收稿日期：2009-08-02作者简介：高成（1937-），男，陕西人，教授级高工，主要从事汽车电子发展方向的评估和规划．未来20年汽车电子技术发展趋势高 成1，邱 浩2（1. 深圳市航盛电子股份有限公司，广东 深圳； 2. 深圳职业技术学院 汽车与交通学院，广东 深圳 518055）摘 要：安全性、节能、减排和舒适娱乐性是汽车电子未来发展的主要方向，全球各大汽车电子研发团队争相加大对这4个方面的研发力度．本文介绍了全球最具影响力的来自欧洲、美洲和亚洲的6个专业汽车电子研发公司的最新研究进展，主要集中在汽车安全、动力性、环保、车载通讯、信息娱乐、半导体技术和微控制器的开发上．分析结果表明，未来20年内汽车电子工业发展的重点将转移到第三世界国家，汽车性能的提高更多地依赖于电子技术的提升，电动汽车将不可阻挡地占据重要地位．关键词：汽车电子；安全；环保；半导体中图分类号：TK9；TN3 文献标识码：A 文章编号：1672-0318（2010）01-0033-07在过去10年里，汽车工业发生了2个显著变化，一是增长的基点正在从经欧美市场向以亚洲国家为主的发展中地区市场转移[1]．数据显示，2007-2012年亚洲和欧洲将会主导全球汽车产量的89%；二是在市场成熟的欧美国家，汽车的性能的提高更多地依赖于电子技术．有研究表明，1989年至2010年，电子设备在整车制造成本所占比例，由16%增至40%以上．目前每部新车的IC 成本约在310美元左右，估计到2015年将增长到400美元左右．无论是市场重心向发展中国家转移，还是技术重心向电子技术倾斜，都将势必影响到汽车电子发展的方向[2]．而且，其技术本身也将面临着来自性能、安全以及环保法规多方面的苛刻要求．今后10年，电子技术在汽车工业中扮演着多大的作用，它又应该如何承担起汽车电子化的重任？本文就全球一些专业的汽车主体厂商和零配件厂商进行专业分析，展望未来20年汽车电子方向的发展趋势．1 德尔福：绿色、安全和通讯是汽车电子的未来德尔福通过对推动全世界新技术、产品和市场发展的全球趋势全面的调查和研究，发现汽车电子行业的未来就是绿色性环保性、安全性和连通通讯．（1）环保型．全球汽车行业最主要的发展趋势就是倾向于发展高效燃料、低碳排放量的发动机[3]．目前有许多选择方案，其一就是先进的柴油发动机和电子控制系统，在公路驾驶时，其燃料经济性比汽油发动机提高30%~40%；其二就是电动动力系统或混合动力汽车（HEV ）．混合动力汽车技术应用有许多结构，但都涉及一个小型电池组、一个电子控制器及一个可以使汽车发动机在停车时自动关闭并在发动机自动重起前对汽车进行再次电动加速的电动机．混合动力汽车系统可以提高汽车的燃油经济性达30%~40%，并降低碳排放达60%．纯电动汽车的研发工作仍在继续，而且范围已拓展至电动汽车或插入式混合动力汽车．这些汽车采用更大的电池组，可以在纯电动驱动的情况下，行驶更长的距离．最后，供应商和汽车制造商正在开发气缸压力传感和均质充量压燃燃烧（HCCI ）等系统，以在经济性和汽油发动机排放方面取得更大的进展．所有这些动力系统的创新技术都将在未来的5~15年里为全世界的汽车增加大量电子内容．（2）安全性．汽车电子发展的第二大趋势是安2010年第1期 Journal of Shenzhen Polytechnic No.1, 2010深圳职业技术学院学报34 深圳职业技术学院学报 第9卷① T.Fukui. A New Type Electronically Controlled Fuel Injection System, Mitsubishi CorP., SAE 811418. 全性①．市场对于能够保证驾驶更加安全的技术和产品有着庞大的需求．目前已经在被动安全技术取得了重大的进展——即在汽车发生碰撞时为驾驶者和乘客提供保护的技术和产品，如碰撞传感器、气囊、安全带、随动转向结构、以及金属板冲撞区等产品和技术已经在汽车碰撞事故中挽救了许多人的生命，并减少了人员伤害．