎压监测系统(TPMS)等讯息。在提高便利功能部份,包括自动导航和蓝牙音响等讯息也会藉由图形化仪表板呈现,未来行人监控与动态辨识防撞功能也将整合在图形化仪表平台当中。


在这里图形控制器设计就成为关键,需具备多路视讯输出入信道、可链接FlexRay或是以太网络等车用网络、以及支持SQVGA/QVGA/VGA等液晶显示功能。图形控制器内部架构更为精简,内建处理核心结合浮点运算、显示控制、仪表控制用定时器和SRAM即可,减少外部指针控制器、图形控制器和RAM。


云端运算启动infotainment新风貌

值得注意的是,云端运算架构也将进一步改变智能汽车导航系统的风貌,特别是在道路讯息、POI(Point of Interest)、以及LBS(Location-Based Service)服务这三大要素,都将藉由云端运算服务器与智能汽车联系,这中间的传递媒介,具备3G无线通信功能的智能型手机就扮演关键角色。


云端运算架构也会让车用娱乐信息系统朝向标准化操作系统平台演进,Android、Genivi、Microsoft和QNX都正在与OEM车厂展开合作。OEM车厂也必须因为云端运算架构,进一步考虑智能汽车App Store的可行性。云端运算也会带动图形化仪表显示以及其他人机接口的革新,例如CD播放器将逐渐消失。


Telematics车间无线传输 WAVE站稳脚跟

智能汽车之间的讯息传输,则可透过车载资通讯(Telematics)技术来完成。目前主要以IEEE 802.11p和IEEE 1609协议的WAVE(Wireless Access in Vehicle Environment)为架构,前者为车间环境的无线传输、后者为车与路侧之间的沟通。WAVE具有低延迟、高速大容量、讯息视讯化和语音化的技术特性,可应用在智能汽车实时安全监控、交通监控与管理、公共讯息服务、路口安全驾驶、以及道路外围生活信息等多媒体信息传输应用。


智能汽车车用网络的发展方向,将朝向精简电子控制单元(ECU)、以高效能多核心控制器为主轴,结合其他智能模块,减少有线传输布局、进一步促成软件标准化。


车内无线传输 蓝牙开枝散叶

智能汽车内许多嵌入式和行动装置应用,都将会用到蓝牙传输技术。特别是许多国家开始强制规定,禁止驾驶开车期间用手接听移动电话,藉此保障驾驶人行车安全。因此,具备蓝牙无线接听功能的免持装置将会进一步大幅成长。语音串流、数据分享和替代车用传输线,会是蓝牙技术在车用领域大展身手的三大应用。


其中,A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)音频传输模型协议,便用来支持从Hub集线器端到扩音器之间无线语音串流的功能,需要兼顾回音和抑制背景噪音的语音质量、更高的传输带宽、以及建立车用蓝牙语音测试验证的规范与等级。另一方面,支持车用语音远程遥控协议AVRCP(Audio Video Remote Control Profile)的立体车用音响(stereo head units)和方向盘控制智能手机的应用实例越来越多。


此外,支持多信道视讯串流的高速蓝牙技术,可应用在倒车监视器和车用网络(in-vehicle networking)。低功耗蓝牙技术可应用在传感器和引擎动力(actuators)。至于在车用数据分享部份,蓝牙能够支持手机简讯、媒体、导航等数据的高速传输应用,高速蓝牙传输手机数据和地图功能将可在2011年成型。


值得注意的是,蓝牙技术也有意渗透到胎压侦测等系统监控、无线启动、自动车窗开关、以及无线警示监控等应用,相关规格方案也将在2011年陆续完备。


Wi-Fi不会在智能汽车缺席

蓝牙之外,Wi-Fi也正成为智能汽车的新焦点。例如Autonet Mobile利用Wi-Fi扩充器可进行车间无线传输,Ford藉由USB行动宽带调制解调器,让Wi-Fi也可支持车内无线传输功能。芯片设计大厂Marvell也跟OEM车厂Harman合作将嵌入式Wi-Fi模块应用在Audi车款中。此外,云端运算架构改变车用娱乐信息系统之际,也会进而带动Wi-Fi功能于智能汽车的普及度。


智能电动车节能 电池管理不可少

在提升智能汽车节能部份,电动车和电池已成为智能新能源汽车的主要发展趋势,电动车结合太阳能充电站的设计,已成为智能电网架构的重要环节,太阳能发电的电动车充电设备,可以与智能电网密切整合,提高电动车充电基础建设的用电和储电效能,也将改变智能汽车应用的新风貌。


在这里电动车电池电源如何有效平衡输出,一直是纯电动车电源管理设计的重点项目,此外电池的安全性和耐久性也需一并考虑。电动车的电池管理系统和芯片设计,不能光仰赖半导体技术,更要兼顾电池材料特性。芯片要精确掌握电动车电池的剩余容量,便需要仰赖软件设计。电源芯片厂商必须针对不同属性的电池,搭配自己专属的充放电设计,规划出符合各类电动车电池材料属性的芯片解决方案。


车用MEMS加速智能节能

车用MEMS组件对于节能减碳也明显的帮助,可应用在智能汽车的传动感测(powertrain sensor)系统。传动感测是传递控制讯息给内燃机引擎的电子控制系统,包括汽车引擎歧管压力量测传感器(manifold absolute pressure sensor;MAP),用来测量引擎内燃控制环的压力和油料流动状况,以减少碳排放量。另外,引擎怠速熄火系统(stop/start)需要压力感测和其他非MEMS组件器提供汽车引擎熄火时的关键讯息。而气体传感器可控制车体内部的空气质量,而红外线热电堆传感器(Infrared thermopiles)则可进一步监控温度。


