簡化電氣連接複雜布線　區域架構造就新世代汽車

汽車世界即將掀起一場影響十分深遠的革命，不僅是利用電力推進技術來置換不同的動力裝置，汽車和其他車輛的生產模式也將發生根本性改變。這場變革的重要性，不亞於福特於1913年導入移動式流水線。

創新為汽車產業帶來巨幅進步。無論是為了提高安全性、提供更優異的性能還是提升乘客的舒適度，汽車製造商皆持續不斷為車輛研發新技術。其中，部分創新技術為汽車業界專門開發的成果，有些則借用賽車運動甚至航空業的技術。展望未來，從其他專業領域帶來的進展也將發揮重要作用。莫仕(Molex)近期和貿澤電子(Mouser)共同贊助的調查研究中，Dimensional Research對500多名汽車業界專業人士進行調查研究。其中，約有43%的受訪者表示，來自其他領域的技術躍進是汽車設計發生改變的關鍵推動力。因此，未來汽車將擁有一系列功能，變得更加複雜。

儘管汽車採用了眾多新技術，但近幾十年來，汽車的製造方式幾乎沒有顯著改變。現代汽車內的電子系統通常占了車輛價值的一半以上，並且新功能還在不斷增加；但用於連接電子元件的技術卻落後於軟體和硬體的發展。事實上，在Molex和貿澤共同贊助的調查研究中，超過57%的受訪專業人士認為製造方面的技術問題是實現下一代汽車架構最大的障礙之一，必須克服。

電氣連接需求增加 電纜線束須持續升級 

汽車製造方式的演變，使生產技術遭受挑戰。舉例來說，目前開發出來的新功能和系統會加入現有的汽車布線系統中，每項功能皆作為一個新模組加入，稱為電子控制單元(ECU)，各有自己的專用接線以連接至車輛其他部分。最新的車輛每台需要100~150個ECU，以及與其搭配的線束。然而，現在的車輛內部已經沒有足夠空間來容納這些系統，製造商在布線上也面臨飽和問題。

經過多年發展，汽車內需要安裝的複雜零件逐漸增多，導致電纜線束越來越複雜，問題如同雪球般越滾越大，而汽車的電纜線束也已經成為製造過程中最複雜的零件之一。

現代的汽車電纜線束負責在全車內傳輸電源、資料和控制訊號，但其複雜的形狀推高製造成本。儘管汽車是以高度自動化的方式生產製造，但不管在何種車輛中，電纜線束都屬於為數不多的手工組裝系統之一，這對製造商產生了幾個重要影響。

手工組裝零件的生產成本十分高昂，汽車線束的尺寸和複雜度導致其成本比大多數零件都高，在品質上也造成很大的影響。由機器人負責生產汽車的主要好處之一，就是品質控制，因為機器人能以近乎完美的精確度重複執行動作。然而，由於汽車線束本身的複雜性和柔韌性，可以彎曲、扭曲或以其他方式自由扭動，因此難以使用機器人進行組裝作業。

每輛車內都有數公里長的電線連接數百個連接器，汽車線束系統的手工組裝作業便成為整個汽車產業中發生故障和保修索賠的常見原因。這類的索賠無論在材料成本還是聲譽方面都將造成嚴重損害，製造商不應輕視。

現在，業界鼓勵採用更小且更高效的傳輸方式，但銅纜在車輛性能方面仍然發揮關鍵作用，而如此大量的銅纜十分笨重，將消耗汽車的續航里程及性能。隨著汽車產業不斷導入新技術，下一代汽車中將可看到對電氣連接的需求增加。由於製造商熱衷利用最新的5G無線通訊技術來提升安全性和使用者體驗，汽車將首度成為動態網路的一環，與其他用路人甚至交通控制基礎設施共享訊息，可望提高道路的安全性及效率。這項技術稱為車聯網(V2X)通訊，未來將能看到汽車配備比以往更多的感測器、控制器和運算性能。

