半導體技術是如何變革汽車設計產業的?

2020-12-01 電子工程專輯

安森美半導體進入汽車半導體領域已有20多年的歷史了——確切地說是半個多世紀！在這段時間裡，汽車發生了不可估量的變化，而且，在大多數領域，變化的步伐正在加快，因此需要更多創新的技術方案以支持汽車行業的轉型。fZ9EETC-電子工程專輯

如果回想20年前，購車大眾的願望和決策標準幾乎與車輛本身一樣發生了變化。在千禧之交，消費者主要對汽車的性能、發動機尺寸以及汽車的品牌感興趣。如今，這些特性，尤其是信息娛樂和「聯接」特性、排放水平、安全性和質量已成為決策標準的重中之重。fZ9EETC-電子工程專輯

安全性一直是購買汽車的消費者的考慮因素，但人們的期望已經改變。二十年前，安全特性主要是被動的，例如安全氣囊和壓潰區，而現在，安全性更主動，通過採用技術以主動預防事故。fZ9EETC-電子工程專輯

現代汽車配備傳感器來監視車輛運行的幾乎每個方面，其內部和外部環境，駕駛員以及所有乘客，駕駛員和乘客監視是相對較新的進展。20年前的主要傳感器僅監視車輪的旋轉，從而允許引入早期系統來控制制動和牽引力。如今，即使在入門級車型上，車輛也包含多達一百多個傳感器。fZ9EETC-電子工程專輯

據IHS Markit，今天的車輛具有更長的預期壽命，這在很大程度上要歸功於現代車輛所採用的技術和控制系統。這些系統不僅可以提供更平穩的換檔，更低的排放以及更好的能效和安全性，而且還可以防止導致車輛過早磨損的過度駕駛。因此，車輛的平均預期壽命從千禧之交的9.6年增加到現在的12年左右。此外，現代先進駕駛輔助系統（ADAS）防止四分之一以上的碰撞（根據Boston Consulting Group的研究），從而進一步延長了車輛的使用壽命。fZ9EETC-電子工程專輯

汽車行業的快速變化步伐

汽車領域的變革步伐從未如此之快。雖然可以購買新的內燃機（ICE）車輛的日子已經指日可數了，但這些車輛的創新仍在繼續，以提高安全性、能效並消除其產生的汙染。汽車的未來顯然是在電力領域，輕度混合動力汽車（MHEV）、插電式/混合動力汽車（PHEV/HEV）和電池電動汽車（BEV）的銷量正在增長，儘管許多人希望這一增長比目前更快。fZ9EETC-電子工程專輯

車輛的幾乎每個方面都在發生變化–汽油動力傳動系統正在變成電動的，這本身就推動了整個車輛結構的進一步變化，要求電動機在電動助力轉向（EPS）以及冷卻風扇等領域取代機械驅動的泵。實際上，許多機械、機電和液壓系統已被完整的電氣/電子系統所取代。由於這些新方案通常比以前的方案更小、更輕、更高效，更可靠，因此它們也用於ICE車輛，以減少化石燃料車輛的排放。fZ9EETC-電子工程專輯

除了提高能效外，汽車廠商還堅定地關注其車輛的安全性。研究表明，所有事故中超過90％可歸因於駕駛員，因此汽車廠商的安全工作集中在協助駕駛員並最終接管駕駛的系統上，這在一段時間內是一種功能，直到車輛完全實現自動駕駛。fZ9EETC-電子工程專輯

半導體在車輛中的重要性

車輛中的創新有五分之四與電子相關，因此依賴某種形式的半導體器件。因此，根據McKinsey and Company的一份報告，汽車廠商每年在半導體器件上的支出約為240億美元。儘管汽車領域每年以約8％的速度增長，但某些領域的增長速度更快，特別是ADAS和自動駕駛（18％）、LED照明（24％）和電動汽車（42％）。fZ9EETC-電子工程專輯

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圖1：半導體是現代汽車電子系統的基礎fZ9EETC-電子工程專輯

車輛包含的電子含量比以往任何時候都多，美國汽車工程學會（SAE）二級EV約有580美元主要用在圖像傳感器、雷達傳感器、分立開關器件、電源模塊和照明。然而，隨著LiDAR以及傳感器融合、寬禁帶（WBG）器件和雷射照明技術的加入，預計這在4級EV中將增加兩倍至1,760美元。fZ9EETC-電子工程專輯

