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【電動車需要怎樣的晶片？】電動車vs燃油車的比較
這幾年電動車產業有著很大的發展，而這塊對半導體產業來說又是成長很快速的一塊，因為各種汽車產業在進行的變革，都會大量的增加汽車裡面所需晶片的比例。因此， 我們今天就來討論一下，電動車和燃油車，會有哪些晶片需求的不同？
▌比較電動車和燃油車的不同
要比較電動車和燃油車的差別，我們可以用未來的汽車發展的幾個角度來看（我們今天會用這幾個角度來做比較）：
C：可聯網 Connected
A：自動駕駛 Autonomous
S：可共享 Sharing
E：電能驅動 Electric
把這幾個字的字母連起來就是「CASE」。
要做到 “CAS” 可聯網/自動駕駛/可共享, 就要有半導體sensor晶片, 用sensor取得資料後, 必須要做運算, 所以也要有運算晶片, 當然最後需要做網路傳輸, 運算完成的資料傳到如:雲端等地方, 來分析使用者所在的位置, 像Google地圖已經有這部分的應用: Google可以把我們的位置分享雲端, 然後告訴我們, 現在要左轉還是要右轉, 所以必須會要有網路傳輸晶片, 與最終目的的自動駕駛晶片。
上面說的: sensor/運算/網路/自動駕駛晶片, 主要包含在CAS裡面, CAS比較不屬於E (Electric)的部分。
意思是說: 今天如果是燃油車, 其實也可以有這些功能, 燃油車也可以自動駕駛, 燃油車也可以有Sensor, 燃油車也可以運算, 得到的運算也可以透過網路傳輸, 因此: 在燃油車也有 “ADAS” (先進駕駛輔助系統), 基本的安全關鍵型 ADAS 應用包括：行人檢測/迴避, 車道偏離警告/糾正, 交通標誌識別, 自動緊急制動, 盲點檢測…等。所以燃油車有這樣一個部分, 電動車也可以有這樣一部分。
那電動車跟燃油車最大的不同, 自然就是其實屬於最後的E(Electric電動化)這個部分, 那麼在這個裡面他所使用的晶片, 就跟前面的CAS是完全不一樣的東西。
▌從晶片架構層次來比較電動車和燃油車：集中式 vs 分散式架構
➤燃油車:
在燃油車的電子系統設計上面的車廠主要是仰賴一級供應商 – TIER1。來提供設計, 各個單位譬如: 語音, 空調, 通訊, 輔助駕駛系統…。等等。通通都是來自不同的供應商。然後嵌入到燃油車裡面。因此呢燃油車啊他比較像是分散式的一個架構, 每一個這個單獨立的子系統, 讓獨立單位的供應商來提供一個解決方案, 然後車廠把他們整合到車子裡面 -- 這是屬於分散系的架構。
➤電動車:
電動車為了控制車體的運作，和燃油車的架構是不一樣的, 它是使用集中式而不是分散性的架構, 因此呢它可以透過系統升級來改進車子的運作方式, 汽車軟體系統可以不斷的更新功能, 就像我們現在安卓手機可以從各種不同的版本不斷的升級上去, 使用者只要下載他最新的版本就可以做升級, 因此所有的輔助駕駛系系統, 自動停車功能… 等。這些通通都可以被整合在一個集中式架構裡面。
雖然電動燃油車都可能有這些功能, 但架構本身的性質是不一樣的, 因此電動車越來越像消費性的電子產品。因此電動車的內部零元件, 就像PC的產業可以標準化, 模塊化, 清楚看到這個是CPU, 這個是DRAM, 這造成在燃油車裡面TIER1一線的供應商的影響力慢慢不如從前, 而是由電動車的系統供應商來以集中式架構主導這一切。
▌電動車和燃油車最大的不同：Electric 電能驅動
電動車是來自CASE是一個趨勢的發展, 但是C可聯網/A自動駕駛/S可共享部分, 其實燃油車也可以做到,真正電動車焊燃油車完全不同部分是在E(Electric電能驅動)。