智能汽车上路 车电大厂占先机

相较于消费电子产相关组件成长空间已趋于饱和、且整体毛利率不断下滑的态势,汽车电子领域还有许多成长的机会,因此有越来越多的电子产业厂商也想投入汽车电子领域。


不过正因为智能汽车更强调机械系统整合半导体芯片的实务经验,需兼顾模拟和数字的技术能力,同时电子厂商必须与tier 1或tier 2汽车零配件大厂密切合作,经过冗长的验证测试之后,方有机会打进长期稳定的供应链。因此,智能汽车对于电子产业来说,虽然是个吸引人的发展契机,但是进入门坎并不低,打进供应链的挑战度更高。


目前能够提供智能汽车内部各系统相关电子组件、并且打进整车车厂和Tier 1零部件厂商供应链的大厂,包括英飞凌(Infineon)、合并NEC电子的瑞萨(Renesas)、飞思卡尔(Freescale)、意法半导体(STMicro)、恩智浦(NXP)、博世(Robert Bosch)、Denso、东芝(Toshiba)、德州仪器、富士通微电子(Fujitsu)和亚德诺(ADI)等。这些主要汽车电子大厂的产品蓝图或许多有重迭,侧重面向却各有特色,对于智能汽车的发展重点也不尽相同。


英飞凌:结合电源管理和行动化

英飞凌是以Electromobility来定义下一代智能汽车架构,结合电源管理与行动化,是英飞凌切入智能汽车的关键点。在英飞凌的电子组件蓝图中,油电混合动力(HEV)和电动车(EV)是主要的发展方向,特别是针对传动系统部份、以及电动车结合智能电网的节能设计。因此包括电池管理芯片充放电、AC-DC和DC-DC电压转换、功率因子校正(PFC)等电源管理芯片方案,以及针对混合动力系统推出的大功率电子传动驱动组件,是其关注焦点。


瑞萨:Smart Car五大架构产品完备

瑞萨很清楚地揭示其在智能汽车的产品架构,可分为传动系统、电源管理、车身安全、车用娱乐信息和标准化等五大类,并强调五大类汽车电子组件的应用整合度。例如藉由整合高效能微控制器、影像辨识算法以及2D/3D行车图资显示,瑞萨能够支持同时辨识道路标线、前车防撞安全以及行人安全的智能汽车仪表显示解决方案。此外,马达控制结合电池充放电等电池管理的网络监控系统,也是瑞萨发展智能汽车电子组件的应用重点。


飞思卡尔:电源控制与雷达侦测研发有成

飞思卡尔则针对车身安全、汽车底盘(chassis)和车用网络智能链接(Intelligent Distributed Control;IDC)应用,推出一系列相适应的微控制器方案,并强调控制器掌握各类模拟讯号、特别是电源管理的微控制器设计能力,也因此更侧重于所谓系统基础芯片(SBC)和电源转换器的产品规划路径。此外,飞思卡尔在雷达侦测方案上也有进一步的蓝图规划,除了76~77GHz超高频雷达收发器和接收器设计外,整合雷达收发器的多信道控制器模块也已经成熟,在毫米波(millimeter wave)的SiGe半导体材料技术部份,也有进一步的研发规划。当然,在车用娱乐信息、传动系统、油电混合车和电动车领域,飞思卡尔也提出相关控制器解决方案。


意法:模拟电源和MEMS作先锋

意法半导体似乎并没有针对智能汽车有一个完整的发展架构,不过电压整流、温度、放大器、SBC等模拟讯号芯片和智能电源转换及防护设计,是意法在汽车电子领域的发展重点,除此之外还包括微控制器、内存和微机电MEMS。意法半导体在车用MEMS领域有相当明显的进展。除了汽车警示与导航之外,意法的high-g加速度计已经开始切入汽车安全气囊部份。这些汽车电子产品针对车身舒适、驾驶信息娱乐、传动系统和油电混合动力以及底盘安全等主要应用。


恩智浦:强调混合讯号设计先行者

恩智浦则是强调己身为首推智能汽车架构和安全芯片设计的先行者角色。恩智浦将智能汽车子组件区分为汽车电子和车用娱乐系统两大类,特重自身在混合讯号芯片的设计能力,比较不牵涉到传动系统。在汽车电子部份以标准组件、传感器、CAN/LIN/FlexRay车用网络组件和电源管理为主;在车用娱乐系统部份则是以系统控制、电源放大器、广播调频器等模拟数字混合讯号芯片设计为主。值得注意的是,恩智浦在车用无钥匙辨别传感器(transponder)的远程收发器芯片设计上,已有初步的成果。


ADI:深化电池管理和传动感测影响力

ADI则是针对传动、车身、主动安全、车用信息娱乐和辅助驾驶、混合动力等系统,推出可应用在电子车身稳定、防撞雷达、混合动力、电动转向、后座娱乐系统以及无钥匙射频收发器等相对应的解决方案。像是混合动力和电动车的数字隔离技术和电池监测芯片、传动系统的电流检测放大器和温度感测芯片、量测气压液压的电容和阻抗感测芯片、车身安全的惯性传感器和加速度计等。


智能汽车:全球电子产业新契机

从掌握安全、舒适便利、节能这三大架构开始,汽车车身和车载正迈向电子化、而汽车引擎动力则朝向电动化的趋势前进。智能汽车不仅只是天马行空纸上谈兵的概念,透过各大品牌及OEM车厂、汽车电子和零配件厂商、以及半导体芯片供货商等的推动之下,智能汽车的功能与特性正逐步落实。智能汽车已被视为启动全球电子产业成长的另一波新商机。可以预期地,2011年将会有更多的智能汽车电子化和电动化方案,继续吸引世人的目光。


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