在大肆宣揚朝向自主性或「自動駕駛」車輛的過程中，車聯網技術變得越來越重要。參與調查研究的專業人士中，81%的人相信4級自動駕駛將在未來10年內成為新車的標準配備功能，而先進駕駛輔助系統(ADAS)已開始為使用者提供完善的道路安全解決方案。與其他道路使用者進行互動的關鍵在於，系統能否以盡可能低的延遲來收集、分析和處理有關的周邊環境訊息。

這些創新發展和替代能源轉型同時發生。混合動力車現在相當普及，但已有許多製造商承諾最終將停產內燃機引擎汽車，氫燃料電池也被視為未來的永續解決方案。下一代的汽車電纜線束系統必須再次升級，以應對電力和高速通訊的需求。汽車製造商正以此為契機，試圖解決汽車在設計和製造上存在的基本問題。

汽車架構演化腳步不停

平面架構轉向域架構

汽車製造大廠有好幾十年的設計生產經驗，隨著新系統的加入，製造廠的汽車架構多年來不斷累積並發生演化(圖1)。從元件裝置到ECU再到車輛的連接，都是雜亂無章地添加，因此存在許多重複的布線和複雜的結構，最終形成平面(Flat)的布線架構。這是一個由大量電纜組成的高度複雜結構，使汽車裝配的效率低下，並且需要密集勞動力。

這種平面架構無法適應未來汽車產業所需的新系統，許多製造商因此轉向更具結構性的架構，稱為域導向型(Domain-oriented)設計。在這個架構中，汽車架構按照功能分組，以便對全車進行控制。無論是動力傳動系統、安全系統還是車載娛樂系統，每個功能域都有自己的控制器，並且各自經由閘道器與其他功能域進行通訊，以建置性能整合的全車系統。

然而，按照功能進行分組的域架構無法解決電纜過多所造成的問題。一個功能域仍由部署於全車中的各個裝置構成，因此各裝置需要自行連接至控制器。域架構雖然比傳統平面架構更能進行調適，但仍與未來的理想解決方案相差甚遠。儘管不夠完美，域架構依舊是以全新方法實現汽車電子化的敲門磚，不僅改變了汽車的運作方式，也改變了汽車製造、更新和維護的方式。

區域架構登場

區域架構(Zonal Architecture)是新的汽車電子技術名稱。與按照功能分組的域架構相比，區域架構是更高效的解決方案。此架構中，汽車功能按照位置分為幾個區域，每個區域負責安裝在區域內的裝置，而區域的對外連接必須透過該區域的區域控制器或閘道器進行。由於區域閘道器靠近它所控制的裝置，因此與各裝置連接所需的電纜相對較短。

每個區域閘道器都會連接到車輛核心的中央運算叢集，其中一個關鍵改變為區域閘道器和中央運算器之間的通訊方式類似電腦網路，不同於以往汽車內的電纜線束(圖2)。因此，區域間的通訊可以透過一條小型高速網路電纜進行，大幅縮減車輛中安裝的電纜數量和尺寸。

這個新方法善用運算能力和高速通訊的最新發展，兩者皆不可或缺，原因在於下一代汽車必須處理的資料量大增。最新ADAS和自駕系統的「眼睛」和「耳朵」由感測器陣列構成，產生前所未有的訊息量，且必須以高速進行資料處理。未來的車載網路速度將達到每秒10Gbps甚至更高。搭配區域架構的汽車，所需的運算性能將相當於數台最高效的桌上型工作站，可說是「車輪上的資料中心」。

設計人員在重新思考車內布線概念時，也注意到配電設計。無論是馬達、感測器或ECU，每個裝置都需要電源。傳統汽車電源以12V供電，但設計人員也正在研究最高採用48V的可能性。提高電壓能夠以較低電流向各裝置供給等量電源；由於更高的電流需要規格更粗的電纜，減少電流將使這種新架構中的電源線相應縮小。

區域架構從本質上降低了車內電纜線束的複雜性，包括電線的數量以及所需的布線距離。各裝置與區域閘道器的連接在區域內進行，以維持最短的電纜長度。資料和電源線也一樣，區域閘道器不僅能夠作為資料處理中心，還可以作為配電模組。

