ZONAL區域架構 - 成就未來汽車夢想

創新為汽車產業帶來了巨幅的進步。汽車製造商正持續不斷地為車輛研發新技術，無論是要提高安全性、提供更優異的性能還是提升乘客的舒適度。其中一些創新來自汽車業界專門開發的研究成果，而另外一些創新則是借用賽車運動甚至是航空業的技術。展望未來，從其他專業領域帶來的進展也將發揮重要作用。在最近由Molex莫仕贊助的調查研究中，Dimensional Research公司對500多名汽車業內的專業人士進行了調查研究。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，未來的汽車將擁有一系列豐富的功能，相比以往變得更加複雜。

儘管汽車採用了眾多新技術，但這幾十年來，汽車的製造方式幾乎沒有顯著的改變。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；但用於連接電子組件的技術卻落後於軟體和硬體的發展。事實上，在Molex莫仕贊助的調查研究中顯示，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的最大障礙之一，必須克服。

汽車製造方式的演變，使得生產技術出現了阻礙。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，每項功能都是作為一個新模塊加入，稱為電子控制單元（ECU），各自有自己的專用接線以連接到車輛其他部分。最新的車輛每輛需要100到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所有這些系統，而且製造商在布線方面也面臨飽和問題。

經過多年發展，汽車內需要安裝的複雜零件逐漸增多，導致電纜線束也越來越複雜，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的最複雜零件之一。

現代的汽車電纜線束負責在全車內傳輸電源、數據和控制信號，但其複雜的布線推高了製造成本。儘管汽車是以高度自動化生產方式製造，但不管在何種車輛中，電纜線束都屬於為數不多的手工裝配系統之一，這對製造商產生了幾個重要的影響。

任何需要經由手工裝配零件的生產成本都很昂貴，汽車線束的尺寸和複雜度導致其成本比大多數零件都高，在質量上也造成了很大的影響。採用機器人負責生產汽車的主要好處之一，就是質量控制，因為機器人能以近乎完美的精確度重複執行操作。然而，由於汽車線束本身的複雜性和柔韌性，使得目前的機器人無法用於電纜線束的製造。例如線束缺乏剛性，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裝配。

由於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裝配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。這類索賠無論在材料成本還是聲譽方面都造成很大損害，汽車製造商不應該輕視。

現在，業界鼓勵採用更小及更高效的傳輸方式，但銅纜在車輛性能方面仍然發揮了關鍵作用。但如此大量的銅纜十分笨重，會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，在下一代的汽車中將可看到對電氣連接的更大需求。由於製造商熱衷利用最新的5G無線通信技術來改進安全性和用戶體驗，汽車將首次成為動態網絡的一環，與其他的道路用戶甚至交通控制基礎設施共享信息，有望提高道路交通的安全性及效率。這項技術稱為車聯網（V2X）通信技術，我們將看到汽車配備比以往更多的傳感器、控制器和運算能力。

81%的受訪者認為4級自動駕駛將在未來10年內成為新車的標準配備功能——這將對汽車的布線和性能造成更多壓力

在大肆宣揚朝向自主性或「自動駕駛」車輛邁進的過程中，這項技術變得越來越重要。在參與Molex莫仕調查研究的專業人士中，81%的人士相信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，將取決於系統能否以儘可能低的延遲時間來收集、分析和處理有關周邊環境的信息。

這些創新與轉向替代性能源是同時期發生的。混合動力汽車現在相當普及，已有許多製造商承諾最終將停產內燃機引擎汽車。電池甚至氫燃料電池被視為未來的可持續解決方案。下一代汽車的電纜線束系統必須再次升級以應對電力和高速通信需求。汽車製造商正在以此為契機，試圖解決汽車設計和製造方面的基本問題。

最大型汽車製造商擁有數十年的設計生產經驗，隨著新系統的加入，多年來汽車架構不斷累積變化和發生演進。從組件裝置到ECU再到車輛的連接，都是雜亂無章地添加，因此存在著許多重複的布線和複雜的結構，其結果是形成了「平面」的布線架構。這是由大量電纜組成的高度複雜結構，導致汽車裝配的效率低下，並且需要密集的勞動力。

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，通常稱為域導向型（domain-oriented）設計。在這種架構中，汽車架構按照功能分組以對整車進行控制。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，並且各自經由網關與其他功能域進行通信，以創建統一的整車系統。

然而，按照功能進行分組的域架構並不能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到控制器。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。儘管如此，域架構確實是以全新方法實現汽車電子化的敲門磚，它不僅改變了汽車的運作方式，而且改變了汽車的製造、更新和維護方式。

