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(qǐng)業(yè)界名家就新能源汽車(chē)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)汽車(chē)三個(gè)方面分析了當(dāng)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(guó)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(dá)到2750萬(wàn)輛，相比2015 年有12.7% 的增長(zhǎng)。這對(duì)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(zhǎng)率攀升到9.85億美元，主要增長(zhǎng)動(dòng)力來(lái)自于整車(chē)銷(xiāo)量的增加，電氣化設(shè)備滲透率的提高，新能源車(chē)和對(duì)安全設(shè)備的需求。

　　各供應(yīng)商市場(chǎng)占比

　　從供應(yīng)商的角度來(lái)看，2016年NXP并購(gòu)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(yīng)用領(lǐng)域包含了幾乎所有汽車(chē)應(yīng)用：娛樂(lè)、安全、動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向以及車(chē)身控制系統(tǒng)等。2016年NXP占整個(gè)汽車(chē)MCU市場(chǎng)份額達(dá)到32.5%;第二名是Renesas，占市場(chǎng)19.6%，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)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(yīng)商MCU產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，主要還是集中在發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)

　　面向未來(lái)，汽車(chē)MCU仍然有不錯(cuò)的發(fā)展空間。首先是電子控制設(shè)備滲透率不斷提高，傳統(tǒng)使用機(jī)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(dá)驅(qū)動(dòng)和電源管理等。雖然在2017年初，中國(guó)政府加大了對(duì)新能源車(chē)從關(guān)鍵設(shè)備到整車(chē)的管理，這也導(dǎo)致上半年新能源車(chē)銷(xiāo)量下滑。但長(zhǎng)期來(lái)看這會(huì)有利于這個(gè)市場(chǎng)后續(xù)健康成長(zhǎng)。隨著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(shè)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(shì)：更加注重安全，滿(mǎn)足更高的安全標(biāo)準(zhǔn);集成更多的功能，例如傳感器算法，不同的通訊接口標(biāo)準(zhǔn)等;性能更強(qiáng)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(shì)觀察得到當(dāng)下電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)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(xù)增長(zhǎng)，與此同時(shí)，車(chē)內(nèi)電機(jī)的使用數(shù)量也在增加;

　　? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)控制電路對(duì)ECU及所有內(nèi)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;

　　? 隨著電動(dòng)汽車(chē)時(shí)速的提升，電機(jī)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(jī)向大功率三相交流無(wú)刷電機(jī)(BDLC)的轉(zhuǎn)變;

　　? 混合動(dòng)力汽車(chē)增加了電機(jī)回饋制動(dòng)優(yōu)化整車(chē)節(jié)能;

　　? 電控系統(tǒng)集成化程度提高(電池管理、雙向DC/DC 轉(zhuǎn)換器、三相逆變、變數(shù)箱控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制與整車(chē)控制以各種方式集成趨勢(shì)明顯);

　　? 對(duì)車(chē)載電力的更高需求誕生了新48V系統(tǒng)。48V系統(tǒng)的引入導(dǎo)致如電機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng) (HVAC BLDC、ISG、IBSG、鼓風(fēng)機(jī)、變數(shù)箱、EPB、ESP驅(qū)動(dòng)等)及內(nèi)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(jī)控制及電源管理系統(tǒng)的的發(fā)展趨勢(shì)

　　電機(jī)控制

　　當(dāng)前電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)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(jī)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(xiàn)更高的系統(tǒng)安全性等級(jí)，也需要業(yè)內(nèi)的模組供應(yīng)商加速開(kāi)發(fā)相關(guān)的軟件。

　　電源管理

　　電池管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)包括高精度、高可靠性及合適的系統(tǒng)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(duì)電壓、電流、溫度等參數(shù)的精確測(cè)量;2)高可靠性，整個(gè)行業(yè)都開(kāi)始關(guān)注系統(tǒng)功能性安全，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性;3)合適的系統(tǒng)成本，隨著補(bǔ)貼政策的挑戰(zhàn)，為了使得終端銷(xiāo)售價(jià)格比較合理，需要各級(jí)供應(yīng)商一起配合來(lái)降低成本。

　　ADI和LTC有著多年的電池管理系統(tǒng)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(tǒng)成本的芯片組。

IGBT模塊對(duì)三菱電機(jī)的技術(shù)要求

　　三菱電機(jī)起初根據(jù)客戶(hù)的要求設(shè)計(jì)定制化的汽車(chē)級(jí)模塊，并且從1997年起就將汽車(chē)級(jí)IGBT模塊成功地應(yīng)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(jí)功率模塊T-PM和IPM;目前針對(duì)全球推出了新一代汽車(chē)級(jí)功率模塊J1-系列EV PM。

