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「2021汽车电子技术与应用」线上研讨会特别报导
 

【作者: 籃貫銘】2021年08月04日 星期三

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5G正式启用,宣告了产业期待许久的「低延迟」与「大连结」时代即将来临。而对汽车产业来说,也意味着车联网正逐渐朝向它的完成式前进,未来所有的车辆都将配备着先进的无线网路技术,以及丰富的运算与感测功能,汽车的电子化将在5G的推动下,前进一大步。而在5G与电子化的带动下,电动车也将加速它的发展,一方面迎合全球对於节能减碳的需求,另一方面也为更全面且深入的整合电子化的设计。对此,2021年CTIMES汽车电子技术与应用研讨会,特别针对5G车联网通讯系统、电动车车电系统、车辆安全与环境感测技术,三大面向进行探讨,解析在5G时代汽车电子的最新技术趋势与应用发展。


安驰ADI:电动车电控系统、电池管理系统与Energy Meter

随着全球新冠疫情的逐渐趋缓,各国也慢慢的解除限制,准备重启经济。而全球汽车市场也随之重回成长的势头,其中电动车更扮演着成长的主要驱力,将会是汽车市场的领头羊。因此,与电动车相关的各种电控与电池元件需求,也跟着水涨船高。


安驰科技产品市场部??理蔡胜伟表示,高电压电池的应用需求在未来几年内将会蓬勃发展,首先就是EV的趋势,包含油电车、电动车、电动巴士和电动机车等。第二就是可携式的装置,包含工业用、医疗,以及通讯装置等。第三个就是再生能源与节能系统(ESS)。



图一 : 安驰科技产品市场部??理蔡胜伟
图一 : 安驰科技产品市场部??理蔡胜伟

BMS的技术发展也可以从EV的里程数看出,像是在2017年就达到了177里程数,是2014年的两倍以上,而到了2019年,则又进一步成长至220。蔡胜伟指出,除了电池容量密度的提升外,良好的BMS晶片也是关键所在,只要晶片能够针对电池进行精准的量测并缩小误差值,车厂就不需要增加额外的电池容量。


针对EV的电池应用,ADI所扮演的角色,主要就是针对电池芯的监控,去量测电池的电压与温度,以及针对产品的电池系统判断是不是需要电流的平衡;再来就是针对整体Pack的电压、温度等状况进行侦测;第三则是通讯,必须要有良好的介面,来确保讯号不被杂讯干扰;第四点就是先进的软体功能,来控制元件上每一个电路上的讯号。


蔡胜伟强调,要有良好的电池管理系统,就必须针对每一个电池的使用进行监控。而良好的BMS系统除了能提高安全性之外,也能提高电池本身的使用寿命和可靠度,因此采用更高精准度、更高可靠度、和更高传输率的BMS晶片,同时这些晶片也要具备有安全性的要求。


BMS晶片要看叁考电压值 ADI有业界最低错误率


图二 : ADI的BMS晶片产品线路图。
图二 : ADI的BMS晶片产品线路图。

而在挑选BMS晶片时有几个要点、几个叁数特别需要留心。蔡胜伟指出,首先就是内部的叁考电压值,而ADI的方案拥有业界最低的错误率,也无须PCB组装後的校正,以及最隹的长期使用的电流飘移与温度范围,能带来非常高的量测精准度。


第二个使用的要点则是内部的ADC,目前ADI的方案是采用16-bit sigma-delta 的ADC,并使用可程式化的过取样(oversample)比例,来对杂讯进行过滤。此外,这个架构也可以把RF的杂讯进一步降低,尤其是电动车是属於高杂讯的使用环境。


第三个重点则是针对电动车上的干扰源的问题,而ADI的方案是采用隔离的SPI介面的设计,只要使用双绞绕的方式就可以传输比如cell的电压等资料,而传输率可以达到1MB。另外也通过了200 mA BCI的测试,符合高车用元件的法规。


而它接线的方式有两种,一种是常见的模组化方式,把isolator和处理器与其它的IC放在一组板子上,但如果组数越多,需要的元件数也会增加。另一种则是使用ADI的isoSPI直接串接的方式,则可以大幅减少元件的使用数,但也会有传输速度稍慢的缺点。


至於ADI在BMS应用的产品规划上,在2018年推出了第四代的产品,也就是LTC6810系列,它是依据不同的Cell数量有相对应的产品,例如LTC6813就是针对73V的电动车所设计的。


现在则是发展到第五代的产品,可以支援低成本的系统设计和ASIL的应用,所以在命名上也有了新的识别,就是ADBMS6810系列。有关储能和资料中心应用的领域,则推出了ADBMS1818,它的核心架构是采用第四代,但效能有所提升。


第五代ADBMS6815它可以支援12个电池cell,整体的长期量测误差范围在


1.5 mV以内。此外,它的isoSPI也提高了,可支援至2 Mb的序列通讯,同时也能对应可「Reversible isoSPI」。而在车规认证方面,此晶片也通过ISO 26262 ASIL D和AEC-Q100的车辆安全规范。另,内部的被动的平衡也达到每通到300 mA。


