什麼是汽車電子？

汽車電子是一種車輛系統，可處理和調整電子訊號及電源，以監控、控制和執行汽車的各項功能。現代汽車使用複雜的互連電子系統網路，來改善安全、效率、效能、舒適性和使用者體驗。現今的乘用車可能有多達 100 個電子模組，而電動或油電混合車則可能有超過 200 個。隨著電動車 (EV) 技術的進步、自動駕駛和連線能力的進步，汽車中的電子裝置只會日益增加。這將為設計和打造這些車輛的工程師帶來新的挑戰。

在車輛中使用電力可追溯到非常早期，最初是電動前照燈，接著是電動馬達用於啟動車輛或移動擋風玻璃雨刷。電晶體和二極體等分離式半導體的開發，使得汽車製造商能增加交流發電機和簡單的電子燃油噴射系統，以達到更高的效率。

接著當產業採用積體電路時，在 1980 年代加入了多晶片電子控制單元 (ECU)，以改善引擎控制、防鎖死煞車系統 (ABS) 和電子穩定控制 (ESC) 模組。到了 21 世紀，汽車製造商大幅提升車用電子的應用，將汽車轉化為有輪子的電腦，朝向軟體定義車輛的發展。

五大產業趨勢促使汽車電子系統在車輛中日益重要：

1. 安全：政府、消費者和汽車產業本身都在持續突破安全期望的極限。感測器結合智慧型系統運作，可比人類駕駛更快且更有效地辨識和處理安全危害。製造商需要納入這些功能，以符合不斷提升的標準並滿足消費者需求。
2. 效率：隨著時間過去，提高效率的需求也不斷增加，包括更嚴格的排放要求。製造商和供應商已在動力系統的每個部分新增即時電子監控與控制系統，以提高燃油效率和減少污染物，同時維持效能。
3. 使用者體驗：電子產品改變了生活的各個層面，因此駕駛和乘客都期望獲得與消費性電子產品相同的連線能力、易用性和功能。
4. 電氣化：從內燃機 (ICE) 發動的車輛轉向混合動力和純電動車，可能會使汽車中的電子模組數量翻倍。同時，電動動力系統的高電壓特性也會讓使用電動推進力的車輛增加複雜性和功能安全顧慮。
5. 自動駕駛：從半自動駕駛到全自動駕駛車輛的快速發展，也使汽車領域更加依賴電子產品。自適應巡航控制等常見的自動駕駛功能，結合感測器、運算系統和引擎控制後，將駕駛工作自動化。隨著製造商導入更多自動化功能，車輛電子也會隨之增加。

車輛中的不同電子系統由數個電子元件及其之間的連接組成。每個元件在設計、操作和維護方面都有其獨特需求。

以下列出最常見的汽車電子元件類型：

• 感測器：感測器會測量物理數值並回報給其他系統。它們可以測量車輛內外的數值，包括壓力、速度、位置、溫度、流量和距離。更精密的感測器，例如雷達、超音波裝置、攝影機，以及光偵測與測距 (光學雷達)，也能提供目標的距離、形狀、方位角和仰角位置。所有這些感測器的輸入都可以饋送到人工智慧 (AI) 系統，系統接著運用感測器融合，讓車輛更能清楚感知環境情況。
• 致動器：隨著時間過去，汽車製造商使用致動器取代許多機械聯動裝置，例如電磁閥和馬達等裝置，將電子訊號轉變為可移動機械物體的力。這可以用於簡單的操作，例如開啟和關閉空調系統中的通風孔，但也可以用來進行變速箱中的換檔變速等複雜操作。
• ECU：ECU 會收集和處理感測器資料及操作員輸入，以控制車輛中的不同功能。與電腦一樣，ECU 使用軟體和韌體來操作車輛。
• 電力電子：電力電子是指帶有高電壓的控制模組、電源供應器、電源轉換器和線束。它為需求較高的系統 (例如起動器、電動加熱器或電動馬達) 提供電力，並管理電池的充電狀態。
• 通訊網路：所有這些模組及其子系統都使用 CAN Bus、LIN、FlexRay 和乙太網路等通訊協定，透過有線網路通訊。此外，通訊網路提供無線車聯網 (V2X) 連線能力，可連線至智慧型手機、網際網路、GPS、基礎架構或其他車輛。這種元件群組有時稱為車載資通訊。
• 使用者介面元件：駕駛和乘客透過使用者介面元件與車輛互動，包括按鈕、資訊娛樂系統、抬頭顯示器、儀表板元件和顯示螢幕。

產業有一種方式追蹤車輛內不斷增加的電子系統數量，即是根據其功能將其分為不同的分類。

以下列出標準分類清單和各類別中最常見的元件：

動力系統由車輛中為車輪提供扭矩的系統組成。從油箱和排氣管到 EV 的電池和馬達，動力系統使用的能源最多，所以此分類中的大多數電子產品都著重於燃油效率、車輛效能或減排量。

