节能减排推动新能源汽车发展,被动器件与功率模块不可替代

全球汽车业正在节能减排的道路上加速前行。在今年9月份德国举行的全球最大车展法兰克福车展上,包括宝马、奔驰、大众、标致雪铁龙在内的知名车厂都不约而同地推出了主打节能牌的混合动力汽车(HEV)。 其中宝马的Vision Efficient Dynamics概念车每加仑汽油可行驶100公里以上,而雪铁龙的柴油混合动力汽车每加仑燃料更可行驶357公里,节能再次成为媒体关注的焦点。 汽车大厂们在节能减排上的大力投入不仅仅是在经济危机下寻找一条与以往发展截然不同的思路和机会,同样也有来自政府法规的推动。欧盟无疑是这方面的先驱者,2007年出台的欧盟汽车碳排放标准草案中,要求在2012年把新出厂的汽车CO2排放量减少到120g/km以下,并设定了一系列的超限罚款标准。不过要实现这样的目标还将有赖于新技术和新工艺的应用,特别是半导体器件。本刊此前已有不少的报道,不过大都关注在IC器件,本文将介绍新型汽车特别是新能源汽车中也扮演着至关重要角色的被动元件和功率模块。

被动元件不可替代

提到被动元件在节能减排中的作用,全球主要车载零部件供应商TDK表示,随着空气污染以及全球暖化的不断加剧,世界各国都把重点放在了汽车环保性能的提高以及新技术的开发上。基于这个原因,实现低油耗和低排放的HEV和EV以及燃料电池汽车(FCV)受到了广泛的关注。该公司所涉足的无源传感器、电阻、电容、电感、继电器、滤波器、蛙鸣器等汽车电子无源器件都在其中扮演着不可替代的角色。
 
确实如此。虽然回顾过去数十年来全球汽车产业的发展,IC在这一领域的应用一直呈高速增长,“然而作为MCU指令的执行、信号采集、传输、记录、保护、优化不可缺少的辅助型功能器件,分立半导体和被动元件市场也并没有因此而没落。同样地,由于必须在苛刻环境下处理日益提高的功率,且更快更为动态地响应微控制器逻辑,与其相关的技术也在不断发展中并持续应用到这一领域中来。”一位不愿透露姓名的业内人士指出。

作为专门从事汽车电子元件代理业务的分销商,北京基创卓越电子有限公司总经理仲春生在这一问题上解释的更为具体:“随着汽车对于动力性、安全性、舒适性、燃油经济性以及环保性能越来越高的要求,半导体和电子执行器越来越多地应用到汽车工业中,在电子执行器中精密的电流检测是必须的,而基于电阻器的电流检测是目前最好的方案,使用高功率密度、高精度、低温度系数、低热电动势的精密电阻对电动执行器实行更为精准的控制,可以有效延长电动执行器如电机的寿命,降低能耗。”
 
当然还不应该忘记功率模块。仲春生另指出:“越来越多的设计中开始采用功率MOSFET和功率模块替代机械开关触点,以便减小体积和重量,降低驱动功耗并结合总线技术减少线束的数量,降低成本,提高可靠性。”不过在这一点上,作为2008年全球最大汽车电子供应商(据iSuppli报告)的英飞凌也许更有发言权。该公司中国汽车电子业务部总监刘鲁伟表示,在汽车电子功率模块特别是大电流高电压功率模块(与以往的12V工作电压下功率模块所区分)领域,英飞凌已经走在了业界其他厂商的前面。他表示,正是在新型高压大电流功率模块技术的帮助下,才得以实现大幅降低排放甚至是零排放的HEV和EV。从这个意义上来说,功率模块已经成为节能减排的核心技术之一。

需要特别提到的是无源传感器在节能减排中的作用。除了能够取代许多机械执行机构,提高效率减少电力消耗外,传感器的采用一方面提高了智能化水平,另一方面也减少了车身自重,降低单位油耗,同样有助于节能减排。

新能源推动技术前进

随着全球传统能源需求与现有储量之间矛盾的突出以及环保压力的因素,新能源汽车已经成为汽车工业的发展趋势。仲春生表示,尽管现在还存在着众多的技术和成本上的障碍,但这并不影响投资者的热情。而无论从性能还是数量上来看,新能源汽车对于被动器件和功率模块的需求都比传统的燃油汽车要高得多,因此如何扩大自身产品在新能源汽车上的应用已经成为上述产品供应商最为关注的议题。
 
北京基创卓越成立于2006年。仲春生介绍,目前该公司为分布在全国的180多家汽车电子相关厂商供应旗下代理的EPCOS、德国ISABELLENHUETTE、NXP、American Zettler等10余家厂商的汽车电子元件。而服务的新能源汽车客户也已有三十余家,并涵盖了整车方案厂商、动力电池组总成供应商以及方案设计公司,主要应用则集中在电池管理和电机驱动两大系统。
 
