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「2021汽車電子技術與應用」線上研討會特別報導
 

【作者: 籃貫銘】   2021年08月04日 星期三

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5G正式啟用,宣告了產業期待許久的「低延遲」與「大連結」時代即將來臨。而對汽車產業來說,也意味著車聯網正逐漸朝向它的完成式前進,未來所有的車輛都將配備著先進的無線網路技術,以及豐富的運算與感測功能,汽車的電子化將在5G的推動下,前進一大步。


而在5G與電子化的帶動下,電動車也將加速它的發展,一方面迎合全球對於節能減碳的需求,另一方面也為更全面且深入的整合電子化的設計。


對此,2021年CTIMES汽車電子技術與應用研討會,特別針對5G車聯網通訊系統、電動車車電系統、車輛安全與環境感測技術,三大面向進行探討,解析在5G時代汽車電子的最新技術趨勢與應用發展。


安馳ADI:電動車電控系統、電池管理系統與Energy Meter

隨著全球新冠疫情的逐漸趨緩,各國也慢慢的解除限制,準備重啟經濟。而全球汽車市場也隨之重回成長的勢頭,其中電動車更扮演著成長的主要驅力,將會是汽車市場的領頭羊。因此,與電動車相關的各種電控與電池元件需求,也跟著水漲船高。


安馳科技產品市場部副理蔡勝偉表示,高電壓電池的應用需求在未來幾年內將會蓬勃發展,首先就是EV的趨勢,包含油電車、電動車、電動巴士和電動機車等。第二就是可攜式的裝置,包含工業用、醫療,以及通訊裝置等。第三個就是再生能源與節能系統(ESS)。



圖一 : 安馳科技產品市場部副理蔡勝偉
圖一 : 安馳科技產品市場部副理蔡勝偉

BMS的技術發展也可以從EV的里程數看出,像是在2017年就達到了177里程數,是2014年的兩倍以上,而到了2019年,則又進一步成長至220。蔡勝偉指出,除了電池容量密度的提升外,良好的BMS晶片也是關鍵所在,只要晶片能夠針對電池進行精準的量測並縮小誤差值,車廠就不需要增加額外的電池容量。


針對EV的電池應用,ADI所扮演的角色,主要就是針對電池芯的監控,去量測電池的電壓與溫度,以及針對產品的電池系統判斷是不是需要電流的平衡;再來就是針對整體Pack的電壓、溫度等狀況進行偵測;第三則是通訊,必須要有良好的介面,來確保訊號不被雜訊干擾;第四點就是先進的軟體功能,來控制元件上每一個電路上的訊號。


蔡勝偉強調,要有良好的電池管理系統,就必須針對每一個電池的使用進行監控。而良好的BMS系統除了能提高安全性之外,也能提高電池本身的使用壽命和可靠度,因此採用更高精準度、更高可靠度、和更高傳輸率的BMS晶片,同時這些晶片也要具備有安全性的要求。


BMS晶片要看參考電壓值 ADI有業界最低錯誤率


圖二 : ADI的BMS晶片產品線路圖。
圖二 : ADI的BMS晶片產品線路圖。

而在挑選BMS晶片時有幾個要點、幾個參數特別需要留心。蔡勝偉指出,首先就是內部的參考電壓值,而ADI的方案擁有業界最低的錯誤率,也無須PCB組裝後的校正,以及最佳的長期使用的電流飄移與溫度範圍,能帶來非常高的量測精準度。


第二個使用的要點則是內部的ADC,目前ADI的方案是採用16-bit sigma-delta 的ADC,並使用可程式化的過取樣(oversample)比例,來對雜訊進行過濾。此外,這個架構也可以把RF的雜訊進一步降低,尤其是電動車是屬於高雜訊的使用環境。


