汽車業趨勢

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由於電子產品推陳出新,現今的汽車已從機械裝置快速轉變為有輪子的小型資料中心。

在 130 年後,運算能力取代了馬力

在本文中,Tektronix 的 Chris Martinez 和 Joern Hoepfner 會概述一些推動汽車工業革命的趨勢。

汽車業在其 130 年的歷史中,從未經歷過如同目前正在開展的革命。由於電氣化、自動化、連線能力和行動力的推動,汽車製造商必須重新評估迄今為止從未受到質疑的做法和技術:確實,汽車的根基正在從機械裝置轉變為有輪子的小型資料中心,而這一切都是由於電子產品發展迅速所致。

不過,汽車仰賴電子控制系統的時間比大多數人所知道的還要久得多:第一個進入批量生產的電子燃油噴射系統是 Chrysler Electrojector,它在 1958 年裝配到總共 35 台車輛上。有趣的是,早期率先採用此系統的車輛都是使用四腔化油器來進行改裝,其原因主要是早期的電子系統速度太慢,跟不上「速度飛快」的燃料計量的要求。

現今的精密電子引擎管理系統不只要控制燃油噴射和點火,甚至還要能在 Otto、Miller 和 Atkinson 等運轉行程之間做轉換,最近甚至更讓製造商有能力將均質充量壓縮點火引擎的精密控制商業化。

 

 

ADAS 正在推動網路需求

不過,汽車業正面臨新的電子系統挑戰,此挑戰源自電氣化和先進駕駛輔助系統 (ADAS) 的穩定推行,其中 ADAS 正快速接近完全自動化的第 5 級操作。

第 5 級自動化一詞是由 SAE J3016 標準所定義的,該標準說明了自動化的六個等級,如下所示:

Battery-life圖片來源:ITS International
第 0 級:由人類完全控制車輛,包括控制方向、煞車和油門。基本上就是一直以來的駕駛方式。
第 1 級:小部分的駕駛元素 (如煞車) 可由汽車自動控制。
第 2 級:至少兩項功能已自動化,例如行駛在道路中央和巡航控制。在這個階段,駕駛人的手不必放在方向盤上,也不用腳採踏板,不過,仍必須隨時準備好接手控制。
第 3 級:雖然這個階段還是要有駕駛人,但他們不必像前面幾級那樣地監視周圍環境。
第 4 級:根據美國運輸部 (DOT) 的規定,這一級的車輛是「設計來執行全都是攸關安全性的駕駛功能,並監視整趟路程的道路條件」。這項操作僅限在特定區域 (已設定地理圍欄) 和特定條件下進行,例如塞車或高速公路巡航。不在這些區域和條件時,若駕駛人無法重新接手控制,車輛必須要能夠安全地中止行程,也就是停車。
第 5 級:這個階段就代表車輛已完全自動化,不需要備有方向盤或一般控制裝置供人類接手控制。
Tektronix 的應用工程經理 Joern Hoepfner 表示:「我們已經將第 3 級的系統商業化」,他所舉例的車輛有 2018 年式的 Audi A8,他繼續表示:「同時第 4 級的車輛也正在世界各地的公路累積測試哩程」。

汽車的未來必須仰賴資料中心

有人曾經引用國際性測試、檢查、稽核和認證服務提供者 TÜV SÜD 的技術長 Dirk Schlesinger 的說法:「未來的汽車會是裝有輪子的電腦,但會更具挑戰性」。

例如,Ford GT 是在 1 億行的程式碼上執行,相較之下,Windows 10 只有 2700 到 5000 萬行的可執行程式碼,如果將主機板、顯示卡和 Office 等應用程式都算在內,則會增加到 1 億行。

但讓人必須重新思考電子系統能力的因素不只是運算能力:自動化車輛可能會裝上 15 組合計 50 個不同的感應器,每天會產生約 4,000 GB (也就是 4 TB) 的資料:

  • 攝影機產生 20-60 MB/s
  • 雷達需要超過 10 kB/s
  • 聲納需要 10-100 kB/s
  • GPS 則以 50 kB/s 運作
  • LIDAR 需要 10-70 MB/s 的範圍

這些資料全都需要透過網路來通訊,從 1986 起,這個網路一直是控制器區域網路 (CAN)。CAN 匯流排原本是設計來在車輛內的 ECU 之間傳輸控制器流量,匯流排的最大速度約為 1 Mbps,資料封包負載則高達 8 位元組。

為了應付急遽增加的資料,CAN 已將通訊協定修改成為 CAN FD (彈性資料速率),其最大位元率增加為 15 Mbps,負載則提升至大約 64 位元組。

即使是這樣的速率,CAN 還是無法應付 LIDAR 和攝影機等影像系統的需要。此外,控制元件必須在 ECU 之間傳輸更多資料,才能協調各個子系統。這讓車用網路設計人員不僅必須重新評估速度,還必須重新評估架構。

為了支援這些需要處理大量資料的系統,汽車業發展了許多替代項目,例如:

