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汽车电子三大热门方向的技术发展

作者:王莹 王金旺时间:2017-07-27来源:电子产品世界
编者按:本次专题邀请业界名家就新能源汽车、车联网、传统汽车三个方面分析了当下汽车电子的发展、动态及未来走向。

作者/ 王莹 王金旺 《电子产品世界》编辑

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201707/362264.htm

摘要:本次专题邀请业界名家就三个方面分析了当下汽车电子的发展、动态及未来走向。

汽车市场

中国汽车市场回顾和展望

  2016年汽车销售市场热度不减,整个轻型轿车的销售量达到2750万辆,相比2015 年有12.7% 的增长。这对的销量有很大促进。整个MCU在汽车市场销量以10.1% 的年增长率攀升到9.85亿美元,主要增长动力来自于整车销量的增加,电气化设备渗透率的提高,新能源车和对安全设备的需求。

  各供应商市场占比

  从供应商的角度来看,2016年NXP并购了Freescale,处于市场领先地位。合并后的NXP已经成为汽车MCU巨人,产品涵盖从低端到高端,从8位到32位,专有Core(核)和ARM Core并存,应用领域包含了几乎所有汽车应用:娱乐、安全、动力总成、转向以及车身控制系统等。2016年NXP占整个汽车MCU市场份额达到32.5%;第二名是Renesas,占市场19.6%,其产品广泛应用在汽车娱乐、车身控制和动力总成中;英飞凌(Infineon)排名第三。从市场领先的供应商MCU产品应用领域来看,主要还是集中在发动机总成、安全和车身控制这几部分。

  MCU未来发展空间及趋势

  面向未来,汽车MCU仍然有不错的发展空间。首先是电子控制设备渗透率不断提高,传统使用机械和继电器控制的部分由于智能和方便操作的要求而使用MCU控制。例如防夹车窗、智能雨刷、电动座椅等;另外,新能源车的快速发展,MCU将会被使用到电池管理、马达驱动和电源管理等。虽然在2017年初,中国政府加大了对新能源车从关键设备到整车的管理,这也导致上半年新能源车销量下滑。但长期来看这会有利于这个市场后续健康成长。随着ADAS功能以及未来无人驾驶车的使用,MCU会在终端设备,信息收集和信息管理中发挥作用。

  就未来的MCU发展来看,有以下几个趋势:更加注重安全,满足更高的安全标准;集成更多的功能,例如传感器算法,不同的通讯接口标准等;性能更强大:指令处理能力,更大的memory和更高的集成度。总体来说,智能化的汽车离不开MCU的帮助。

未来的发展重点

  威世从目前的趋势观察得到当下电机发展趋势为:

  • EV/HEV(电动/混合动力汽车)在汽车业务中的市场份额持续增长,与此同时,车内电机的使用数量也在增加;

  • 电机驱动和电机控制电路对ECU及所有内部元器件的小型化、 高能量密度、 高效率及可靠性提出更高的需求;

  • 随着电动汽车时速的提升,电机也需要更佳的瞬时功率和更高的功率密度;

  • 由额定功率有限的直流有刷电机向大功率三相交流无刷电机(BDLC)的转变;

  • 混合动力汽车增加了电机回馈制动优化整车节能;

  • 电控系统集成化程度提高(电池管理、双向DC/DC 转换器、三相逆变、变数箱控制器、电机驱动控制器、发动机驱动及控制与整车控制以各种方式集成趋势明显);

  • 对车载电力的更高需求诞生了新48V系统。48V系统的引入导致如电机控制、电机驱动 (HVAC BLDC、ISG、IBSG、鼓风机、变数箱、EPB、ESP驱动等)及内部元器件的改变。