ICE 動力系統中一些較常見的電子模組為：

• 電子燃油控制
• 排放控制
• 引擎控制單元
• 引擎管理
• 引擎感應器
• 變速箱控制

除了這其中的許多元件外，混合動力和電動車也使用電力電子模組，包括：

• 電池管理系統
• 電池溫度控制
• 驅動馬達
• 充電電子產品
• 逆變器和電壓調節器

安全系統

設計團隊可以利用 ECU 中增加的感應器和邊緣運算能力，來改善車輛安全並提升模組複雜性。

一些較常見的安全系統包括：

• 安全氣囊
• 防鎖死煞車系統
• 防滑控制系統 (ASR)
• 倒車攝影機
• 盲點感應器
• 碰撞偵測與迴避
• 緊急煞車
• 斜坡起步輔助 (HSA)
• 車道偏離警告
• 胎壓監控
• 牽引力控制系統 (TCS)

資訊娛樂系統

為乘客提供資訊或娛樂的電子裝置分類為資訊娛樂系統。其中包括：

• 寬頻連線
• 娛樂系統
• 儀表板
• 導航系統
• 智慧型手機連線
• 喇叭和麥克風
• 使用者介面裝置
• 車輛診斷
• 車輛功能設定

底盤電子產品

不屬於前述類別的汽車電子系統皆稱為底盤電子產品。然而，愈來愈多的自動化和整合，模糊了安全與底盤電子產品之間的界線。

底盤電子模組包括：

• 自適應頭燈
• 先進駕駛輔助系統 (ADAS)
• 車艙照明
• 空調控制
• 電子動力煞車
• 電子動力轉向
• 免鑰匙進入
• 照明系統
• 懸吊控制

工程師可以在整個設計流程中使用模擬工具，來應對汽車電子日益增加的複雜性和挑戰。團隊無法等到原型完成再測試他們的想法，以及驗證電子系統是否足夠穩健以承受熱、結構和電磁負載。

原始設備製造商 (OEM) 及其供應商會將模擬套用至車輛電力系統中的每個元件、模組和組件。此虛擬原型可提高效能、降低保固索賠、驗證是否安全、降低成本，以及讓新設計更快上市。

大多數模擬工作可能會發生在以下四個領域之一：

1.功能性

模擬的初始應用領域是協助工程師設計汽車，以測試其元件的功能。在元件、子系統和系統層級進行設計時，可以用虛擬方式設計和測試每個模組的回應。工程師會使用工具 (例如 Ansys Maxwell 進階電磁場求解器) 設計馬達和致動器等機電裝置，或是電力電子系統 (包括變壓器和電壓調節器)。光學系統設計人員可透過光學模擬平台 (如 Ansys Zemax OpticStudio 光學系統設計和分析軟體)，滿足光型感測器的鏡頭需求。或者，內部設計人員可以使用 Ansys Speos CAD 整合式光學與照明模擬軟體等產品，探索車艙照明的外觀與感受。

2.最佳化

一旦滿足汽車應用領域電子裝置的功能需求，工程師就需要最佳化設計。這正是他們提高效率、減少排放並最大化效能的階段。

他們可能會利用具備 Ansys SCADE Suite 模型式開發環境 (適用於關鍵嵌入式軟體) 等功能的工具，修改 ECU 的韌體。或者，他們可能會使用 Ansys HFSS 高頻電磁模擬軟體來設計和最佳化 GPS 應用的天線。此天線隨即可和數位任務模擬平台 (例如 Ansys Systems Tool Kit (STK) 數位任務工程軟體) 搭配使用，以確保資訊娛樂系統中的 GPS 天線在各種駕駛情況下，都能盡量接收到最強的訊號。

然後，在每個模組最佳化後，工程師可以部署全方位的最佳化平台，例如 Ansys OptiSLang 流程整合與設計最佳化軟體，以便快速且有效率地達成目標。

3.可靠度

汽車設計最重要的層面之一是可靠度。車主期望車輛在行駛長距離後仍能正常運作。但汽車中的熱、振動、衝擊和電磁噪音，使得實現這些積極穩健性目標相當不易，因此，工程團隊使用結構、熱學和電磁模擬工具，對汽車電子系統進行嚴格的虛擬測試。

他們可能會部署 Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體，來評估熱學、結構和振動，以確保所有元件 (以及物理和電氣連接) 都符合車輛的壽命要求，並在時間過去後仍能正常運作。對於 ECU 中的印刷電路板 (PCB) 和積體電路封裝，他們可能會依賴著重於電子產品的模擬工具，例如 Ansys Icepak 電子冷卻模擬軟體和 Ansys Sherlock 電子可靠度預測軟體。

4.干擾

電磁干擾和電磁相容性 (EMI/EMC) 對汽車電子產品帶來日益嚴峻的挑戰，特別是當汽車具有高電壓系統時，例如電動車更是如此。高頻元件和模組之間傳送高速數位訊號的數量、電池系統的電壓，以及天線的使用量，都在持續增加。工程師使用如 Ansys SIwave PCB 和封裝電磁模擬軟體等工具，來解決 ECU 所使用 PCB 的訊號和電源完整性問題，或使用 Ansys EMC Plus 電磁建模和模擬軟體，研究高頻波在纜線及電線之間如何相互作用。您甚至可以將其用於建模，瞭解雷擊可能如何影響汽車中的電子系統。

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