  • 媒體導向系統傳輸 (MOST) 聯盟,此聯盟一開始是為了支援多媒體而成立,總部設在德國的卡爾斯魯爾市,其所創造的 MOST150 可傳輸 150 Mbps 的資料。這一額外頻寬也讓 MOST150 非常適合駕駛輔助技術使用,例如偏離車道警告、攝影機系統和自適應巡航系統。
  • 另一個並非明確是為了車用應用解決方案而開發的系統是低電壓差分訊號 (LVDS)。它提供了高速訊號標準,其頻寬高達 655 Mbps,並使用雙絞銅線。車用攝影機製造商因為這樣的高速而對 LVDS 非常感興趣。
  • 最近,製造商已將乙太網路改造為車用解決方案,其可提供高效能的頻寬,並結合低成本的單一未屏蔽「雙絞線」。此技術專門設計來滿足汽車業嚴苛的車載裝置需求,並已針對多種車載裝置應用解決方案進行最佳化調整。符合車用規格的技術能夠提供 100Mbps 的高效能頻寬。

大多數的車輛設計都囊括不只一種上述匯流排標準,視特有的子系統而定可能會更多。FlexRay 有嚴格的延遲和時間特性,因此很適合用於必須有固定效能的「線控」應用解決方案。SENT 可能會用於與感應器的通訊。而且我們預料,CAN 和 LIN 還是會繼續用在經過證實的可靠度比速度需求還重要的應用解決方案。許多 ECU 不只會作為控制器,還會作為網路閘道。

高度自動化和連網的汽車會仰賴不只一種網路架構,因此設計人員會在同時對多種網路技術進行測試和排除故障方面遇到困難。這些技術之中有許多在 IT 資料中心裡會顯得更加適用,而在汽車內,這些技術必須能夠在大範圍的溫度和濕度下完美運作、承受撞擊和振動,並與其他模組和大環境保持電磁相容性。

傳導性射頻、輻射射頻和有意識射頻

嵌入式裝置的廣泛使用以及整部車輛的重要資訊通訊需求,已確實增加了除錯和驗證這些設計所需之測試程序的複雜度。而且隨著資料速率增加,「突波」的可能性也會增加,而可能讓系統受到危害。在需要大量產生火花的點火系統中,汽車業對於電磁相容性問題並不陌生。
「在目前的趨勢下,資料量一定會大增」,Tektronix 的策略規劃師 Chris Martinez 如此表示。「然後會有 V2V 或 V2I:想像您正接近十字路口,然後您搭乘的車輛可以與十字路口通訊,或甚至與其他車輛通訊」,Martinez 繼續說道。
大量的電子產品,以及在車輛內流動之資料的關鍵特性,讓電磁相容性變得更難處理且更具重要性。此外,製造商已為車輛裝配了 GSM、3G、4G、Wi-Fi 和藍牙,同時更打算在安全性極為重要,因而需要極短回應時間的應用解決方案中納入較新的廣播技術。
Martinez 指出:「射頻訊號是一大疑慮,因為如果有東西產生干擾,要如何減輕干擾所造成的後果?如果有元件停止運作,是否會造成災難性故障?」因此,他認為這個領域會有巨大的測試需求」,而且這不只是測試電子產品,有時候車輛還必須放到檢測室」,他總結說道。

共用行動力會促成新標準和新的測試

這個快速演變的產業面臨的另一項挑戰是行動力,消費者在選擇運輸工具時,越來越傾向汽車共享和叫車服務。在這個模式下,Uber、Lyft、中國的滴滴出行和東南亞的 NuTonomy 等公司將會對通勤者提供第 4 級甚至第 5 級的自駕「計程車」服務。

這項行動力轉變讓 OEM 廠商有機會成為新興隨需服務提供者的硬體供應商:Volvo 對此商機深感興趣,起因是該公司成為了第一家與 Uber 簽署協議的製造商,為其供應 24,000 輛 XC90,這些車輛裝配了核心的自動駕駛技術,叫車服務公司需要這些技術才能開發其自有的自駕功能。
作為標準自動平台,Volvo 相信他們有機會為其他叫車服務公司供應這些車輛,並為這些公司客製化泛用系統,以符合其本身的需求。如此廣泛的客製化會伴隨硬體/軟體/通訊網路不一定相容的風險,因此最終需要制訂新的標準和測試方式,以便確保車輛的完整性。
正如同隨需共享通勤模式、連線能力和自動化的面貌改變了運輸方式,電力管理也在支援多種板載系統方面扮演了越來越重要的角色。這些車輛可能會採用雙電壓系統,例如目前上市的 48/12 伏特 Mild Hybrid EV,或是油電混合車中所看到的高壓/12 伏特系統。

電源管理讓智慧車獲得加強

理所當然地,牽引系統的電氣化有太多可以說的地方。不過,電子產品能源分配系統則常常被冷落。在這個案例中,12V 的網路會處理傳統負載:照明、點火、娛樂、音訊系統和電子模組,而較高電壓的系統則會支援主動底盤系統、空調壓縮機和再生制動與扭力輔助。

而且由於製造商想要提升效能、降低成本和最佳化電力電子元件的封裝,因此氮化鎵 (GaN) 和碳化矽 (SiC) 功率半導體的發展有了新的機會。例如,在直流/直流轉換器中,這些寬能隙技術所實現的較高切換速度可以縮減電感、變壓器、電容的大小,一般來說可減少重量與大小。在實現這一切的同時,依然能夠完成極高的轉換效率。

還是一樣,這些系統比較符合電腦科技產業的需要,而非傳統汽車製造業,因此,新標準和新的測試程序會以漸進方式推展,以確保其安全性和運作效能。

所以,2030 年時的汽車廣告將可能不會在馬力上做文章,而是更可能會自吹自擂其 Xeon、Snapdragon 和 Drive PX 等名稱之處理器的運算能力,但於此同時,還有許多準備工作尚待進行。不只要開發和完善技術,還要定義標準並確保系統有經過完整測試。

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