第三個重點則是針對電動車上的干擾源的問題,而ADI的方案是採用隔離的SPI介面的設計,只要使用雙絞繞的方式就可以傳輸比如cell的電壓等資料,而傳輸率可以達到1MB。另外也通過了200 mA BCI的測試,符合高車用元件的法規。


而它接線的方式有兩種,一種是常見的模組化方式,把isolator和處理器與其它的IC放在一組板子上,但如果組數越多,需要的元件數也會增加。另一種則是使用ADI的isoSPI直接串接的方式,則可以大幅減少元件的使用數,但也會有傳輸速度稍慢的缺點。


至於ADI在BMS應用的產品規劃上,在2018年推出了第四代的產品,也就是LTC6810系列,它是依據不同的Cell數量有相對應的產品,例如LTC6813就是針對73V的電動車所設計的。


現在則是發展到第五代的產品,可以支援低成本的系統設計和ASIL的應用,所以在命名上也有了新的識別,就是ADBMS6810系列。有關儲能和資料中心應用的領域,則推出了ADBMS1818,它的核心架構是採用第四代,但效能有所提升。


第五代ADBMS6815它可以支援12個電池cell,整體的長期量測誤差範圍在


1.5 mV以內。此外,它的isoSPI也提高了,可支援至2 Mb的序列通訊,同時也能對應可「Reversible isoSPI」。而在車規認證方面,此晶片也通過ISO 26262 ASIL D和AEC-Q100的車輛安全規範。另,內部的被動的平衡也達到每通到300 mA。


另外針對ESS應用,ADI也推出ADBMS1818,是跟EV與充電樁都有密切的關係,並且依據市場的需求,有低成本的版本。蔡勝偉表示,此晶片的整體量測誤差,在-40°C到85°C間,可達到低於3mV 的水準,整體的delta sigma還是維持在16-Bit。睡眠模式的消耗電源為6μA。


那什麼是「Reversible isoSPI」?蔡勝偉解釋,它的功能就是能提供另一個通訊埠來監控處理器的訊號,而且能從每一個埠接受訊號。相較於一般單向的電路設計,傳輸只能是固定走在每一條電路上,但「Reversible isoSPI」就可以多利用另一道電路來進行傳輸,增加系統的彈性與效率。


再者,若是在整個電路系統中有部分連線出現中斷,「Reversible isoSPI」也可以從另一道繞過進行通訊,進一步增加系統的可靠度與安全性。


而因應這個設計,ADI也推出下一代的控制晶片,也就是採用「Dual」的架構,把兩個Die包成一顆,因此只需要一顆IC,就能接收High-side與Low-side的接口。另外,針對新一代的法規要求,新一代的晶片也提供從通訊埠喚醒CPU的功能。


這樣的設計架構能帶來哪些優勢?蔡勝偉指出,透過這個透價可以簡化設計,進而減少BOM-Cost,同時也提高資料的傳輸率。


Littlefuse:電動車的功率控制與電路保護方案

Littlefuse成立於1927年,已有九十多年的歷史,更是世界首個發明快速運作(fast-acting)保險絲的公司。過去主要以保險絲的技術開發為主,但近期的幾十年間則擴大至感測器等其他領域,目前已是全球產品最完整的電路保護方案業者。



圖三 : 資深技術行銷工程師游恭豪
圖三 : 資深技術行銷工程師游恭豪

資深技術行銷工程師游恭豪表示,近二十年間,Littlefuse多次透過併購的方式,來擴大自身的產品線,包含感測器等。而最近的十年,則是專注在汽車的應用方面,是主要的成長領域。目前Littlefuse已經不是單一領域的業者,而是一家橫跨電子、交通運輸、以及工業控制的全方位業者。


旗下的五大產品軸包含:電路保護、功率半導體、切換器與控制晶片、感測器、以及交通運輸解決方案。


隨著全球持續成長的智慧車與電動車(EV)趨勢,所需控制器與相關的電力IC也會越來越多。游恭豪指出,目前一輛汽車約會使用100個電子控制單元(ECU),其中有90%的ECU會從傳統的汽油車中直接導入至電動車,只有很少部分專用於馬達和變速箱的ECU會專門設計給電動車。


