「我們正處於轉折點」-專家一同探討汽車電子元件

汽車產業的變革是熱門話題。科技的進步正帶動汽車領域的諸多趨勢與更新,像是零排放車與自動駕駛等大規模趨勢,再到小型化、儲能方法等小眾趨勢,都包括在內。

如今車上的電子元件數量更勝以往。消費者與交通運輸專業人員都要求車輛具備更多能力,包括進階安全功能、車用資訊娛樂選擇、增強的安全性、乘客的便利性與舒適性等等。

電源與互連元件是推動車輛及其他多種交通運輸方式向前發展的基礎。業界領先的兩家電子公司的三位汽車元件專家,包括 DigiKey 的技術行銷經理 Shawn Luke,以及 Molex 的業務開發經理 Matt McWhinney 與 Kirk Ulery,最近一同探討了推動當前汽車設計的各種因素。

車廠紛紛急著讓車輛更智慧並提高互連性,推動這些功能所需的電子元件數量將不斷增加。實際上,根據 Statista 的資料,到 2030 年,電子元件將佔新車成本的 50%。

Ulery 表示:「車輛電子功能的激增也帶來巨大的發展空間。不論電動車與其他推進系統車輛的最終走向為何,電子元件毫無疑問會成為未來車輛最關鍵的元件之一。」

電氣化帶來創新

汽車電氣化開啟了新車設計創新的大門。車廠無需再遷就於傳統內燃引擎,在配置電池與充電孔位置時具有更大的彈性,也能為乘客或貨物提供更大的空間,還有其他諸多優點。

在設計階段時,電動車有多種充電孔位置的選擇。(圖片來源:Molex)

因此,有越來越多新進市場的電動車車廠推出多種車型與款式。目前,許多電動車仍價格高昂,且整個領域仍缺乏標準化。但在多樣化提升下,消費者就享有更多款式與客製化的選擇,而且隨著技術進步與產量提升,車輛的成本也有望降低。

McWhinney 預測:「電動車設計還要過一段時間才會出現通用的佈局,因為這是一場追求新技術與創新的激烈競賽。汽車產業的設計通常講究非常耐用、可靠且經過充分驗證,但在這個瞬息萬變的時代,許多平台仍處於起步階段,基本上都是價格非常昂貴的原型。」

不論車廠、車型或款式為何,所有電動車都得具備可靠的電力傳輸與高速資料傳輸功能,以達到軟體引導的即時決策。

此外,在引進軟體定義的車輛平台後 (可管理車輛系統的功能與行為),微處理器的進步也引起汽車設計的典範轉移。對硬體的依賴度降低,對模組化、靈活性與連接性的需求提高,因此就算要管理極為複雜的系統,需要的零件與接線反而更少。

Ulery 解釋道:「我們正處於轉折點,已經不能在車內放入更多接線了。汽車產業已經開始借鑒電腦產業。如今已經有一種雙線乙太網路標準,可以在 GHz 範圍內運作,如此就能減少車內接線的數量。

48 V [電氣系統] 就是一個例子,因此現在就可減少接線,在軟體定義式車輛中採用區域化架構,將一個控制器和相關裝置全部連接到同一個匯流排,只需一根接線就可連接全部。今後銅製連接器會更少,但車輛的設計會更優秀,能更輕鬆地因應未來車輛更高的連接速度需求。」

電動車 (或油電混合車) 當道

雖然車廠正專注於生產由電池供電的電動車,但在充電基礎設施與車輛續航里程尚在追趕的情況下,美國消費者仍有所觀望。2023 年,美聯社報導指出,油電混合車的購買量,在美國成長了 76%,而電動車的銷量則陷入停滯。

Ulery 表示:「北美的電氣化發展時斷時續。如果你一次行駛超過 100 英里,就會發現充電基礎設施的問題需要解決。」

McWhinney 補充道:「在許多平台上,購買油電混合車是最熱門的選擇。經濟狀況,甚至是政治環境,都會影響電動車的普及。」

儘管如此,在消費型車輛之外的市場,電動車的採用逐漸成長。商用車隊開始追求永續性,用於最後一哩配送與公共運輸的一些車輛,以及貨場內使用的輕型與中型車輛,都開始改為電池電動車、插電式電動車,或氫能等替代燃料車輛。

Ulery 補充道:「在印第安納波利斯舉行的 2024 年 [工作卡車週 (Work Truck Week)] 活動上,幾乎所有體型小於半掛式卡車的車款都有提供電動馬達選項,也有不少車款採用氫動力系統,從環保角度來看,都可達到零排放。」