另外针对ESS应用,ADI也推出ADBMS1818,是跟EV与充电桩都有密切的关系,并且依据市场的需求,有低成本的版本。蔡胜伟表示,此晶片的整体量测误差,在-40。C到85。C间,可达到低於3mV 的水准,整体的delta sigma还是维持在16-Bit。睡眠模式的消耗电源为6μA。


那什麽是「Reversible isoSPI」?蔡胜伟解释,它的功能就是能提供另一个通讯埠来监控处理器的讯号,而且能从每一个埠接受讯号。相较於一般单向的电路设计,传输只能是固定走在每一条电路上,但「Reversible isoSPI」就可以多利用另一道电路来进行传输,增加系统的弹性与效率。


再者,若是在整个电路系统中有部分连线出现中断,「Reversible isoSPI」也可以从另一道绕过进行通讯,进一步增加系统的可靠度与安全性。


而因应这个设计,ADI也推出下一代的控制晶片,也就是采用「Dual」的架构,把两个Die包成一颗,因此只需要一颗IC,就能接收High-side与Low-side的接囗。另外,针对新一代的法规要求,新一代的晶片也提供从通讯埠唤醒CPU的功能。


这样的设计架构能带来哪些优势?蔡胜伟指出,透过这个透价可以简化设计,进而减少BOM-Cost,同时也提高资料的传输率。


Littlefuse:电动车的功率控制与电路保护方案

Littlefuse成立於1927年,已有九十多年的历史,更是世界首个发明快速运作(fast-acting)保险丝的公司。过去主要以保险丝的技术开发为主,但近期的几十年间则扩大至感测器等其他领域,目前已是全球产品最完整的电路保护方案业者。



图三 : 资深技术行销工程师游恭豪
图三 : 资深技术行销工程师游恭豪

资深技术行销工程师游恭豪表示,近二十年间,Littlefuse多次透过并购的方式,来扩大自身的产品线,包含感测器等。而最近的十年,则是专注在汽车的应用方面,是主要的成长领域。目前Littlefuse已经不是单一领域的业者,而是一家横跨电子、交通运输、以及工业控制的全方位业者。


旗下的五大产品轴包含:电路保护、功率半导体、切换器与控制晶片、感测器、以及交通运输解决方案。


随着全球持续成长的智慧车与电动车(EV)趋势,所需控制器与相关的电力IC也会越来越多。游恭豪指出,目前一辆汽车约会使用100个电子控制单元(ECU),其中有90%的ECU会从传统的汽油车中直接导入至电动车,只有很少部分专用於马达和变速箱的ECU会专门设计给电动车。


因此,未来包含电动车在内的绝大多数汽车,都会使用先进电子系统,包含汽车影音娱乐资讯系统、导航系统、多功能感测镜头、设计需求、以及车载资讯系统等。另外,则是自动驾驶系统。而相关零组件业者可切入的部分,除了在充电桩与电池系统之外,还有通讯埠、娱乐系统和自驾的领域。


油车与电动车都需要电路保护 留心突波、ESD与过流

所以无论是汽油车还是电动车,都是需要电路保护系统,并以12V的设计为主。而主要面临的挑战有突波(Surge)、各个端囗的ESD、以及12V或24V过流(Overcurrent)的问题。


在汽油车的12V突波保护部分,其电力主要是从发电机所产生,并提供给电池与其它的模组来使用。然而发电机本身并不是一个稳定的电力来源,会跟汽车引擎的转速有关连,电压也会忽高忽低,因此ISO 7637-2就定义了五种不同的波型,包含电阻性与电感性的电流脉冲有所描述。


而其中最常见的就是第五种脉冲负载倾卸(load dump),而它是模拟车上一个最大的负载,也就是当电池松脱时,对整个电网上所产生的瞬间电压升高,一般在12V的系统中会出现大概101V的高压突波,且时间长达400毫秒,因此各部件都要有防突波的设计。


游恭豪表示,因应此一情况,最好的方法就是叁照国际的法规,目前有两个规范,一个是ISO 7637-2和ISO 16750,其中前者是旧版,後者是新版,最大的差异是新版需要10个脉冲,同时也对系统的压力更高。


而对面此一挑战,就是用TVS二极体元件来处理,透过Clamp的动作,可把突波大幅缩减至约30V,相对的也大幅降低电路系统的风险,提高运行的可靠度。游恭豪强调,Littlefuse的TVS二极体元件全系列都通过AEC-Q101的车规认证,且具备各种封装尺寸,而防雷瓦数从400W到7000W,能满足各式车辆的使用需求。



图四 : Littlefuse五大产品轴包含:电路保护、功率半导体、切换器与控制晶片、感测器、以及交通运输解决方案。
图四 : Littlefuse五大产品轴包含:电路保护、功率半导体、切换器与控制晶片、感测器、以及交通运输解决方案。

