汽車(chē)電子三大熱門(mén)方向的技術(shù)發(fā)展

作者/ 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：本次專(zhuān)題邀請業(yè)界名家就新能源汽車(chē)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、傳統汽車(chē)三個(gè)方面分析了當下汽車(chē)電子的發(fā)展、動(dòng)態(tài)及未來(lái)走向。

汽車(chē)MCU市場(chǎng)

中國汽車(chē)MCU市場(chǎng)回顧和展望

　　2016年汽車(chē)銷(xiāo)售市場(chǎng)熱度不減，整個(gè)輕型轎車(chē)的銷(xiāo)售量達到2750萬(wàn)輛，相比2015 年有12.7% 的增長(cháng)。這對MCU的銷(xiāo)量有很大促進(jìn)。整個(gè)MCU在汽車(chē)市場(chǎng)銷(xiāo)量以10.1% 的年增長(cháng)率攀升到9.85億美元，主要增長(cháng)動(dòng)力來(lái)自于整車(chē)銷(xiāo)量的增加，電氣化設備滲透率的提高，新能源車(chē)和對安全設備的需求。

　　各供應商市場(chǎng)占比

　　從供應商的角度來(lái)看，2016年NXP并購了Freescale，處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位。合并后的NXP已經(jīng)成為汽車(chē)MCU巨人，產(chǎn)品涵蓋從低端到高端，從8位到32位，專(zhuān)有Core(核)和ARM Core并存，應用領(lǐng)域包含了幾乎所有汽車(chē)應用：娛樂(lè )、安全、動(dòng)力總成、轉向以及車(chē)身控制系統等。2016年NXP占整個(gè)汽車(chē)MCU市場(chǎng)份額達到32.5%;第二名是Renesas，占市場(chǎng)19.6%，其產(chǎn)品廣泛應用在汽車(chē)娛樂(lè )、車(chē)身控制和動(dòng)力總成中;英飛凌(Infineon)排名第三。從市場(chǎng)領(lǐng)先的供應商MCU產(chǎn)品應用領(lǐng)域來(lái)看，主要還是集中在發(fā)動(dòng)機總成、安全和車(chē)身控制這幾部分。

　　MCU未來(lái)發(fā)展空間及趨勢

　　面向未來(lái)，汽車(chē)MCU仍然有不錯的發(fā)展空間。首先是電子控制設備滲透率不斷提高，傳統使用機械和繼電器控制的部分由于智能和方便操作的要求而使用MCU控制。例如防夾車(chē)窗、智能雨刷、電動(dòng)座椅等;另外，新能源車(chē)的快速發(fā)展，MCU將會(huì )被使用到電池管理、馬達驅動(dòng)和電源管理等。雖然在2017年初，中國政府加大了對新能源車(chē)從關(guān)鍵設備到整車(chē)的管理，這也導致上半年新能源車(chē)銷(xiāo)量下滑。但長(cháng)期來(lái)看這會(huì )有利于這個(gè)市場(chǎng)后續健康成長(cháng)。隨著(zhù)ADAS功能以及未來(lái)無(wú)人駕駛車(chē)的使用，MCU會(huì )在終端設備，信息收集和信息管理中發(fā)揮作用。

　　就未來(lái)的MCU發(fā)展來(lái)看，有以下幾個(gè)趨勢：更加注重安全，滿(mǎn)足更高的安全標準;集成更多的功能，例如傳感器算法，不同的通訊接口標準等;性能更強大：指令處理能力，更大的memory和更高的集成度?？傮w來(lái)說(shuō)，智能化的汽車(chē)離不開(kāi)MCU的幫助。

新能源汽車(chē)

未來(lái)新能源汽車(chē)的發(fā)展重點(diǎn)

　　威世從目前的趨勢觀(guān)察得到當下電機發(fā)展趨勢為：

　　? EV/HEV(電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車(chē))在汽車(chē)業(yè)務(wù)中的市場(chǎng)份額持續增長(cháng)，與此同時(shí)，車(chē)內電機的使用數量也在增加;