但是，最新的发展方向是主动安全性，通过采用雷达、光学和超声波传感器等技术，测量汽车与周围物体的距离和接近物体时的速度．该数据可用于提醒驾驶者控制汽车的驾驶速度，避免可能发生的碰撞事件．该信息还可用于控制制动器或转向系统，以自动避免碰撞．该碰撞避免系统可以降低全球事故率以及汽车事故的昂贵成本．（3）连通通讯．汽车电子发展的第三大趋势是汽车的通讯连通性．如今，全世界的消费者都可以在家中和办公室享受数字电子技术和无线基础设施所带来的方便，比如手机、硬盘驱动器上的数字压缩音乐和视频、数字电视播放、Wi -Fi 、音频和电视卫星广播（XM/Sirius ，DirecTV ）以及GPS 等．现在，消费者开始希望在其汽车和卡车里享有同样的技术和通讯便利，以使驾驶过程更加高效、方便、充满情趣．GPS 导航、车载信息服务（嵌入式手机和其它双向无线链接所带来的自动电信）、卫星广播以及后座电视等产品和技术就是顺应这一趋势的最好例证．世界各国都在开发前面提到的环保性、安全性和连通通讯的汽车电子产品．然而，在产品推出的时间安排和所采用的技术标准方面还是有所不同．日本在许多汽车电子创新产品如导航和混合动力汽车方面都引领世界．欧洲在导航系统方面紧随其后，但是在手机技术和手机车载信息服务方面却处于领先地位．北美在开发导航市场方面紧随日本和欧洲，但却是首先采用车载信息服务和开发卫星广播和视频系统的地区．而且，虽然日本最早开发出混合动力汽车产品，但如今北美市场正成为混合动力汽车发展最快的市场．世界各地的许多技术标准也在不断的发展．最典型的例子就是GSM 和CDMA 等手机标 准．欧洲已广泛采用GSM 及其衍生技术，而北美则允许使用GSM 和CDMA 作为手机服务提供商之间竞争的基础．亚洲各国已经选择GSM 或CDMA 作为手机标准，有些地区选择了两个标准．目前，欧洲数字地面电视依据的标准为DVB -T ；而美国HDTV 所依据的标准为并非移动友好的ATSC ．Wi -Fi 已经成为全球的标准，也是本地网络内汽车连通的理想选择，比如将车库里的汽车与家庭多媒体系统或零售网点、便利店或加油站周围的本地网络相连接．WiMax 是一种范围更广的城域网，已开始在一些国家用作更新的标准．中国的发展状况也令人振奋，已经建立并采用了中国本地版的WiMax 和数字地面视频系统．最初，各地的防撞雷达的标准毫米波频率各不相同，但是今天大多数国家都为实现主动安全性而选用W 频段76~77 GHz 频率．多年来，德尔福曾制造和销售了很多配有CD 播放功能的AM/FM 模拟收音机，它在过去的几十年里一直是汽车的娱乐和信息中心．最近几年来，数字电子技术和无线基础设施革命开始改变德尔福所引领的传统模式．首先，随着车载信息服务系统的推出，嵌入式手机模块使双向基于位置的数据和免提语音通信成为可能．最初，车载信息服务单元是一个独立的箱子，如今，车载信息服务单元已经成为仪表板中央的“收音机”的一部分．导航部分原来也是一个独立的单元，如今导航功能只是数字信息娱乐收音机的其中一个特性．同样，最初XM/Sirius 卫星广播就是一个遥控接收器，但是如今它也成为了收音机的一部分．未来，“收音机”将发展成为精密复杂、高度集成的信息娱乐服务器，或“连通汽车”计算和通信的平台．未来收音机的核心就是极其快速的32位微处理器，其闪存和硬盘驱动器具有强大的存储功能．人机界面将包括大型高亮度平板触摸式显示屏，以及语言识别和方向盘控制系统．收音机的“前端”将集成多个单向和双向无线接收子系统，包括AM/FM 、手机、GPS 、卫星音频和视频、Wi -Fi 、WiMax 、数字地面电视以及全球其它新兴的无线连接．连通平台还将可以使消费者在汽车内使用各种第1期高成，等：未来20年汽车电子技术发展趋势35便携式或“游牧”消费电子设备（智能手机、iPODs 等）并通过蓝牙、Wi-Fi或直接USB连接无缝连接到信息娱乐服务器．