因此,未來包含電動車在內的絕大多數汽車,都會使用先進電子系統,包含汽車影音娛樂資訊系統、導航系統、多功能感測鏡頭、設計需求、以及車載資訊系統等。另外,則是自動駕駛系統。而相關零組件業者可切入的部分,除了在充電樁與電池系統之外,還有通訊埠、娛樂系統和自駕的領域。


油車與電動車都需要電路保護 留心突波、ESD與過流

所以無論是汽油車還是電動車,都是需要電路保護系統,並以12V的設計為主。而主要面臨的挑戰有突波(Surge)、各個端口的ESD、以及12V或24V過流(Overcurrent)的問題。


在汽油車的12V突波保護部分,其電力主要是從發電機所產生,並提供給電池與其它的模組來使用。然而發電機本身並不是一個穩定的電力來源,會跟汽車引擎的轉速有關連,電壓也會忽高忽低,因此ISO 7637-2就定義了五種不同的波型,包含電阻性與電感性的電流脈衝有所描述。


而其中最常見的就是第五種脈衝負載傾卸(load dump),而它是模擬車上一個最大的負載,也就是當電池鬆脫時,對整個電網上所產生的瞬間電壓升高,一般在12V的系統中會出現大概101V的高壓突波,且時間長達400毫秒,因此各部件都要有防突波的設計。


游恭豪表示,因應此一情況,最好的方法就是參照國際的法規,目前有兩個規範,一個是ISO 7637-2和ISO 16750,其中前者是舊版,後者是新版,最大的差異是新版需要10個脈衝,同時也對系統的壓力更高。


而對面此一挑戰,就是用TVS二極體元件來處理,透過Clamp的動作,可把突波大幅縮減至約30V,相對的也大幅降低電路系統的風險,提高運行的可靠度。游恭豪強調,Littlefuse的TVS二極體元件全系列都通過AEC-Q101的車規認證,且具備各種封裝尺寸,而防雷瓦數從400W到7000W,能滿足各式車輛的使用需求。



圖四 : Littlefuse五大產品軸包含:電路保護、功率半導體、切換器與控制晶片、感測器、以及交通運輸解決方案。
圖四 : Littlefuse五大產品軸包含:電路保護、功率半導體、切換器與控制晶片、感測器、以及交通運輸解決方案。

至於ESD方面,它是無論汽車或者消費性電子系統都會碰到的議題,主要的因應法規就是IEC 61000-4-2,但汽車領域則另有ISO 10605的規範。這兩個法規在設備上的規定是一樣的,但在測試電壓設定卻是有很大的不同。在IEC 61000上,電壓是可以自選的,常見的就是15KV或是8KV,但在汽車領域則是固定為25KV和15KV。


在I/O方面,汽車領域的兩大通訊主軸就是LIN Bus與CAN Bus,是車用最基本的兩大協議,也是Littlefuse主要的產品線系列。游恭豪表示,因為尺寸的需求,車用的客戶多會選擇AQ24這個系列,而其24代表的也是24V的意思,目的是對應12V的電路設計時,能有更高的保護性能。


針對天線埠的部分,Littlefuse除了具備半導體材料的元件外,也提供了聚合物製程的ESD保護器解決方案,能夠帶來更佳抗高頻干擾的性能。


ADAS與自駕車帶來通訊埠與感測器電路保護需求

另外值得注意的是,車用乙太網路(Ethernet)的部分,目前它是汽車領域重要的通訊協定,像是ADAS應用,多會使用到這個通訊埠,特別是自駕車系統,會連接很多的感測器,更對此有很高的使用需求,所仰賴的就是其高頻寬、2低延遲的特點。而Littlefuse在此領域也提供了一系列符合車規的ESD保護方案,滿足用戶的需要。