E(Electric電能驅動) 分成3個核心
1. 電機
2. 電控
3. 電池
電機/電控/電池, 都是臺灣廠商的專長, 獨步全球的。臺灣人熟悉的是電子學, 而不是熱動力學, 熱動力學經由歐洲已經發展的數百年, 臺灣人要在熱動力學上面, 超越歐洲人, 做出更好的燃油車, 這件事情根本就辦不到了。
汽車電動化最重要的核心就在於 “電池” 跟 “動力系統”, 電動車跟燃油車裡面最大不同是：他不再需要燃油，也不再使用引擎，而這個在電力轉換過程中，控制用的半導體元件常常屬於高電壓/大電流的操作, 因此這種半導體元件與目前PC, 手機所使用的半導體元件是完全不一樣的東西, 我們當然大家都知道現在在PC或是在手機上面所使用的半導體元件是 “Si”為基底, 但是他們的功耗都不很大, 手機不過就消耗個幾瓦, 電腦也不過就幾百瓦, 但是電動車常常需要幾百個千瓦, 就是幾十萬瓦的意思。
在傳統Si基礎的半導體結構, 是無法應用在這種高電壓/大電流的電動車上面。因此, 電動車真正的最重要的半導體元件, 當然他用到上千種半導體(1400+多種不同半導體)運用在 “CAS”。講到 “E(Electric)就是屬於另外一種領域。“CAS”部分不脫離網路, 雲端, 與AI自動駕駛, 不脫離這幾個範圍, 那麼不管在網路AI或是在雲端這部分來說, 其實就是可以使用目前的半導體, 但是在當需要提供電力給馬達與電池的時候, 幾十萬瓦的輸入跟輸出跟輸並不是我們現在所熟知的半導體可以辦的到的, 所以這個是電動車跟燃油車本質不同與完全無法共用的部分。
▌電動車主要晶片種類的不同：第三類半導體的使用
最後探討電動車動力晶片的不同。
電動車由於在動力上將引擎替換成電動馬達與電池組的設計，所以電動車是沒有引擎的。在高電壓/大電流的環境上面可以運作的半導體, 也就是控制車子電動馬達的電池, 電力輸入輸出的半導體, 就成為電動車廠商進入的核心。那麼在這種情況下, Si基礎的半導體是無法被使用的, 新的材料有兩種:
1. SiC 碳化矽
2. GaN 氮化鉀
SiC 是碳化矽, 具有高崩潰電壓,它可以在非常高壓的環境下面使用。SiC以及GaN都屬於寬能帶半導體, Si為基礎的半導體, 它的能帶大概只有1.14個electron voltage, SiC是2.3個electron voltage, GaN 3.5個electron voltage, 因此在這種高崩潰電壓情況, 可以在非常高壓的情況下面使用。
同時因為它導熱性也遠遠優於Si 基礎的材料, 因此他除在高壓以外, 它可以在高溫的環境下正常的運作, 因此就適合了高電壓/大電流的環環境上運作, 所以SiC將是未來在電動車裡面作為電源跟電力控制的新式功率半導體最重要的一個元件。
GaN的能帶寬度比SiC更高, 可是目前大概只能用到2.57個kW的應用上面, 目前還無法用在幾百個kW的應用上面, 所以它比較適合用用快速充電, 因為它的反應速度更快(充電速度極快), 也可以耐高溫, 所以這個是它與Si半導體不一樣的地方。
使用Si半導體可使動力系統的高效率化, 跟模組微小化, 同時因為他的這個高效率切換能力, 也可以減少驅動系統問題, 這個是電動車跟一般的燃油車半導體上面最根本的不同: 一是半導燃油車上面所使用的半導體不管多複雜, 原理論上他還是Si為基礎的, 燃油車並不會使用SiC基礎的半導體, 那麼GaN是更新的一個時代, 現在SiC 與GaN在互相競爭電動車的店裡輸入輸出, 在控制上的一個市場。目前來講, SiC稍占上風, 但是GaN一出來就有他獨特的優勢, 因為它的能帶比SiC更寬。