此外，GPS导航系统将成为这款收音机的其中一个功能，导航数据可通过无线链接下载，或存储在闪存卡从而在汽车上使用．实时交通和出行者信息数据将通过无线链接的方式获取，并可以经常进行更新，以实现动态导航．最后，驾驶者和乘客将拥有多种娱乐选择，从实时音频和视频播放到通过Wi-Fi和WiMax 非实时下载电影等大型娱乐文件．我们预计未来5~10年，汽车电子行业发展最快的领域将集中在先进安全电子产品、信息娱乐系统以及混合动力汽车的动力电子产品以及其它先进的改善燃油经济性和降低碳排放的发动机控制系统．全球主要市场研究公司Strategy Analytics的数据显示，混合动力汽车系统的销售额将以每年20%的速度递增，取决于各个地区的燃料价格和政府调控情况．他们还预计安全电子产品将以每年11.7%的速度增长，而信息娱乐系统将每年11.4%的速度增长．中国、印度及东南亚是增长最快的地区，其次是南美、欧洲和北美．2 凌力尔特：汽车安全和信息娱乐产品最具增长潜力对汽车制造商的最大威胁是可靠性和行车安全问题．产品收回不仅成本高昂，而且有失去用户信心和忠诚度的风险．有时必须重新设计以增强竞争优势，如增加行车安全保障功能，但是重新设计仍然是有风险的．美国有一个叫 JD Power 的机构，专门评价质量以及对消费者购买决策产生影响的因素．JD Power最近指出，就汽车重新设计而言，平均每100辆汽车增加10个问题．产品的最初质量对形成竞争优势极为重要．行车安全和可靠性评级高是竞争优势评级高的关键因素，为消除问题而进行重新设计会产生负面影响．电子产品制造商都在争先恐后地提供功能丰富、能够改进最终设计性能和可靠性的产品．应该突出强调的是，对汽车制造商来说，与收回产品的成本相比，汽车内部电子产品的成本可以忽略，收回成本是制造商建议零售价中必须考虑的因素．“总体拥有成本”必须考虑，而不是简单地选择满足最低需求的、最便宜的集成电路．如果电子组件的坚固性和可靠性确定无疑，那么这对汽车制造商来说可增加多少利润．系统架构恰当、仔细选择供应商、集成电路专门为汽车应用而设计，这是明天的汽车保证可靠性的关键．过去5年中，电子产品在汽车中变得更普遍了．新的挑战是确保呈指数增长的电子控制系统可靠．无论是发动机从汽车中脱落还是电动开窗不能正常工作，用户都会打保修电话，并对制造商的声誉造成负面影响．应该非常仔细地选择集成电路供应商，以确保组件级可靠性．应该检查潜在供应商以前的现场故障率，应该尽力了解该公司的“质量文化”．电路设计师、测试工程师和工厂操作员为确保集成电路具有一致的质量和可靠性都做了什么？凌力尔特认为最有可能为汽车制造商带来增长的途径主要有两条．第一条是专注于提高行车安全．在过去5至10年，汽车本身变得更加安全了，防锁刹车系统（ABS）、复杂的气囊系统和稳定性控制现在大部分都成了标配功能．下一阶段将继续沿着保障驾驶员行车安全这一趋势发展，并集中精力保障汽车的最薄弱环节—驾驶员的行车安全．修正由人造成的错误需要极其尖端和复杂的电子产品，需要高可用性和可靠的保护措施．不过，提供行车安全保障功能的成本非常高，而且利润率提高有限，因为消费者不想为这类功能支付多得不成比例的费用．现在，防撞雷达只是刚刚开始出现在高档豪华型汽车中，而且这种状态有可能会持续一段时间．能够监视汽车在行车道中位置的一些新系统目前正在测试中．这类系统监视反应时间、转向调节和速度改变，并在伤害发生之前向驾驶员发出警报．目前，汽车零配件市场提供一些监视驾驶员机敏度的产品，试图通过眼皮动作和扫描视域检测驾驶员的疲劳程度．这些新产品要得到广泛采用，其可靠性需得到验证，也需要通过仔细选择组件和电子设计来降低其实现成本．第二个增长领域是座舱电子产品和信息娱乐系统．在基于位置的订购服务市场的推动下，这些产品已经变得越来越复杂了．