汽車架構的演進

區域架構 （Zonal architecture）是全新的汽車電子技術名稱。與按照功能分組的域架構相比，Zonal區域架構是更高效的解決方案。汽車功能按照位置分為幾個區域，每個區域負責安裝在區內的裝置，而區域的對外連接必須通過本區域的區域控制器或網關進行。由於Zonal區域網關靠近它所控制的裝置，因此與各裝置連接的電纜相對較短。

每個Zonal區域網關都會連接到車輛核心的中央運算集群。一個關鍵改變在於Zonal區域網關和中央運算器之間的通信方式類似於計算機網絡，而不像以往汽車內的電纜線束。因此，區域間的通信運作可以通過一條小型高速網絡電纜進行，從而大大縮減了車輛中安裝的電纜數量和尺寸。

這種新方法充分利用了計算能力和高速通信技術的最新發展成果，這兩者都是不可或缺的，原因在於下一代汽車必須處理的數據量大增。最新ADAS和自主系統的眼睛和耳朵是由傳感器陣列構成，它們將產生前所未有的信息量，必須以高速率進行處理。未來的車載網絡速度將達到每秒10 Gbps甚至更高。配置Zonal區域架構的汽車所需要的計算性能，將相當於好幾個最高效的桌上型工作站，可以說構成了“車輪上的數據中心”。

設計人員在重新考量車內布線概念時，也注意到了配電設計。無論是電機、傳感器或ECU等，每個裝置都需要電源。雖然傳統汽車電源是以12V供電，但設計人員正在研究最高採用48V電壓的可能性。提高電壓能夠以較低的電流向各裝置供給等量電能；由於更高的電流需要規格更粗的電纜線束，因此減小電流可以相應地縮減新架構中的電源線纜。

Zonal區域架構從本質上降低了車內電纜線束的複雜性，包括電纜的數量以及所需的布線距離。各裝置與Zonal區域網關的連接在區域內進行，以維持最短的電纜長度。數據和電源電纜也一樣，因為Zonal區域網關不僅能夠作為數據處理中心，還可以作為配電模塊。

Zonal區域網關和中央計算集群之間的通信鏈接可以通過較少量的高速網絡連接達成，其中可能由少量的雙絞線電纜構成。即便將安全關鍵系統的備用需求納入考慮，整個車身內的銅纜用量也將大為減少。

這對於汽車製造的影響極為顯著。不僅銅纜的體積將大幅減小，而且縮減的尺寸也將大大簡化電纜線束的安裝。每個區域都能以模塊化方式進行安裝，而不是處理延伸到車身長度的線束。全新布線系統的重量減輕，也將提高汽車的效率。在給定的動力下，電動汽車將會具有更長的續航里程以及更優異的性能。

模塊化功能也將帶領汽車邁入標準化的嶄新時代。以目前的技術，每款車型都需要定製自己的獨特線束，甚至同一型車款也要提供不同的選項。Zonal區域架構則恰恰相反，該架構的硬體可以是通用的，用於不同的汽車型款。中央計算集群和Zonal區域網關之間的連接，在不同類型的車輛中也可以保持不變，並且可以利用模塊化方式將各個裝置添加到每個網關中，以實現不同的型款變化。

中央計算集群為Zonal區域架構提供了靈活性，因為該架構的大部分功能是來自軟體定義汽車（SDV）成果。經由軟體來驅動功能，可以對網關進行調整並更新以適應新功能的需要，這與執行單項功能的傳統ECU不同。從另一方面來看，Zonal區域架構能夠更有效地整合功能，通過即插即用的方式來調換或增加傳感器和電機等零件，這樣一來，在經銷商網絡內就可以輕鬆對汽車進行維修或升級，而無需在複雜的維修車間進行處理。通過與5G蜂窩網絡連接，能夠從遠程進行車輛的軟體更新，一些製造商已經開始運用這項功能。

在汽車設計中採用Zonal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。汽車環境本身對組件而言十分嚴苛，尤其是Zonal區域系統中部署了複雜的電子裝置。即使在正常的情況下，汽車中的各項設備可能會暴露在雨天或颳風等天氣狀況，另外還會沾染道路上的污垢和灰塵，另一方面，消費者要求車輛具備極高的可靠性；駕駛者則希望無論路程遠近，車輛都能完美無缺地執行所有功能。

連接器必須耐受震動，同時具備高速傳輸能力

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質量帶來挑戰，尤其是在高速數據連接方面。當數據速率高於1 Gbps時，即使是由震動引起的瞬間連接中斷也可能導致大量信息丟失。在安全關鍵系統中，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，中央計算集群架構都需要一系列能夠抵禦震動的板對板連接解決方案，甚至相比汽車業界現階段所採用的連接速率提高數倍。