  此外,威世积极进行下一代产品的研发,以期进一步改进产品的成本、性能、可靠性和尺寸。

电机控制及电源管理系统的的发展趋势

  电机控制

  当前电机控制的发展趋势包括高精度,逐步提高的功率,高可靠性的要求及合适的成本。ADI拥有电机控制旋变芯片AD2S1205/AD2S1210,并且正在努力推广低成本的AMR磁阻方案。为了实现更高的系统安全性等级,也需要业内的模组供应商加速开发相关的软件。

  电源管理

  电池管理系统的发展趋势包括高精度、高可靠性及合适的系统成本。具体地:1)高精度,在各种环境和情况下的一致性高精度,包括对电压、电流、温度等参数的精确测量;2)高可靠性,整个行业都开始关注系统功能性安全,进一步提高系统的可靠性和鲁棒性;3)合适的系统成本,随着补贴政策的挑战,为了使得终端销售价格比较合理,需要各级供应商一起配合来降低成本。

  ADI和LTC有着多年的电池管理系统市场领先方案,是被市场和客户证明的可靠高性能且合理系统成本的芯片组。

IGBT模块对三菱电机的技术要求

  三菱电机起初根据客户的要求设计定制化的汽车级模块,并且从1997年起就将汽车级IGBT模块成功地应用于电动汽车中。随后推出了非定制型的J-系列汽车级功率模块T-PM和IPM;目前针对全球推出了新一代汽车级功率模块J1-系列EV PM。

  电动汽车的运行条件不同于工业应用条件,对功率模块IGBT不仅要求体积小、重量轻、效率高、冷却方法简单等,而且要求更高的可靠性、更长的寿命以及安全无故障运行。

  就如何开发出满足汽车要求的功率模块来说,需要在三个方面进行技术创新:即功率硅片技术、封装技术以及功能集成技术。在功率硅片技术方面,三菱电机致力于持续开发更低功耗的新一代IGBT硅片技术,乃至SiC芯片技术;在封装技术上,通过改进模块内部构造和绑定线技术以及底板冷却结构,减小热阻和封装尺寸,提高功率密度,同时提升模块的可靠性和寿命;在功能集成技术方面,不断优化内置的温度/电流传感器,并采用先进的智能LVIC和可调的驱动器,实现更高的精度及其性能上的优化。三菱电机提供汽车级IGBT模块J1系列EV PM。

ROHM SiC在汽车领域的应用

  近年来,SiC(碳化硅)因其优异的节能效果和对产品小型化、轻量化的贡献,在新能源汽车、城市基础设施、环境/能源,以及工业设备领域的应用日益广泛。

  与同等额定电流的IGBT产品相比,SiC产品凭借更低的开关损耗,可实现设备中冷却机构的小型化。同时,通过更高频率的开关动作,还可实现线圈和电容器等周边元器件的小型化。可见,SiC是可以同时实现设备节能化、小型化和轻量化的“理想的元器件”。

  ROHM很早就开始量产SiC-MOSFET及内置功率半导体元件全部由SiC组成的“全SiC”功率模块。如今,ROHM拥有SiC肖特基二极管、SiC-MOSFET、SiC功率模块,以及"全SiC"功率模块在内的丰富产品阵容。

  ROHM SiC产品的优异性能和品质在汽车领域也已逐步获得认可。包括在快速充电用的车载充电器方面,在电动汽车 (EV) 的马达与逆变器方面的采用也在加速。

电源管理系统的成本与性能考虑

  在电池管理系统中,主流还是使用被动均衡方案,但出于成本等方面的考虑,越来越多的客户开始使用菊花链将电池组串联起来,从而给隔离通讯变压器提供了潜在的应用市场。而无论在主动均衡还是被动均衡方案中,电池管理系统都需要采用大量NTC用作温度检测或者过温保护。出于成本和结构设计考量,越来越多的厂商倾向于采用贴片NTC方案。

  TDK集团推出新的HVC系列双极型高压直流接触器,可用于开断高直流电压和直流电流,该产品具备高续流能力(高达200A),此类型的高压直流接触器广泛用于电动车等领域,能快速开断电池与驱动器及直流充电站的连接。

