汽車電子三大熱門方向的技術(shù)發(fā)展

作者/ 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：本次專題邀請業(yè)界名家就新能源汽車、車聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)汽車三個方面分析了當下汽車電子的發(fā)展、動態(tài)及未來走向。

汽車MCU市場

中國汽車MCU市場回顧和展望

　　2016年汽車銷售市場熱度不減，整個輕型轎車的銷售量達到2750萬輛，相比2015 年有12.7% 的增長。這對MCU的銷量有很大促進。整個MCU在汽車市場銷量以10.1% 的年增長率攀升到9.85億美元，主要增長動力來自于整車銷量的增加，電氣化設備滲透率的提高，新能源車和對安全設備的需求。

　　各供應商市場占比

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

　　MCU未來發(fā)展空間及趨勢

　　面向未來，汽車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(tǒng)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。例如防夾車窗、智能雨刷、電動座椅等;另外，新能源車的快速發(fā)展，MCU將會被使用到電池管理、馬達驅(qū)動和電源管理等。雖然在2017年初，中國政府加大了對新能源車從關(guān)鍵設備到整車的管理，這也導致上半年新能源車銷量下滑。但長期來看這會有利于這個市場后續(xù)健康成長。隨著ADAS功能以及未來無人駕駛車的使用，MCU會在終端設備，信息收集和信息管理中發(fā)揮作用。

　　就未來的MCU發(fā)展來看，有以下幾個趨勢：更加注重安全，滿足更高的安全標準;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。總體來說，智能化的汽車離不開MCU的幫助。

新能源汽車

未來新能源汽車的發(fā)展重點

　　威世從目前的趨勢觀察得到當下電機發(fā)展趨勢為：

　　? EV/HEV(電動/混合動力汽車)在汽車業(yè)務中的市場份額持續(xù)增長，與此同時，車內(nèi)電機的使用數(shù)量也在增加;

　　? 電機驅(qū)動和電機控制電路對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;

　　? 隨著電動汽車時速的提升，電機也需要更佳的瞬時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刷電機(BDLC)的轉(zhuǎn)變;

　　? 混合動力汽車增加了電機回饋制動優(yōu)化整車節(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、電機驅(qū)動控制器、發(fā)動機驅(qū)動及控制與整車控制以各種方式集成趨勢明顯);

　　? 對車載電力的更高需求誕生了新48V系統(tǒng)。48V系統(tǒng)的引入導致如電機控制、電機驅(qū)動 (HVAC BLDC、ISG、IBSG、鼓風機、變數(shù)箱、EPB、ESP驅(qū)動等)及內(nèi)部元器件的改變。

　　此外，威世積極進行下一代產(chǎn)品的研發(fā)，以期進一步改進產(chǎn)品的成本、性能、可靠性和尺寸。

電機控制及電源管理系統(tǒng)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。為了實現(xiàn)更高的系統(tǒng)安全性等級，也需要業(yè)內(nèi)的模組供應商加速開發(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，包括對電壓、電流、溫度等參數(shù)的精確測量;2)高可靠性，整個行業(yè)都開始關(guān)注系統(tǒng)功能性安全，進一步提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性;3)合適的系統(tǒng)成本，隨著補貼政策的挑戰(zhàn)，為了使得終端銷售價格比較合理，需要各級供應商一起配合來降低成本。

　　ADI和LTC有著多年的電池管理系統(tǒng)市場領(lǐng)先方案，是被市場和客戶證明的可靠高性能且合理系統(tǒng)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(jù)客戶的要求設計定制化的汽車級模塊，并且從1997年起就將汽車級IGBT模塊成功地應用于電動汽車中。隨后推出了非定制型的J-系列汽車級功率模塊T-PM和IPM;目前針對全球推出了新一代汽車級功率模塊J1-系列EV PM。

　　電動汽車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、冷卻方法簡單等，而且要求更高的可靠性、更長的壽命以及安全無故障運行。

　　就如何開發(fā)出滿足汽車要求的功率模塊來說，需要在三個方面進行技術(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(xù)開發(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，通過改進模塊內(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，并采用先進的智能LVIC和可調(diào)的驅(qū)動器，實現(xiàn)更高的精度及其性能上的優(yōu)化。三菱電機提供汽車級IGBT模塊J1系列EV PM。