　　? 電機驅動(dòng)和電機控制電路對ECU及所有內部元器件的小型化、 高能量密度、 高效率及可靠性提出更高的需求;

　　? 隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)時(shí)速的提升，電機也需要更佳的瞬時(shí)功率和更高的功率密度;

　　? 由額定功率有限的直流有刷電機向大功率三相交流無(wú)刷電機(BDLC)的轉變;

　　? 混合動(dòng)力汽車(chē)增加了電機回饋制動(dòng)優(yōu)化整車(chē)節能;

　　? 電控系統集成化程度提高(電池管理、雙向DC/DC 轉換器、三相逆變、變數箱控制器、電機驅動(dòng)控制器、發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)及控制與整車(chē)控制以各種方式集成趨勢明顯);

　　? 對車(chē)載電力的更高需求誕生了新48V系統。48V系統的引入導致如電機控制、電機驅動(dòng) (HVAC BLDC、ISG、IBSG、鼓風(fēng)機、變數箱、EPB、ESP驅動(dòng)等)及內部元器件的改變。

　　此外，威世積極進(jìn)行下一代產(chǎn)品的研發(fā)，以期進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品的成本、性能、可靠性和尺寸。

電機控制及電源管理系統的的發(fā)展趨勢

　　電機控制

　　當前電機控制的發(fā)展趨勢包括高精度，逐步提高的功率，高可靠性的要求及合適的成本。ADI擁有電機控制旋變芯片AD2S1205/AD2S1210，并且正在努力推廣低成本的AMR磁阻方案。為了實(shí)現更高的系統安全性等級，也需要業(yè)內的模組供應商加速開(kāi)發(fā)相關(guān)的軟件。

　　電源管理

　　電池管理系統的發(fā)展趨勢包括高精度、高可靠性及合適的系統成本。具體地：1)高精度，在各種環(huán)境和情況下的一致性高精度，包括對電壓、電流、溫度等參數的精確測量;2)高可靠性，整個(gè)行業(yè)都開(kāi)始關(guān)注系統功能性安全，進(jìn)一步提高系統的可靠性和魯棒性;3)合適的系統成本，隨著(zhù)補貼政策的挑戰，為了使得終端銷(xiāo)售價(jià)格比較合理，需要各級供應商一起配合來(lái)降低成本。

　　ADI和LTC有著(zhù)多年的電池管理系統市場(chǎng)領(lǐng)先方案，是被市場(chǎng)和客戶(hù)證明的可靠高性能且合理系統成本的芯片組。

IGBT模塊對三菱電機的技術(shù)要求

　　三菱電機起初根據客戶(hù)的要求設計定制化的汽車(chē)級模塊，并且從1997年起就將汽車(chē)級IGBT模塊成功地應用于電動(dòng)汽車(chē)中。隨后推出了非定制型的J-系列汽車(chē)級功率模塊T-PM和IPM;目前針對全球推出了新一代汽車(chē)級功率模塊J1-系列EV PM。

　　電動(dòng)汽車(chē)的運行條件不同于工業(yè)應用條件，對功率模塊IGBT不僅要求體積小、重量輕、效率高、冷卻方法簡(jiǎn)單等，而且要求更高的可靠性、更長(cháng)的壽命以及安全無(wú)故障運行。

　　就如何開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足汽車(chē)要求的功率模塊來(lái)說(shuō)，需要在三個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新：即功率硅片技術(shù)、封裝技術(shù)以及功能集成技術(shù)。在功率硅片技術(shù)方面，三菱電機致力于持續開(kāi)發(fā)更低功耗的新一代IGBT硅片技術(shù)，乃至SiC芯片技術(shù);在封裝技術(shù)上，通過(guò)改進(jìn)模塊內部構造和綁定線(xiàn)技術(shù)以及底板冷卻結構，減小熱阻和封裝尺寸，提高功率密度，同時(shí)提升模塊的可靠性和壽命;在功能集成技術(shù)方面，不斷優(yōu)化內置的溫度/電流傳感器，并采用先進(jìn)的智能LVIC和可調的驅動(dòng)器，實(shí)現更高的精度及其性能上的優(yōu)化。三菱電機提供汽車(chē)級IGBT模塊J1系列EV PM。