在普通車輛中，三分之二的半導體成分來自模擬器件、功率器件和傳感器。上述每個產品領域由越來越多推出的ADAS系統、進一步的汽車功能電子化和精密的照明系統推動著增長。fZ9EETC-電子工程專輯

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圖2：每輛車的半導體含量，按汽車類型【來源：iSuppli】fZ9EETC-電子工程專輯

半導體技術的飛速發展，包括高性能寬禁帶(WBG)器件在商業上的可用性不斷提高，以及EV動力總成的迅速發展，從一代車輛到下一代車輛的設計常常發生重大變化。半導體領域的持續創新使汽車廠商能夠減少排放/增加電動汽車的行駛裡程，提高自主性並減少關鍵電子系統的尺寸和重量，從而使最新一代的汽車對購車大眾更具吸引力。fZ9EETC-電子工程專輯

汽車半導體技術進入未來

就全自動駕駛而言，視覺和雷達傳感器是同樣重要的感知技術，因為許多系統（防撞、盲點檢測、車道保持、標誌識別、自動緊急制動（AEB）等）都依賴於車輛檢測並識別周圍環境的能力。車艙中越來越多地使用視覺傳感器來監視駕駛員和乘員，從而進一步提高了舒適性和安全性。實際上，自動駕駛汽車可含多達40個這樣的傳感器。fZ9EETC-電子工程專輯

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圖3：未來的車輛將包含幾十個基於視覺的傳感器fZ9EETC-電子工程專輯

未來，更多的車輛將擁有包含圖像傳感器、超聲波傳感器、雷達和雷射雷達（LiDAR）的系統，通過傳感器融合提高有效性、冗餘性和魯棒性，而互補技術將協同工作以確保在所有環境條件下都能完美運行。fZ9EETC-電子工程專輯

在動力總成系統中，在惡劣環境下的能效和可靠性將仍是主要重點。消費者單次充電的成本和續駛裡程與電動汽車的成功緊密相關，碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）將在提供前所未有的能效水平方面發揮重要作用，尤其是在動力總成和車載充電系統中。儘管分立方案是眾所周知的，但將電源開關IGBT和MOSFET及其相關的門極驅動器以及溫度和電流檢測集成在一起的模塊方案（如功率集成模塊（PIM）或智能功率模塊（IPM））將顯著地優化系統。fZ9EETC-電子工程專輯

照明將得益于越來越強大的智能，基於LED的系統將繼續提供更高能效的工作以及更大的功能。自適應大燈將智能地為駕駛員照亮前方的道路，同時確保迎面而來的駕駛員不會眼花。重點將轉移到尾燈上，先進的基於LED的燈將變成動畫，提供更清晰的方向指示，並且剎車燈將調節其強度以反映制動力，從而提高道路安全性。將來，全自動駕駛汽車不僅將使用車燈去「看」，而且還將作為與外界交流的一種方式。fZ9EETC-電子工程專輯

車輛中最重的物品之一是將所有單獨的模塊化子系統連接在一起的布線。隨著越來越多的電子系統被添加，並且由於數據內容呈指數增長，數據速率和數據量激增，這些過時的線束變得更重、更昂貴並且完全不足。車載網絡（IVN）將提供傳輸數據所需的帶寬，同時又足夠精密，以確保所有與安全相關的消息都以高優先級且無延遲地傳輸。fZ9EETC-電子工程專輯

車輛複雜性不斷提高，與其他車輛和周圍基礎設施（如智能城市）的通信變得普遍，車輛架構將發生變化。乙太網很可能會成為主導的IVN技術，從而促進從基於信號的通信向面向服務的體系結構的過渡。fZ9EETC-電子工程專輯

總結

汽車和汽車行業正在發生不可估量的變化。許多機械和液壓系統將被提高能效、安全性和舒適性的電子等效物所取代。半導體將是這些進步的關鍵，並且隨著電動汽車的興起，半導體將成為所有汽車中最重要的器件。fZ9EETC-電子工程專輯

責編：Luffy LiufZ9EETC-電子工程專輯

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