ROHM SiC在汽車領(lǐng)域的應用

　　近年來，SiC(碳化硅)因其優(yōu)異的節(jié)能效果和對產(chǎn)品小型化、輕量化的貢獻，在新能源汽車、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)品憑借更低的開關(guān)損耗，可實現(xiàn)設備中冷卻機構(gòu)的小型化。同時，通過更高頻率的開關(guān)動作，還可實現(xiàn)線圈和電容器等周邊元器件的小型化?？梢姡琒iC是可以同時實現(xiàn)設備節(jié)能化、小型化和輕量化的“理想的元器件”。

　　ROHM很早就開始量產(chǎn)SiC-MOSFET及內(nèi)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(nèi)的豐富產(chǎn)品陣容。

　　ROHM SiC產(chǎn)品的優(yōu)異性能和品質(zhì)在汽車領(lǐng)域也已逐步獲得認可。包括在快速充電用的車載充電器方面，在電動汽車 (EV) 的馬達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，主流還是使用被動均衡方案，但出于成本等方面的考慮，越來越多的客戶開始使用菊花鏈將電池組串聯(lián)起來，從而給隔離通訊變壓器提供了潛在的應用市場。而無論在主動均衡還是被動均衡方案中，電池管理系統(tǒng)都需要采用大量NTC用作溫度檢測或者過溫保護。出于成本和結(jié)構(gòu)設計考量，越來越多的廠商傾向于采用貼片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200A)，此類型的高壓直流接觸器廣泛用于電動車等領(lǐng)域，能快速開斷電池與驅(qū)動器及直流充電站的連接。

　　在車載充電器領(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愛普科斯(EPCOS)單端式鋁電解電容器，如滿足AEC-Q200的B43508系列，以及B43258、B43643系列(AEC-Q200認證申請中)，最高可滿足40g要求的抗振性能和高紋波電流能力，可根據(jù)客戶不同尺寸需求，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Tier1客戶中有很多成功的產(chǎn)品設計案例，如48V汽車動力系統(tǒng)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)品推廣過程中，我們可以幫助客戶快速高效利用我們的產(chǎn)品做出成功設計，同時也證明我們的產(chǎn)品的高品質(zhì)和高信賴性。

　　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(qū)動系統(tǒng)中的SiC(碳化硅)功率模塊的CeraLinkTM壓電陶瓷技術(shù)電容器。前瞻實驗室研究和實驗證明碳化硅功率模塊配合CeraLinkTM壓電陶瓷電容器，設計電驅(qū)動模塊的功率密度可達到驚人的40kW/L。

Microchip對現(xiàn)代汽車需求的解讀

　　在當今的現(xiàn)代汽車中，電機應用廣泛，對扭矩、流體、空氣和壓力控制系統(tǒng)發(fā)揮著輔助作用。對所有汽車系統(tǒng)而言，為滿足苛刻的政府標準并延長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。而電機控制則是實現(xiàn)此關(guān)鍵要求的重要一環(huán)。多年來，我們見證了電機控制從基于有刷電機的方案不斷發(fā)展為基于無刷磁場定向控制(FOC)電機的方案。目前，多種不同的領(lǐng)域都顯現(xiàn)出這一趨勢，如燃油泵、水冷卻泵、冷卻風扇以及許多其它電機等。無刷直流(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HVAC系統(tǒng)中使用正弦電機驅(qū)動方案會帶來電機噪音降低的顯著優(yōu)勢，從而營造寧靜的車內(nèi)氛圍。對于豪華汽車而言，這一點尤其重要。

　　在汽車中采用48V電源網(wǎng)絡是一種新興趨勢，能夠最大程度地提高EV和HEV的電源效率。多家OEM已證實，若將基于鋰離子電池的48V電源網(wǎng)絡系統(tǒng)應用于各種發(fā)動機和機械系統(tǒng)，會顯著提高電源效率和性能。然而，由于大多數(shù)的汽車電氣系統(tǒng)仍然以12V為標準，所以仍需要傳統(tǒng)的12V系統(tǒng)。當結(jié)合使用兩種電源網(wǎng)絡時，負載平衡將成為確保在任何負載條件下都能保持穩(wěn)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(tǒng)的復雜性。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(MCU)，基于高級開關(guān)電源算法運行，可提高效率并滿足苛刻的汽車工作環(huán)境要求。

　　隨著高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和無人駕駛技術(shù)的應用越來越廣泛，將進一步支持對帶寬更高的車載聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求。從簡單的K-Line到CAN-LIN，在朝著未來千兆位通信邁進的過程中，我們已經(jīng)走過漫長的一段路程。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，在汽車中將會應用越來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，在娛樂信息-遠程信息處理-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。