　　電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行條件不同于工業(yè)應(yīng)用條件，對(duì)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(zhǎng)的壽命以及安全無(wú)故障運(yùn)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(jī)致力于持續(xù)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(nèi)部構(gòu)造和綁定線技術(shù)以及底板冷卻結(jié)構(gòu)，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(nèi)置的溫度/電流傳感器，并采用先進(jìn)的智能LVIC和可調(diào)的驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)更高的精度及其性能上的優(yōu)化。三菱電機(jī)提供汽車(chē)級(jí)IGBT模塊J1系列EV PM。

ROHM SiC在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用

　　近年來(lái)，SiC(碳化硅)因其優(yōu)異的節(jié)能效果和對(duì)產(chǎn)品小型化、輕量化的貢獻(xiàn)，在新能源汽車(chē)、城市基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境/能源，以及工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)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(xiàn)設(shè)備中冷卻機(jī)構(gòu)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(xiàn)線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(xiàn)設(shè)備節(jié)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(nèi)置功率半導(dǎo)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(nèi)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(rèn)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(dá)與逆變器方面的采用也在加速。

電源管理系統(tǒng)的成本與性能考慮

　　在電池管理系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)都需要采用大量NTC用作溫度檢測(cè)或者過(guò)溫保護(hù)。出于成本和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考量，越來(lái)越多的廠商傾向于采用貼片NTC方案。

　　TDK集團(tuán)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(xù)流能力(高達(dá)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(qū)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(rèn)證申請(qǐng)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(jù)客戶(hù)不同尺寸需求，提供最佳的緊湊型設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)使用。

　　TDK的發(fā)展優(yōu)勢(shì)

　　首先， 我們?cè)趪?guó)際大廠Tier1客戶(hù)中有很多成功的產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例，如48V汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中鋁電解電容器和大電流升壓電感器的成功設(shè)計(jì)案例和經(jīng)驗(yàn)。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(shè)計(jì)，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(chǔ)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(yàn)室研究和實(shí)驗(yàn)證明碳化硅功率模塊配合CeraLinkTM壓電陶瓷電容器，設(shè)計(jì)電驅(qū)動(dòng)模塊的功率密度可達(dá)到驚人的40kW/L。

Microchip對(duì)現(xiàn)代汽車(chē)需求的解讀

　　在當(dāng)今的現(xiàn)代汽車(chē)中，電機(jī)應(yīng)用廣泛，對(duì)扭矩、流體、空氣和壓力控制系統(tǒng)發(fā)揮著輔助作用。對(duì)所有汽車(chē)系統(tǒng)而言，為滿(mǎn)足苛刻的政府標(biāo)準(zhǔn)并延長(zhǎng)EV/HEV單次充電行駛的總里程，燃油效率都是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。而電機(jī)控制則是實(shí)現(xiàn)此關(guān)鍵要求的重要一環(huán)。多年來(lái)，我們見(jiàn)證了電機(jī)控制從基于有刷電機(jī)的方案不斷發(fā)展為基于無(wú)刷磁場(chǎng)定向控制(FOC)電機(jī)的方案。目前，多種不同的領(lǐng)域都顯現(xiàn)出這一趨勢(shì)，如燃油泵、水冷卻泵、冷卻風(fēng)扇以及許多其它電機(jī)等。無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)方案不僅能夠達(dá)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(hù)成本削減等特性。例如，在汽車(chē)HVAC系統(tǒng)中使用正弦電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案會(huì)帶來(lái)電機(jī)噪音降低的顯著優(yōu)勢(shì)，從而營(yíng)造寧?kù)o的車(chē)內(nèi)氛圍。對(duì)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(shì)，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(tǒng)應(yīng)用于各種發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)，會(huì)顯著提高電源效率和性能。然而，由于大多數(shù)的汽車(chē)電氣系統(tǒng)仍然以12V為標(biāo)準(zhǔn)，所以仍需要傳統(tǒng)的12V系統(tǒng)。當(dāng)結(jié)合使用兩種電源網(wǎng)絡(luò)時(shí)，負(fù)載平衡將成為確保在任何負(fù)載條件下都能保持穩(wěn)定電壓供應(yīng)的關(guān)鍵因素。Microchip的解決方案可降低橋接這兩種系統(tǒng)的復(fù)雜性。Microchip擁有成熟的數(shù)字電源控制解決方案，它采用高性能dsPIC?單片機(jī)(MCU)，基于高級(jí)開(kāi)關(guān)電源算法運(yùn)行，可提高效率并滿(mǎn)足苛刻的汽車(chē)工作環(huán)境要求。

　　隨著高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和無(wú)人駕駛技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，將進(jìn)一步支持對(duì)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(zhǎng)的一段路程。隨著汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，在汽車(chē)中將會(huì)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。例如，在娛樂(lè)信息-遠(yuǎn)程信息處理-攝像頭系統(tǒng)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(shù)據(jù)吞吐量。