这个领域的增长取决于36 深圳职业技术学院学报 第9卷① Takahide Kawamura, Toyota’s New Single Chip Microcomputer Based Engine and Transmission Control System, Toyota Motor Corp., SAE 850289.GPS 设备和复杂的仪表板设备的采用，这些设备为消费者带来了新颖和有用的服务（因此也为服务提供商带来了收入）．例如，用触摸屏向汽车将经过的路边餐厅预定餐位，或者根据本地交通情况确定行车路线．要想让消费者为这些功能付出额外费用，这些功能就必须在功能性和可靠性方面超出用户预期．我们可以预期，这类给第三方行业带来收入的系统将从豪华型汽车加速普及到大众型汽车中．凌力尔特公司专注于为汽车应用提供广泛的产品选择，产品在-40~125℃的温度范围内可靠工作．这些产品包括用于防撞雷达（CAR ）的高速、高性能模数转换器（ADC ）、监视系统电压的微功率精确电源监视器、DC/DC 转换器、用于防撞雷达的纤巧 2 mm×2 mm 微调DAC （数摸转换器）和各种系统调节产品，以及我们最新的汽车过压和过流瞬态保护集成电路，这些集成电路保护昂贵的、对行车安全至关重要的电子产品免受损坏．现在汽车系统中有很多应用需要连续供电，甚至在汽车熄火后也一样，如遥控车门开启、车辆安全和 GPS 系统．对这些系统的一个关键要求是低工作电流，以延长电池工作时间．随着这些始终保持接通系统的发展，电子产品在负载较轻时也必须降低电流消耗．凌力尔特公司的集成电路设计师已经仔细考虑了这些问题，以为汽车提供在正常工作、备用和停机时具有低静态电流的产品．例如，LT4356-1浪涌抑制器在出现瞬态故障时仅消耗 1mA 电流，在停机模式仅消耗5mA 电流．凌力尔特公司按照良好定义的汽车质量程序控制质量，实现了高可靠性．3 Actel ：FPGA 用于动力传动系统和安全系统当今，汽车电子产品领域在数个方面呈现出持续增长的势头．一方面，驾驶者对安全和便利性日益关注，使汽车电子产品的含量稳步上升，导致车上的半导体器件数目也在增加．另一方面，新车型不断问世，车型的平均寿命逐渐缩短，这种更新换代并非源于车辆的性能，而是因为消费者的偏好．其他影响该市场增长的因素包括：1）技术：随着半导体技术进步，汽车部件成本降低；2）市场竞争：汽车厂家越来越多地引入电子产品作为其竞争优势；3）性能：引入电子产品以降低油耗和提高引擎性能；4）强制性法规：法规要求点火和引擎控制系统中采用的电子器件必须有助于减少排放；5）安全性：电子产品的特色应用譬如安全气囊、ABS 系统以及应急呼叫系统目前已成为市场营销工具．由于驾驶者越来越关心汽车的安全性和舒适性问题，使到汽车电子产品的份额稳步上升，每辆汽车中的半导体器件数量也随之增加．新型消费电子产品（如GPS 导航设备和车载DVD 播放器等）现在几乎是最常见的配备．诸如电动车窗和电动座椅，以及引擎控制和悬挂调整单元之类的其它电子设备也相当普遍．汽车电子市场预计会不断增长，尤其是GPS 系统、安全气囊和引擎控制模块的增长最快．根据市场研究公司Gartner Dataquest 估计，到2011年汽车电子市场的规模将达到98.54亿美元．Actel 目前正在将符合AEC Q100 Grade 1规范的基于 Flash 的闪存FPGA 用于车载信息通信系统和信息娱乐系统以外的系统关键设备，如动力传动系统和安全系统①．Actel 的FPGA 功耗很低，能承受最严苛的工作温度，而且可适应空间狭小的应用环境（如在散热受限环境下安装的车载摄像机和引擎控制模块）．引擎盖下的电子设备（如引擎和变速控制模块）需要非常稳固可靠的半导体器件，能够经受极高的温度和汽车的震动，同时功耗要低，以确保运行可靠、坚固耐用．AEC Q100 Grade 1规范是目前FPGA 能满足最严格的规范，证明Actel 的低功耗器件可以在延伸的结温范围工作（-40~+135℃），并在汽车寿命期内提供高可靠性和性能．