ROHM SiC在汽車(chē)領(lǐng)域的應用

　　近年來(lái)，SiC(碳化硅)因其優(yōu)異的節能效果和對產(chǎn)品小型化、輕量化的貢獻，在新能源汽車(chē)、城市基礎設施、環(huán)境/能源，以及工業(yè)設備領(lǐng)域的應用日益廣泛。

　　與同等額定電流的IGBT產(chǎn)品相比，SiC產(chǎn)品憑借更低的開(kāi)關(guān)損耗，可實(shí)現設備中冷卻機構的小型化。同時(shí)，通過(guò)更高頻率的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，還可實(shí)現線(xiàn)圈和電容器等周邊元器件的小型化?？梢?jiàn)，SiC是可以同時(shí)實(shí)現設備節能化、小型化和輕量化的“理想的元器件”。

　　ROHM很早就開(kāi)始量產(chǎn)SiC-MOSFET及內置功率半導體元件全部由SiC組成的“全SiC”功率模塊。如今，ROHM擁有SiC肖特基二極管、SiC-MOSFET、SiC功率模塊，以及"全SiC"功率模塊在內的豐富產(chǎn)品陣容。

　　ROHM SiC產(chǎn)品的優(yōu)異性能和品質(zhì)在汽車(chē)領(lǐng)域也已逐步獲得認可。包括在快速充電用的車(chē)載充電器方面，在電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的馬達與逆變器方面的采用也在加速。

電源管理系統的成本與性能考慮

　　在電池管理系統中，主流還是使用被動(dòng)均衡方案，但出于成本等方面的考慮，越來(lái)越多的客戶(hù)開(kāi)始使用菊花鏈將電池組串聯(lián)起來(lái)，從而給隔離通訊變壓器提供了潛在的應用市場(chǎng)。而無(wú)論在主動(dòng)均衡還是被動(dòng)均衡方案中，電池管理系統都需要采用大量NTC用作溫度檢測或者過(guò)溫保護。出于成本和結構設計考量，越來(lái)越多的廠(chǎng)商傾向于采用貼片NTC方案。

　　TDK集團推出新的HVC系列雙極型高壓直流接觸器，可用于開(kāi)斷高直流電壓和直流電流，該產(chǎn)品具備高續流能力(高達200A)，此類(lèi)型的高壓直流接觸器廣泛用于電動(dòng)車(chē)等領(lǐng)域，能快速開(kāi)斷電池與驅動(dòng)器及直流充電站的連接。

　　在車(chē)載充電器領(lǐng)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愛(ài)普科斯(EPCOS)單端式鋁電解電容器，如滿(mǎn)足AEC-Q200的B43508系列，以及B43258、B43643系列(AEC-Q200認證申請中)，最高可滿(mǎn)足40g要求的抗振性能和高紋波電流能力，可根據客戶(hù)不同尺寸需求，提供最佳的緊湊型設計。而我們的薄膜電容器在諧振的部份提供能滿(mǎn)足AECQ200要求的MMKP雙面蒸鍍金屬化聚丙烯薄膜電容器，其特性包括體積小，擁有優(yōu)秀耐脈沖能力及紋波電流能力，適用于尺寸緊湊型設計使用。

　　TDK的發(fā)展優(yōu)勢

　　首先， 我們在國際大廠(chǎng)Tier1客戶(hù)中有很多成功的產(chǎn)品設計案例，如48V汽車(chē)動(dòng)力系統中鋁電解電容器和大電流升壓電感器的成功設計案例和經(jīng)驗。在產(chǎn)品推廣過(guò)程中，我們可以幫助客戶(hù)快速高效利用我們的產(chǎn)品做出成功設計，同時(shí)也證明我們的產(chǎn)品的高品質(zhì)和高信賴(lài)性。