  在车载充电器领域,小型化和高功率密度一直是不懈的追求。TDK可提供450V和500V爱普科斯(EPCOS)单端式铝电解电容器,如满足AEC-Q200的B43508系列,以及B43258、B43643系列(AEC-Q200认证申请中),最高可满足40g要求的抗振性能和高纹波电流能力,可根据客户不同尺寸需求,提供最佳的紧凑型设计。而我们的薄膜电容器在谐振的部份提供能满足AECQ200要求的MMKP双面蒸镀金属化聚丙烯薄膜电容器,其特性包括体积小,拥有优秀耐脉冲能力及纹波电流能力,适用于尺寸紧凑型设计使用。

  TDK的发展优势

  首先, 我们在国际大厂Tier1客户中有很多成功的产品设计案例,如48V汽车动力系统中铝电解电容器和大电流升压电感器的成功设计案例和经验。在产品推广过程中,我们可以帮助客户快速高效利用我们的产品做出成功设计,同时也证明我们的产品的高品质和高信赖性。

  其次,雄厚的产品技术储备,我们拥有基于下一代技术的前瞻性产品,例如:作为DC-link电容器配合下一代电驱动系统中的SiC(碳化硅)功率模块的CeraLinkTM压电陶瓷技术电容器。前瞻实验室研究和实验证明碳化硅功率模块配合CeraLinkTM压电陶瓷电容器,设计电驱动模块的功率密度可达到惊人的40kW/L。

Microchip对现代汽车需求的解读

  在当今的现代汽车中,电机应用广泛,对扭矩、流体、空气和压力控制系统发挥着辅助作用。对所有汽车系统而言,为满足苛刻的政府标准并延长EV/HEV单次充电行驶的总里程,燃油效率都是一项关键要求。而电机控制则是实现此关键要求的重要一环。多年来,我们见证了电机控制从基于有刷电机的方案不断发展为基于无刷磁场定向控制(FOC)电机的方案。目前,多种不同的领域都显现出这一趋势,如燃油泵、水冷却泵、冷却风扇以及许多其它电机等。无刷直流(BLDC)电机方案不仅能够达到高效率、提高可靠性,而且还具备可变扭矩控制、电磁兼容性降低以及维护成本削减等特性。例如,在汽车HVAC系统中使用正弦电机驱动方案会带来电机噪音降低的显著优势,从而营造宁静的车内氛围。对于豪华汽车而言,这一点尤其重要。

  在汽车中采用48V电源网络是一种新兴趋势,能够最大程度地提高EV和HEV的电源效率。多家OEM已证实,若将基于锂离子电池的48V电源网络系统应用于各种发动机和机械系统,会显著提高电源效率和性能。然而,由于大多数的汽车电气系统仍然以12V为标准,所以仍需要传统的12V系统。当结合使用两种电源网络时,负载平衡将成为确保在任何负载条件下都能保持稳定电压供应的关键因素。Microchip的解决方案可降低桥接这两种系统的复杂性。Microchip拥有成熟的数字电源控制解决方案,它采用高性能dsPIC®单片机(MCU),基于高级开关电源算法运行,可提高效率并满足苛刻的汽车工作环境要求。

  随着高级驾驶辅助系统(ADAS)和无人驾驶技术的应用越来越广泛,将进一步支持对带宽更高的车载联网技术的需求。从简单的K-Line到CAN-LIN,在朝着未来千兆位通信迈进的过程中,我们已经走过漫长的一段路程。随着汽车行业的发展,在汽车中将会应用越来越多的传感器和摄像头模块,它们需要使用不同的联网标准。例如,在娱乐信息-远程信息处理-摄像头系统中,将采用音频视频以太网连接来保持最佳的QoS,而各种传感器将采用新一代CAN FD连接确保低功耗并提高数据吞吐量。



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