挑選車用元件

每一部現代化客車平均含有 80 個感測器、100 個電子單元以及大量的接線。為了在汽車遭遇的嚴苛環境中 (天氣與濕氣、各種路況、高溫、振動等) 達到良好性能,每個元件都必須符合一套嚴格的標準。

智慧型車輛的電子元件必須符合嚴格的標準,才能在嚴苛的電動車環境中正常運作。(圖片來源:Molex)

Luke 表示:「耐用性與可靠性對交通運輸非常重要。車輛內的某些元件必須耐用數十年。因為使用壽命如此之長,所以若元件有任何變革,例如消費者在乘車或搭飛機時希望改用 USB-C 標準的充電纜線,車隊可能需要很長的時間才能做好準備。」

包括汽車電子協會 (AEC) 與美國汽車研究委員會 (USCAR) 在內的多家認證機構,都會針對車廠使用的零件制訂標準。這些組織會制訂效能要求,對核准用於汽車環境的元件進行仔細審查與認證。

全球公認的 AEC 認證 (AECQ) 元件,通常是耐用可靠的高品質零件,可以在承受惡劣路況的同時不讓效能受損。在汽車設計階段挑選元件時,還要注意其他幾項考量因素,包括:

  • 模組性:若有需要,車主或修理廠能否輕鬆更換零件?
  • 觸點的幾何結構:元件可承受多少次插拔?簡言之,連接器能否正常發揮功能?
  • 效率:零件能否善用能源,或是否會產生額外的電力耗損?
  • 使用案例:零件的結構是否符合使用案例所需的規格?規格不足的零件,可能只可存活而無法良好運作;若零件超出規格,則可能會導致設計彈性受限。
  • 組裝便利性:裝配線能否依據零件在車上的位置,大規模地重複安裝該零件?
  • 安全性:若該零件會在車輛行進中發生故障,是否已有備援方案可避免發生事故?

McWhinney 表示:「汽車元件的風險評估與規格制訂就像硬幣一樣有兩面性。由於不只注重存活性,也要求功能性,因此在規格上有時要重新制訂或再次升級。另一方面,如果規格制訂過高,可能需耗費過多製造成本,或導致設計彈性受限。隨著架構演進,規格主控權也越來越重要。」

Luke 補充說道:「互連領域最大的優點在於,可以製造能抽換的模組化零件。這似乎是很基本的要求,但人們低估了這在汽車設計中的重要性。」

專家一致認為,在汽車設計中,安全絕對優先。

Ulery 表示:「對於安全,怎麼強調都不為過。如果電腦出錯,只要重新開機就好。但是,若是採用運算匯流排的車輛正在高速行駛中,是無法重新開機的。我們所做的一切,都必須額外考慮到這一點。

在元件方面,我們始終追求最新最優異、該如何添加最新功能以達到最佳效能,而且還想要迅速達成;但人命關天,因此必須確保可靠度萬無一失。」

未來展望

展望未來,消費者很可能會繼續追求越來越先進的安全與舒適功能,並採用可減少化石燃料依賴性的電動車或其他運輸模式。

McWhinney 表示:「電氣化絕不會停止,反倒可能加速。」

他更認為,不論發生什麼,車輛電子元件小型化的趨勢都將持續。

McWhinney 說道:「在微電子技術的進步下,車輛可以安裝更多的微處理器,進而發展成為軟體定義式車輛平台。這並不代表屆時車上的每個元件都會直接由軟體動態控制,但以此方向重新架構控制系統會帶來重大影響。」

車輛配備更多的微處理器,會推動更多的創新,因此會更仰賴在邊緣端達到迅速的資料處理,包括自動駕駛能力。雖然還需要幾年的時間,但最快在 2030 年,自動駕駛車可能就會相當普遍。大多數人已經熟悉並習慣使用半自動功能,例如汽車上的巡航控制或飛機上的「自動駕駛」。但在接下來幾年中,司機或飛行員可能仍要親自介入相關流程及作業。

交通運輸與汽車產業將在未來多年內持續推動創新。Molex 與 DigiKey 等供應商也將持續提供必要的元件與服務,以加速此進展。

關於作者

More posts by Matt McWhinney and Kirk Ulery, Molex and Shawn Luke, DigiKey
 TechForum

Have questions or comments? Continue the conversation on TechForum, Digi-Key's online community and technical resource.

Visit TechForum