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车用安全电子技术发展方向与趋势

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BMW发展的Night Vision功能,可强化夜间路况识别能力,并主动发现路上的行人与障碍物。BMW
BMW发展的Night Vision功能,可强化夜间路况识别能力,并主动发现路上的行人与障碍物。BMW

汽车工业在环保与科技化浪潮下,已不再是以往仅以引擎工艺为核心的产业,而是必须透过各式电子技术与数码化科技打造兼具环保、安全、智能的运输工具,而车用环境与一般电子产品的应用环境不同,需面临更严苛的天候环境限制,因为车辆一上路即成为关乎人命安全的大事,车载的各式电子技术亦需面对容错范围更小、速度要求更高的应用条件…

发展车用电子,虽同样都是利用电子科技与技术,达到整合或是强化传统汽车设计操控机制,但实际上就不同的车用电子应用领域,在安全性、容错性与运行环境的差异,对于这类电装品的要求水准,也会有不同的差异。

TPMS无线胎压传感技术,可以透过轮胎内置传感器检测胎压、胎温现况,维护驾车安全,图为ORO TPMS套件。ORO

TPMS无线胎压传感技术,可以透过轮胎内置传感器检测胎压、胎温现况,维护驾车安全,图为ORO TPMS套件。ORO

车内安全气囊的启用时机,是利用MEMS加速度计进行一连串精密判断。STMicroelectronics

车内安全气囊的启用时机,是利用MEMS加速度计进行一连串精密判断。STMicroelectronics

车用MEMS加速度计,是汽车智能化设计的关键元件。(Freescale)

车用MEMS加速度计,是汽车智能化设计的关键元件。(Freescale)

例如,这几年在技术与成本呈现大幅进展的LED光源,应用在车用电子方面,就因装设区块不同,而有不一样的元件要求。另外,涉及车辆主/被动安全设计的电控技术,在元件的运行效能、容错要求、抗候能力,也会比一般因应车内娱乐的产品要求严苛许多。

车用安全进入全面传感器整合时代

行车安全一直是汽车产业最受关注的议题,以往的安全气囊、ABS(Antilock Brake System)、ASR(Acceleration Slip Regulation)、EBD(Electric Brake force Distribution)、ESP(Electronic Stability Program)等被动安全设计,慢慢朝向需全面整合各式传感器搭配运行的主动式安全设计机制,其开发前提还必须考量车体本身结构的特性,让车辆设计可以朝向「零伤亡」的行驶安全目标。

在1990年前后,车辆设计中的安全气囊多采取微机电(Micro Electro Mechanical Systems;MEMS)加速度计(Accelerometer),达到利用矽芯片技术的高精密度、快速反应特性,完成精确辨别车辆行驶或是遭遇撞击状态,借此达到精确控制安全气囊的启动时机,当时也成为支持MEMS元件技术的主要应用领域。

MEMS元件对于汽车智能化相关应用发展扮演关键角色,特别在电子车身稳定系统(Electronic Stability Control;ESC)及胎压监测系统(Tire-Pressure Monitoring System;TPMS)等,更有MEMS元件技术的发挥空间,尤其是美国为了提升道路安全,将于2012年强制规定生产汽车都需加装电子车身稳定系统,而欧盟也将于2014年强制规定车辆出厂均须搭载胎压侦测系统(TPMS)。

利用现代电子技术 提供主动积极的行车辅助

另外,目前汽车原厂随车提供的安全机制,如ABS、EBD、ESP、Air Bag等,多是被动型的安全保护机制,而TPMS为主动型安全保护机制,即针对左右行车安全的轮胎进行Realtime持续性的在线监控,在轮胎出现材质问题或危险徵万亿时能实时警告,令驾驶者可采取必要措施。

TPMS这类主动防护设计对行车安全的附加价值高,例如,行驶时发生轮胎胎压不足,车轮气压比正常值减少10%时,将致使轮胎的寿命减少15%。车辆若具备TPMS系统支持,车主即可随时监测每组轮胎动态瞬时胎压、胎温,当胎压出现异常,能马上通知车主处理、维修,减少车胎无预期爆胎、损毁问题,也可减低行车油耗。而部分车主为了省油,尝试采行较高胎压,但车辆在胎压过高状态下行驶,日积月累对引擎底盘及悬吊系统将造成较大负担,而轮胎胎压不均匀时,还会造成刹车跑偏、增加悬吊磨损机率。

MEMS的应用,可在各式主/被动安全设计中作为关键元件,例如,加速度计在车辆的制动力方面的传感与回馈,即可透过车体电脑运算感知制动力不足,随即利用电子技术补强车体制动能力,甚至可搭配前方保险杆的行人传感元件,整合车辆安全设计,发挥提醒驾驶人或是主动协助车辆减速的重要安全防护效果。

近来强调高科技的车款,也将原本军用的战斗科技导入车辆设计,例如,原本用以强化单兵夜间作战能力的电子夜视技术,目前也可以在科技车款中发现相关应用,让驾驶人在夜间不畏黑暗或是逆光状态,也能对路况有更多的掌握能力。

传感器采取系统封装 提升反应效能

但目前多数车用电子的传感应用,仍采取传感器与处理电路分离的设计模式为多,此会造成电子元件处于较为离散的状态,但这种设计方式并无法因应车辆相对较严苛的装设环境,采离散式元件的问题在于,车用电子可能会遭遇较多水气、较高温度、高震动的运行环境,离散元件可能会因震动、温度或是接点潮湿、氧化,影响到车辆行驶状态感知的信息品质,使传感模块电路出现故障或失效,造成车辆丧失应有的主/被动安全防护功能。

为增加传感器与控制电路的可靠性,新的设计趋势是将传感器与运算控制电路进一步整合,透过系统级封装,直接将sensor关键元件与系统控制电路进行元件形态的封装整合,让原有的传感回路与控制电路可以得到小型化的系统级封装构型,提供模块式的功能整合,轻松为不同车型建构智能安全的防护机制。

车用传感元件技术 将朝整合方向开发

为达到新一代汽车所要求的智能化、安全化的重点性能提升,车用传感器在制车工艺所占的地位将越来越关键,针对行车安全的相关应用,车载各式传感器与传感技术,主要的功能目标是协助汽车探知环境现况,发现主要目标或是排除非危险目标,透过精密、实时的运算以确定物体距离与相对方位,迅速识别目标属性,这其中包括了单纯的距离侦测到多维空间的重组与定位,尤其是相对复杂的动态定位与物体追踪技术。

针对动态定位、物体追踪等技术需求,常用的传感技术有超声波摄影、微波雷达等,但由于不同传感技术都有物理上的应用限制,且汽车需面对外部温差、湿度、天候等环境变化,皆会影响判别效能与精度,这时就必须将不同传感技术进行多模整合,例如同时整合超声波、雷射、微波雷达等传感模块,各自发挥不同技术的物理优势,在功能与效能上达到最佳化的互补。