區域閘道器和中央運算叢集之間的通訊鏈接可以透過較小量的高速網路連接達成，可能由小量的雙絞線電纜構成。即使將安全攸關系統的備用需求一起納入考慮，車身內所需的銅纜用量依舊大為減少。這對汽車製造的影響極為顯著，不僅銅纜的體積將大幅縮減，縮減後的尺寸也將顯著簡化電纜線束的安裝。每個區域皆可以模組化方式進行安裝，不需要更動橫跨車身長度的線束。新布線系統的重量減少也將提高車子的效率，電動汽車在給定的動力下將具有更長的續航里程以及更優異的性能表現。

模組化功能也將帶領汽車邁入標準化新時代。以目前的技術，每一種車款都需要定製自己的專用線束，甚至同一型車款的不同選項也需要額外定製線束；區域架構則恰恰相反，該架構的硬體互相通用。中央運算叢集和區域閘道器之間的連接，在不同類型的車輛中也可以保持不變，並且可以利用模組化方式將各裝置添加到每個閘道器中，以實現不同的型款變化。

中央運算叢集為區域架構提供了靈活性，因為該架構的大部分性能為軟體定義車輛(SDV)的成果。經由軟體定義功能可對閘道器進行調整並更新，以適應新功能的需求，與僅執行單項功能的傳統ECU不同。從另一方面來看，區域架構能更有效整合這些功能，透過隨插即用的方式來交換或增加感測器和馬達等個別零件，如此一來，在經銷商網路內即可對汽車進行維修或升級，而不用移往複雜的車間。車輛與5G蜂巢式網路連接能夠從遠端進行軟體更新，一些製造商已經開始運用這項功能。

區域架構關鍵：連接器

在汽車設計中採用區域架構的理由十分充分，但在實施層面上確實面臨諸多挑戰。汽車環境本身對元件而言十分嚴苛，而區域系統中部署了複雜的電子裝置。在一般情況下，汽車各項設備可能會暴露在雨天或颳風等天氣狀況中，還會沾染道路上的污垢和灰塵。另一方面，消費者會要求車輛具備極高的可靠性，駕駛希望無論路程遠近，車輛所有功能都能完美無缺。

汽車在日常使用中所經歷的衝擊和震動，對性能、可靠性和電子裝置的長期性品質帶來挑戰，尤其是在高速資料連接方面。當資料速度高於1Gbps時，即使是由震動引起的瞬間連接中斷也可能導致大量訊息丟失。在安全攸關系統中，這種連接丟失情況可能會造成災禍，因此連接器的設計必須克服震動帶來的風險。無論如何，中央運算叢集架構都需要在連結速度比現在汽車高上好幾倍的情況下，具備抗震性能的一系列板對板連接解決方案。

連接器設計將會是實現區域架構的關鍵。汽車面臨的環境挑戰以及對高性能的期待，突顯出現階段的汽車連接器解決方案尚未準備好配合區域架構系統。各裝置和區域閘道器之間的連接，需要新一代的混合式或混搭型連接器，即使面臨惡劣的道路狀況，也能同時傳輸電力和高速訊號。隨著每個連接器包含更多功能，需要的連接點更少，線束的安裝也將大為簡化。

與傳統板對板解決方案相比，設計用於中央運算叢集的連接器需要具備更大的彈性，同時還要提供高針腳數和電力連接數量。設計人員還需要一個可更換模組的標準化設計，以簡化製造流程並實現輕鬆升級。

ADAS和自動駕駛將受到嚴格審查，以確保達到消費者和監管機構要求的安全水準。因此，連接器設計需要符合商業或消費性應用中不常見的認證等級。國家政策有可能是採用這種新技術的最大障礙之一。在Molex和貿澤的調查研究中，有將近三分之一受訪業界人士表示，在汽車能夠作為車輪上的資料中心迎向未來之前，一個必須克服的重大挑戰，就是掌握政府對自動駕駛施加的新法規。