與傳統的板對板解決方案相比，設計用於中央計算集群的連接器需要具備更大的彈性，同時還要提供高針腳和電力連接數目。設計人員需要可更換模塊的標準化設計，以簡化製造過程並實現輕鬆升級。

ADAS和自動駕駛將受到大量嚴格審查，以確保達到消費者和監管機構要求的安全水平。因此，連接器設計需要符合商業或消費應用中很少見的認證等級。國家政策有可能是採用新技術的最大障礙之一。在Molex莫仕/貿澤電子調查研究中，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數據中心迎接未來之前，一個必須克服的重大挑戰就是掌握政府針對自動駕駛實施的新法規。

哪家全球汽車製造商將會引領Zonal區域架構技術發展?

各家汽車製造商採用這項全新技術的方式也將有所不同。雖然歐洲、美國和日本的老牌汽車製造商能夠利用自身龐大的資源開發新的解決方案，但是它們現在已經擁有龐大的產品組合和成熟的製程，因而無法迅速切換到新的技術。許多新創企業則不然，它們雖然缺乏老牌製造商的行業實力，但在應對挑戰時，可以不受現有客戶或設計理念的束縛。

中國擁有許多這樣不受現有理念和實體框架束縛的新創公司，這些企業充分利用蜂窩和網絡通信市場的專業技術知識來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訂LV214標準。中國製造商會將何去何從，目前還不得而知。

有許多大公司選擇以小量高端的品牌部署Zonal區域架構技術，其中有些公司甚至創立了新的品牌，以新興製造商的視角來應對這項技術，但背後仍享有母公司的業界實力支持。在實施Zonal區域架構方面居於領導地位的汽車製造商部分受到政府針對基礎設施政策的影響，例如電動汽車充電站和5G技術。根據彭博社（Bloomberg）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莫仕調查研究中，超過三分之一受訪者認為此類基礎設施的投資不足，將會阻礙電動汽車技術的發展。

消費者需求也將在汽車產業採納新技術方面發揮重要的作用。中國不僅擁有領先世界的EV充電網絡規模，對知名汽車品牌的需求也很旺盛，因此，中國和其他相似的新興市場將是創新汽車技術實現增長的關鍵。雖然個人消費者不太可能根據汽車使用的Zonal架構來選擇車輛，但其支持的功能將會影響購買決定。在Molex莫仕的調查研究中顯示專業人士具有共同的觀點，他們認為在未來五年中計算能力將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是關鍵，32%的人士則將車外聯網視為下一個主要市場推動力，而所有這些技術都是由Zonal區域架構技術促成的。

新一代消費者的用車方式也將影響Zonal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，而是重點推廣交通運輸的替代方案。Zonal區域架構具有靈活的方式，可以輕易進行車輛優化以迎合任何類型客戶，不論是完全擁有自用車，還是隨用隨付的模式。

43%受訪人表示雲端計算技術將是關鍵

32%受訪人將車外聯網視為下一個主要市場推動力

雖然軟體技術引導了向Zonal區域架構的轉變，但汽車製造商真正落實這項概念，必須仰賴物理結構的關鍵作用。更簡便的組裝作業、更輕的重量和先進的模塊化方式，僅僅是Zonal區域架構為未來汽車帶來的一部分優勢。連接器將在這些設計方面扮演極為重要的角色。Molex莫仕已經跨市場和業務部門進行協作，同時利用其世界級的信號完整性能力，在新興的汽車環境中提供大功率和高速率連接解決方案。

特別值得注意的是可以採用機器人進行組裝之連接器的技術發展。儘管Zonal區域設備不斷進步，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將是手工作業過程。Molex莫仕利用數十年的汽車連接器開發經驗，應對機器人處理問題。獲得的結果將是一系列從一開始就為自動裝配而設計的連接器產品。

Zonal區域架構將從根本上改變汽車製造的面貌，可為汽車製造商、經銷商和客戶帶來多方面好處，並且促使汽車產業針對未來的交通運輸做好準備，涵蓋從ADAS和電氣化到車輛共享和TaaS模式範圍。

這些好處同時也為連接器製造商帶來了挑戰，需要開發出傳輸電力和高速數據的連接解決方案，同時確保符合嚴苛汽車環境所要求的可靠性和安全性條件。

Molex莫仕擁有開發Zonal區域架構連接器解決方案的技術專長、汽車產業經驗和全球足跡。無論要求如何，Molex莫仕都將做好準備以滿足並超越這些要求，協助創建未來的汽車。