此外，由于Actel第1期高成，等：未来20年汽车电子技术发展趋势37FPGA的功耗极低，较竞争对手的汽车FPGA产品低两个量级，这使它能承受更长时间的高温而不必担心可靠性和失效问题．Actel基于Flash的FPGA独特地采用了片上Flash内存来实现开关控制，使到该系列产品具有固件错误免疫能力；这是向着零瑕疵发展产业的强制性要求．相反地，基于SRAM的FPGA配置数据容易由于中子诱引而产生错误；这种错误会以不可预测的方式改变逻辑、布线或I/O的行为，从而导致系统故障，而系统故障可以损害品牌形象，最严重的使得生命安全受威胁．无论对车舱内设备还是引擎盖下的动力系统，不同的国家，甚至同一国家内的不同州市，都有不同的排放标准、安全标准和税制法规．例如，英国的税法一般都有利于较小排量的汽车；美国加州的排放标准不同于其他州；而有些国家不会规定白天要开车灯．在大多数国家和美国各州，汽车中的免提电话都是法定的必备设备，但只有少数地区严格执行．不过，在严格执行这个法规的国家中，以蓝牙技术为基础的免提电话已经成为汽车“标配”的电子设备．台湾和中国将继续需要日益复杂的电子控制软件和汽车部件．当然，正如我们在全球市场所看到的，这个地区的车用数字化消费电子产品也会继续大幅增长．由于先天具有应对差异化和分块市场的灵活性，FPGA不需要差异化的产品策略．而且，由于FPGA的价格低及无需反复进行昂贵的产品资格认证，因此在各个国家和州市都比标准产品更具吸引力．对所有车用产品来说，质量、可靠性和成本是最重要的事情，汽车应用中使用的半导体器件也不例外．对于Actel的非易失性FPGA 具有独特的优势，能够直接满足汽车市场的需求和愿望，我们都深感振奋．4 Silicon Labs：混合信号微控制器符合目前汽车工业的发展汽车电子设计师面临的挑战之一是迅速开发新的电子元件，满足客户对舒适度、安全性和性能改进的需求．汽车电子产品市场上充满了竞争．这就要求设计师缩短整体设计和鉴定周期，在保证质量、可靠性和成本目标的前提下增强现有系统的功能性．为了应对这些挑战，汽车设计师们需要找到高度集成的解决方案，通过大规模集成混合信号集成电路来提高系统的功能强度．在用于购买8位微控制器的每3美元当中就有1美元用于汽车电子．当前这一市场总额达30多亿美元，并且以接近每年10%的速度增长．一些增长最快的领域直接关系到采用复杂的电子集成以提高汽车制造商的竞争力、消费者的舒适度和安全性．尤其值得注意的是，高品质的汽车仪表板使用经验受到广泛期待．应用电子产品如适应式前照明、多轴向座椅调节、智能温湿度控制系统、撞击避免和动态自动巡航控制系统都将是未来的重点增长领域．芯科实验室有限公司（Silicon Labs）致力于开发占用空间小、带有高速中央处理器和集成高性能模拟数字转换器的混合信号微控制器（MCU）．混合信号微控制器符合目前汽车工业的发展趋势，例如，汽车设计师只需采用一个混合信号微控制器，就能实现发动机整流和发动机电流监控．混合信号微控制器满足了市场对节能、小巧、更复杂的电子系统的需求，从而减少了对单机部件的要求．汽车市场主要分为两大部分：其一是产品性能提升，这些汽车大多在欧洲或美国设计；另一市场则由新兴经济体如中国等，对汽车需求的迅速增长来推动．尽管这一市场对汽车的成本效率要求更高，但仍然极度依赖电子系统来改进效率、每公里耗油量和可靠性．中国的消费者和全球其他消费者一样，都非常重视安全性和舒适度．能够满足这些需求的新车设计是实现全球市场增长的重点．5 FairChild：关注功率控制和功率管理影响汽车电子行业发展的因素包括节能降耗、环保、增强的安全性、更高的可靠性、舒适性和产品特性化、改进的可制造性，以及满足法规要求的特性等[5]．这些因素推动用着汽车半导体产品的增长速度超过整个行业的平均增长速度．我们预计汽车功率电子将会持续强劲增长，其主要推动力是对38 深圳职业技术学院学报第9卷燃料高效率利用的要求以及环境保护的需求．功率电子将在传统机械电气化和可替代能源的实用化等方面发挥重要的作用，满足市场需求．