在過流(Overcurrent)的部分,則是Littlefuse的傳統強項,它能避免汽車的電子元件因為泡水或者老化的因素,所造成的短路和過流的風險,而客戶可以依據自身的產品策略,選擇一次性的保險絲或者可恢復的保險絲。


以汽車常見的15W(3A/5V)的USB-C插孔為例,若使用者沒有拔除連接線,讓線頭誤觸了點菸器的插孔,就有可能引發短路的風險,此時就可依照客戶的產品策略,選擇一次性或可恢復式的保險絲來因應。


另外,隨著ADAS和自駕車的趨勢,越來越多的感測器被用在汽車之內,而這些感測器也需要被保護,因為感測器通常連接到ECU,若沒有對這些元件進行保護,也會增加ECU故障的風險。


是德科技與工研院 剖析C-V2X驗證與全球EV趨勢

是德:洞察C-V2X車聯網部屬與設計驗證挑戰

V2X就是「Vehicle-to-Everything」,是讓汽車與所有物件連結的技術,它是讓汽車可以連上網路,進行數據的傳輸。也是讓汽車與汽車之間、汽車與道路基礎建設之間、汽車與行人的智慧裝置間溝通的關鍵。


是德科技技術專案經理吳建樺表示,目前汽車的感測常採用多鏡頭的組合,再搭配光達或雷達等,但這類型的技術較偏「直線式」的感測,容易有死角。而V2X則為非直線式,可以擁有360度全視角的感測,同時可以透過資料的分享,來達成前方路況的預判,更加安全。


圖五 : 是德科技技術專案經理吳建樺
圖五 : 是德科技技術專案經理吳建樺

而C-V2X以手機相同的4G LTE和5G連結方式,可分為兩個形式。一種為以網連結模式,也就是V2N,或者稱為Managed Mode和Mode 3,採Uu介面,好處是範圍較廣、不易受干擾。


第二種V2V、V2P和V2I的連接,而目前使用的波段為ITS bands,也就是5.9 GHz。通常稱為Side Link和Direct Link,或者是Mode 4和Unmanaged Mode。它的特色就是不是用基地台統一管理的,使用的介面為PC5,連結的範圍較窄。


C-V2X在設計和驗證上所會遭遇的挑戰,吳建樺表示,首先是安全性上的要求特別高;第二,則是各國與區域間的測試標準的差異;第三是互操作(interoperability)性的問題;第四是干擾的問題;第五為GPS的精確是;第六是網路安全性的議題。


工研院:全球電動車市場趨勢與關鍵技術

針對「全球電動車市場趨勢與關鍵技術」,工研院產科國際所副組長石育賢表示,各國正在全力發展電動車市場,並將帶動相關的供應鏈邁入快速成長期。


圖六 : 工研院產科國際所副組長石育賢
圖六 : 工研院產科國際所副組長石育賢

她指出,自2021年起,ADAS、線上更新、觸控面板和人工智慧,將會逐漸成為每輛出廠新車的標配;同時電動化與智慧化車輛科技也會加速發展。而隨著疫情趨緩,車市也將復甦,預計今年的年銷售總數將達到8350萬台,其中插電的混合動力車與純電動車,預計將佔340萬台,年成長率為40%。


受惠於車輛電動化與智慧化的成長趨勢,汽車相關的半導體供應鏈也將水仗船高,而台灣的晶圓代工將會是最主要的受益者。


石育賢表示,2021年車用半導體市場預估將達499億美元。其中包含車用處理器、微控制器、感測器、功率元件、電源管理與控制IC、以及影音娛樂IC。


至於車用半導體與感測器的趨勢市場,仍會以歐、中、美為主,類別則以動力系統、車身電子與底盤電子、安全等四大類為主。另外,車聯網的服務也將會逐漸成形,預計至2025年,汽車連網服務的市場規模將達到234.8億美元。


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