“尽管高性能MCU和功率模组大量使用,但是被动元件依旧不可或缺,新能源汽车对于关键被动元件提出更高的要求。”仲春生表示,以精密和功率取样电阻器为例,新能源汽车要求能够承受高达300A以上的持续电流,而基于耗散功率的考虑,阻值也不能超过100微欧,另外基于检测精度的考虑,误差不能高于5%,此外还要求具有非常好的温度系数TCR和长期稳定性。
 
另外一个例子是滤波电容。据称,在新能源汽车的动力电机变频驱动系统中,大容量的滤波电容是必不可少的。由于传统的铝电解电容已无法满足汽车行驶时对于振动、温度和寿命各项性能的要求,凭借出色的纹波电流处理能力,薄膜电容开始占据上风。仲春生解释,因为相同的滤波效果下所需电容的容值变小,采用薄膜电容还有助于减少软启动的预充电时间,从而简化电路设计。此外,对于超过500V的高压系统也无需串并联来实现。“不仅降低了体积和成本,在滤波效果、寿命和可靠性方面也有显著的提高。”仲春生说。

虽然元器件数量众多,但是新能源汽车所体现出来的推动力对于功率模块市场可能将是最为可观的。刘鲁伟表示,这主要是因为功率模块一般单价都非常高。“其他器件一般都是1、2个美元而已,但是功率模块的价格根据不同的功率大小,大都在300~1,000美元左右,甚至更高。”他说,“另外仅以中国市场来说,如果政府的新能源计划能够顺利实施,即使一年一万辆车,也将是一笔很可观的数字。”
 
刘鲁伟承认,对于新能源汽车接下来几年的发展态势,虽然许多人都认为将是爆炸性的,但是具体到怎样的速度,目前还很难判断。“主要是因为这个市场太新兴了。”他说,“不过相信这个增长率会比较惊人,当然这还取决于技术的成熟度和政府的推广力度。”

条条大路通罗马

对于许多人来说,“节能减排”概念最为直观的印象就是通过发动机的管理来提高燃油效率,减少油耗,或者就是HEV以及EV的推广。然而正如此前所提到的,这只是节能减排的一部分。事实上,汽车中所采用到的各种被动元件和功率模块都可以通过提高性能来推动节能减排,也就是所谓的“条条大路通罗马”。

看一看几个代表厂商的产品也许能够让我们管中窥豹,首先是ISABELLENHUETTE,前文已经提到,在HEV和EV中,取样电阻的要求已经大大提高,因此传统的霍尔传感器已无法满足在精度、量程和抗干扰等方面的需求。仲春生表示,由其代理的这家德国公司旗下的精密取样电阻就非常适合这一应用,据介绍,ISABELLENHUETTE的取样电阻分为ISA-PLAN和ISA-WELD两个系列,温度系数TCR最低可达20ppm/K之下,精度最低更可达到0.01%, 可以提供的产品电阻的范围从4μΩ到10Ω。
 
以电力电容器、陶瓷元件、声表面波元件以及热敏电阻闻名的爱普科斯尽管已经被TDK收购,但是该公司仍然在以自己的名义发布新品。在助力汽车电子节能减排上,该公司带来的是结构牢固、容值漂移非常低的B3293X系列MKT(金属化聚乙烯对苯二甲酸酯)薄膜电容器。在85℃、空气相对湿度在85%和电源为240VAC的环境下,经受1,000小时的测试后,其最大电容变化仍低于10%,可用于对可靠性要求极高的领域,如汽车电子或电容的非控制性改变可导致电路故障的应用环境。
 
最后要提到的是功率模块厂商英飞凌。刘鲁伟介绍,英飞凌的HybridPACK1和HybridPACK2的IGBT模块就是专为节能减排的HEV和EV而开发的。其中前者最大功率为20kW,面向轻混HEV市场,工作电压650V,额定电流400A。后者最大功率80kW,全混HEV和EV皆可使用,额定电流高达800A。值得一提的是,上述器件不但能够满足HEV和EV对于功率的要求,更可节省30%的占用空间。刘鲁伟称,目前英飞凌和国内主要车厂都有项目正在进行,主要的HEV配套厂,特别是电机驱动部分,都采用了英飞凌的功率模块。
 
英飞凌还将推出650V/600A以及工作电压在1,200V的后续产品。“以国内特别是轿车市场来讲,电池电压基本都在300多伏,650V其实已经足够了。因此1,200V是为了将来电池电压更高的应用而考虑的。”刘鲁伟解释。


国际电子商情2009年10月份文章
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