　　其次，雄厚的產(chǎn)品技術(shù)儲備，我們擁有基于下一代技術(shù)的前瞻性產(chǎn)品，例如：作為DC-link電容器配合下一代電驅動(dòng)系統中的SiC(碳化硅)功率模塊的CeraLinkTM壓電陶瓷技術(shù)電容器。前瞻實(shí)驗室研究和實(shí)驗證明碳化硅功率模塊配合CeraLinkTM壓電陶瓷電容器，設計電驅動(dòng)模塊的功率密度可達到驚人的40kW/L。

Microchip對現代汽車(chē)需求的解讀

　　在當今的現代汽車(chē)中，電機應用廣泛，對扭矩、流體、空氣和壓力控制系統發(fā)揮著(zhù)輔助作用。對所有汽車(chē)系統而言，為滿(mǎn)足苛刻的政府標準并延長(cháng)EV/HEV單次充電行駛的總里程，燃油效率都是一項關(guān)鍵要求。而電機控制則是實(shí)現此關(guān)鍵要求的重要一環(huán)。多年來(lái)，我們見(jiàn)證了電機控制從基于有刷電機的方案不斷發(fā)展為基于無(wú)刷磁場(chǎng)定向控制(FOC)電機的方案。目前，多種不同的領(lǐng)域都顯現出這一趨勢，如燃油泵、水冷卻泵、冷卻風(fēng)扇以及許多其它電機等。無(wú)刷直流(BLDC)電機方案不僅能夠達到高效率、提高可靠性，而且還具備可變扭矩控制、電磁兼容性降低以及維護成本削減等特性。例如，在汽車(chē)HVAC系統中使用正弦電機驅動(dòng)方案會(huì )帶來(lái)電機噪音降低的顯著(zhù)優(yōu)勢，從而營(yíng)造寧靜的車(chē)內氛圍。對于豪華汽車(chē)而言，這一點(diǎn)尤其重要。

　　在汽車(chē)中采用48V電源網(wǎng)絡(luò )是一種新興趨勢，能夠最大程度地提高EV和HEV的電源效率。多家OEM已證實(shí)，若將基于鋰離子電池的48V電源網(wǎng)絡(luò )系統應用于各種發(fā)動(dòng)機和機械系統，會(huì )顯著(zhù)提高電源效率和性能。然而，由于大多數的汽車(chē)電氣系統仍然以12V為標準，所以仍需要傳統的12V系統。當結合使用兩種電源網(wǎng)絡(luò )時(shí)，負載平衡將成為確保在任何負載條件下都能保持穩定電壓供應的關(guān)鍵因素。Microchip的解決方案可降低橋接這兩種系統的復雜性。Microchip擁有成熟的數字電源控制解決方案，它采用高性能dsPIC?單片機(MCU)，基于高級開(kāi)關(guān)電源算法運行，可提高效率并滿(mǎn)足苛刻的汽車(chē)工作環(huán)境要求。

　　隨著(zhù)高級駕駛輔助系統(ADAS)和無(wú)人駕駛技術(shù)的應用越來(lái)越廣泛，將進(jìn)一步支持對帶寬更高的車(chē)載聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求。從簡(jiǎn)單的K-Line到CAN-LIN，在朝著(zhù)未來(lái)千兆位通信邁進(jìn)的過(guò)程中，我們已經(jīng)走過(guò)漫長(cháng)的一段路程。隨著(zhù)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，在汽車(chē)中將會(huì )應用越來(lái)越多的傳感器和攝像頭模塊，它們需要使用不同的聯(lián)網(wǎng)標準。例如，在娛樂(lè )信息-遠程信息處理-攝像頭系統中，將采用音頻視頻以太網(wǎng)連接來(lái)保持最佳的QoS，而各種傳感器將采用新一代CAN FD連接確保低功耗并提高數據吞吐量。