飞兆半导体专注于面向汽车应用提供功率控制和功率管理解决方案，包括点火、燃油喷射、螺线管和电机控制、电动助力转向，以及 HEV （混合动力电动汽车）．技术导向是从传统的机械控制转向电子控制，采用固态器件替代机电开关．此外，封装技术方面的进步使得飞兆半导体等供应商能够提供集成度更高和成本更具竞争优势的解决方案[5]．飞兆半导体一直与欧洲和美国的客户合作．随着中国汽车市场迅速增长，已在这个地区投入强大的力量，并将继续为这个新兴市场提供所需的产品和解决方案．在相对较短的时间内，中国市场的应用将日益趋于复杂，供应商将开始研发针对这个地区的专用解决方案．中国将成为一个设计中心．而飞兆半导体根据这个变化调整其产品和客户支持策略，成为这个地区的成功供应商．6 日本精工仪器：增加EEPROM的容量，应对MCU需求汽车电子的开发，有很多源自“对车的要求”，包括各种各样高性能化．高信赖性可以减低故障率、提高车辆寿命．环境应对可以降低燃料费、排除气体限制等环境污染对策的重要性．安全性还在由被动安全转为主动安全．快适性指增加对驾驶者的辅助、居住性等功能．实现各种需求的同时，也是进一步使车辆电子化的过程[6]．今后5~10年，汽车电子化的重要项目包括有安全性、舒适性和环境对应等．为实现所有对汽车的要求，除了要增加各种ECU，更要提高机能、性能和信赖性．有鉴于此，我们要提高半导体芯片的性能和机能．另外，ECU、基板和电子装置小型化的要求也会增加．而高可靠的EEPROM可以实现车用非易失性存储的需求：高可靠、高温工作、小型化，今后5-10年对汽车电子化会有一定的贡献．各种ECU的使用增加了用作故障诊断机能、异常记录的非易失性存储的重置密度．如果EEPROM、Flash Memory等重置密度高的话，容易引起故障．SII的EEPROM可靠性高、特别是重置性能十分优秀．即使重置的次数增加，也很难引起故障，对车的安全性有很高的贡献．将来我们会再增加EEPROM的存储容量，并且提高高温工作性能，扩大125℃产品的阵容，为高于125℃的需求开发新产品．中国的汽车市场正急速扩大，车辆电子化和欧美（日本）没有很大的分别．但汽车价格大多属于低端级别，以安全性和舒适性为要，但电子化并不是不必要．因此，应用在日本/欧美汽车市场的产品也可使用与中国市场，对SII汽车用EEPROM的需要应该有很多．从市场和成本的角度，对全球最具影响力的六个专业汽车电子研发公司的最新研究进展进行了介绍和分析．通过各大公司的研究方向不难发现，未来20年内汽车电子工业发展的方向集中在车载技术的安全性、节能、减排和舒适娱乐性四个方面．在节能性上，主要体现在混合动力汽车和纯电动汽车的研发上．在纯内燃机型的汽车研发上，我们和欧美、日本等国家差距较大．但是在混合动力汽车和纯电动汽车的研发上，我国和上述国家差距并不大．在未来20年内，中国的电动汽车技术将不逊于欧美和日本等国家．参考文献：[1] 汪卫东．国外汽车电子技术的发展与国内汽车电子产品市场现状及预测[J]．内燃机，2007，4：1-4． [2] 乔维德．电子技术在汽车中的应用与发展[J]．江苏电器，2005（4）：5-7．[3] 凌丽琴．电子技术在汽车工业发展的应用[J]．湖南交通科技，2001（3）：75-80．[4] 魏春源．汽车安全性与舒适性系统[M]．北京理工大学出版社，2007．[5] Foroudi O, Houldsworth J. New Concepts in ProtectedPower Semiconductors For Automotive Applications[J].IEEE Power Electronics in Transportation, 2007：22-23．[6] Ronald W. Russell and Function for Automotive Environ-ment[J]. IEEE J SC, 2008，SC19：442-447．。