各製造商採用這項新技術的方式也將有所不同。雖然歐洲、美國和日本的老牌製造商將能利用自身龐大的資源開發新的解決方案，但是他們現在已經擁有龐大的產品組合和成熟的製程，無法迅速切換到新技術。許多新創公司則不然，其雖然缺乏老牌製造商的業界實力，但在面對挑戰時，可以不受現有客戶或設計理念的束縛。

許多這樣不受現有精神和實體框架束縛的新創公司位於中國，在中國發揮蜂巢式網路和網路通訊市場的專業知識以開發未來的汽車解決方案。 區域位置也會對硬體的標準化產生影響。在美國，USCAR汽車測試規範需要適應新的汽車技術，而歐洲的汽車製造商可能會修改LV214標準。中國的製造商們將何去何從，目前還不得而知。

許多大公司選擇在自家少量高階的產品部署區域架構技術，有些公司甚至創立了新品牌，以新晉製造商的新視角來應對這項技術，但背後仍享有母公司的業界實力支援。

在實施區域架構上居於領先的汽車製造商將部分受到政府對基礎設施的政策影響，例如電動汽車充電站和5G技術。根據彭博社(Bloomberg)的報導，在2020年底之前，中國已經安裝了超過80萬個公共充電站以應對電動汽車的高度需求。同一時期，歐洲設立了超過35萬個充電站，美國則有將近9萬個。在Molex和貿澤的調查研究中，超過三分之一受訪者認為此類基礎設施的投資不足，將有礙汽車技術的發展。

消費者需求也將在汽車產業採納這項新技術上發揮重要作用。中國不僅擁有領先世界的EV充電網路規模，對知名汽車品牌的需求也十分旺盛，因此，中國和其他相似的新興市場將成為創新汽車技術成長的關鍵。

雖然個人消費者不太可能直接以汽車是否採用區域架構作為選車標準，但該架構所支援的功能將影響購買決策。調查研究中顯示專業人士一項共同觀點，他們認為運算能力在未來五年內將對消費者行為產生最大的影響，約有43%的受訪者表明雲端運算技術將成關鍵，32%的人則將車外連接視為下一個主要市場推動力，而這些技術皆由區域架構技術促成。

新一代消費者的用車方式也將影響區域架構的採用。儘管較年長的客戶仍然希望購入自用車，但是年輕人對於「交通即服務」(TaaS)模式更加感興趣。這種模式已不太重視自己擁有車輛，而著重於推廣交通運輸的替代方案。區域架構的靈活性，使車輛可以輕易進行優化以迎合各種類型的客戶，不論是完全擁有自用車，或是隨用隨付的模式。

雖然軟體引導區域架構的轉變，但製造商要能真正落實此一概念，必須仰賴實體結構的配合。更容易進行的組裝作業、更加減輕的重量和先進的模組化方式，只不過是區域架構為未來汽車帶來的一部分優勢，而連接器將在這些設計上扮演極為重要的角色。Molex已開始進行市場和業務的跨單位合作，同時發揮其訊號完整性效能，在新的汽車環境中提供大功率和高速解決方案。 

特別值得注意的是由機器人進行組裝的連接器發展。儘管區域設備得到升級，但除非連接器能夠適應自動化作業，否則電纜和連接器的安裝仍需要手工作業程序。Molex發揮在連接器技術上數十年的經驗，並將其用於解決機器人作業課題，成果為一系列從一開始就為自動裝配而設計的連接器。 

連接器方案要求多 區域架構改變汽車設計

區域架構將從根本上徹底改變汽車製造的面貌，為製造商、經銷商和客戶帶來多方面的優勢，使汽車產業對未來的交通運輸做好各項支援準備，涵蓋從ADAS和電氣化到乘車共享和TaaS模式。

這些優勢同時也為連接器製造商帶來挑戰，他們需要開發出能傳輸電力和高速訊號的連接器解決方案，同時還要確保符合嚴苛汽車環境所要求的可靠性和安全性條件。Molex擁有為區域架構開發連接器解決方案的技術專長、汽車經驗和全球足跡，已經準備好滿足並超越這些要求，協助創造未來的汽車。

(本文作者為Molex資深銷售總監)