至於ESD方面,它是无论汽车或者消费性电子系统都会碰到的议题,主要的因应法规就是IEC 61000-4-2,但汽车领域则另有ISO 10605的规范。这两个法规在设备上的规定是一样的,但在测试电压设定却是有很大的不同。在IEC 61000上,电压是可以自选的,常见的就是15KV或是8KV,但在汽车领域则是固定为25KV和15KV。


在I/O方面,汽车领域的两大通讯主轴就是LIN Bus与CAN Bus,是车用最基本的两大协议,也是Littlefuse主要的产品线系列。游恭豪表示,因为尺寸的需求,车用的客户多会选择AQ24这个系列,而其24代表的也是24V的意思,目的是对应12V的电路设计时,能有更高的保护性能。


针对天线埠的部分,Littlefuse除了具备半导体材料的元件外,也提供了聚合物制程的ESD保护器解决方案,能够带来更隹抗高频干扰的性能。


ADAS与自驾车带来通讯埠与感测器电路保护需求

另外值得注意的是,车用乙太网路(Ethernet)的部分,目前它是汽车领域重要的通讯协定,像是ADAS应用,多会使用到这个通讯埠,特别是自驾车系统,会连接很多的感测器,更对此有很高的使用需求,所仰赖的就是其高频宽、2低延迟的特点。而Littlefuse在此领域也提供了一系列符合车规的ESD保护方案,满足用户的需要。


在过流(Overcurrent)的部分,则是Littlefuse的传统强项,它能避免汽车的电子元件因为泡水或者老化的因素,所造成的短路和过流的风险,而客户可以依据自身的产品策略,选择一次性的保险丝或者可恢复的保险丝。


以汽车常见的15W(3A/5V)的USB-C??孔为例,若使用者没有拔除连接线,让线头误触了点菸器的??孔,就有可能引发短路的风险,此时就可依照客户的产品策略,选择一次性或可恢复式的保险丝来因应。


另外,随着ADAS和自驾车的趋势,越来越多的感测器被用在汽车之内,而这些感测器也需要被保护,因为感测器通常连接到ECU,若没有对这些元件进行保护,也会增加ECU故障的风险。


是德科技与工研院 剖析C-V2X验证与全球EV趋势

是德:洞察C-V2X车联网部属与设计验证挑战

V2X就是「Vehicle-to-Everything」,是让汽车与所有物件连结的技术,它是让汽车可以连上网路,进行数据的传输。也是让汽车与汽车之间、汽车与道路基础建设之间、汽车与行人的智慧装置间沟通的关键。


是德科技技术专案经理吴建桦表示,目前汽车的感测多使用单颗镜头、光达和雷达等较偏「直线式」的感测,容易有死角。而V2X则为非直线式,可以拥有360度全视角的感测,同时可以透过资料的分享,来达成前方路况的预判,更加安全。


图五 : 是德科技技术专案经理吴建桦
图五 : 是德科技技术专案经理吴建桦

而C-V2X以手机相同的4G LTE和5G连结方式,可分为两个形式。一种为以网连结模式,也就是V2N,或者称为Managed Mode和Mode 3,采Uu介面,好处是范围较广、不易受干扰。


第二种V2V、V2P和V2I的连接,而目前使用的波段为ITS bands,也就是5.9 GHz。通常称为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统一管理的,使用的介面为PC5,连结的范围较窄。


C-V2X在设计和验证上所会遭遇的挑战,吴建桦表示,首先是安全性上的要求特别高;第二,则是各国与区域间的测试标准的差异;第三是互操作(interoperability)性的问题;第四是干扰的问题;第五为GPS的精确是;第六是网路安全性的议题。


工研院:全球电动车市场趋势与关键技术

针对「全球电动车市场趋势与关键技术」,工研院产科国际所??组长石育贤表示,各国正在全力发展电动车市场,并将带动相关的供应链迈入快速成长期。


图六 : 工研院产科国际所??组长石育贤
图六 : 工研院产科国际所??组长石育贤

她指出,自2021年起,ADAS、线上更新、触控面板和人工智慧,将会逐渐成为每辆出厂新车的标配;同时电动化与智慧化车辆科技也会加速发展。而随着疫情趋缓,车市也将复苏,预计今年的年销售总数将达到8350万台,其中??电的混合动力车与纯电动车,预计将占340万台,年成长率为40%。


受惠於车辆电动化与智慧化的成长趋势,汽车相关的半导体供应链也将水仗船高,而台湾的晶圆代工将会是最主要的受益者。


石育贤表示,2021年车用半导体市场预估将达499亿美元。其中包含车用处理器、微控制器、感测器、功率元件、电源管理与控制IC、以及影音娱乐IC。


至於车用半导体与感测器的趋势市场,仍会以欧、中、美为主,类别则以动力系统、车身电子与底盘电子、安全等四大类为主。另外,车联网的服务也将会逐渐成形,预计至2025年,汽车连网服务的市场规模将达到234.8亿美元。


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