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混合动力汽车市场起飞在即

http://cn.newmaker.com 10/17/2006 4:38:00 PM 佳工机电网

市场研究公司ABI Research和Automotive Technology Research Group联合发布的研究报告指出，如果今后数年全球油价依旧徘徊在高位状态，2010年美国市场出售的轿车中5~6%将会是混合动力汽车(HEV)。最大胆的预测则来自于Booz Allen Hamilton，它预测2015年整个汽车市场的80%市场份额将会被HEV所占据。另外，虽然目前仅有10多款车型亮相，但著名的汽车预测机构J.P Power则指出，到2011年将会有至少35款HEV车型可供消费者选择。

中外厂商掘金HEV

自1997年丰田公司率先量产全球首款HEV车型Prius后，本田公司也于1999年推出了Civic。欧美厂商则相对慢了一步，直到2004年，福特公司才推出了Escape，这比丰田公司整整晚了7年。而先发优势也使丰田公司占尽先机，截至2005年底，Prius已经累积销售超过45万辆，丰田也因此占据了全球HEV市场近90%的份额。

被吹捧的节油特性是HEV最引人注目的特性。许多驾车者都据此将其视为潜在的购买对象。CNN、《USA Today报》与Gallup公司联合进行的一项调查显示，57%的美国人表示，如果替换现有车辆，他们会认真考虑购买或租用一辆HEV。

不过令人尴尬的是，在2006年纽约车展上，日产汽车公司总裁Carlos Ghosn却指出，HEV已经成为各大汽车公司的赔钱大户。而汽车厂商的亲密伙伴、全球第二大汽车电子供应商英飞凌科技的应用工程师Andreas Volke也表示，尽管与传统汽车相比HEV可降低油耗，但这个受益过程相对漫长。对于那些购买百公里12升或更高耗油量的SUV的消费者，经济因素根本不是问题。“只是在突然之间，经济因素成为混合动力汽车关注的主题之一。”他说。

“实际上，我们更应该考虑HEV所带来的环境效益。”Volke举例说，“如果在公交领域推广HEV——数以千计的公交车几乎每天都要行驶12小时以上，超过几百公里——HEV在刹车、加速、减速时，可以节省大量燃油，并同时减少城市废气排放。另外，HEV扭矩非常高，可带来更多的驾驶乐趣。”

在可预见的美好前景下，尚未进入HEV市场的各大公司正在摩拳擦掌。据称，日产和通用将很快推出自己的HEV车型。而为了抗衡丰田在该市场的强大实力，通用、戴姆勒·克莱斯勒和宝马三家公司还在不久前宣布共同开发能够与前者竞争的下一代混合动力引擎技术。

中国厂商也纷纷加入研发HEV的浪潮。长春一汽、一汽大众、东风、上汽、长安、比亚迪、奇瑞、华普、沈阳金杯、厦门金龙等都在加紧研发自己的HEV。2005年10月，中国《国家混合动力汽车标准》开始进入正式实施阶段，这在一定程度上推动了本土HEV的发展。

专用HEV汽车电子仍显不足

HEV市场不仅为整车厂商带来巨大的增长空间，半导体供应商也成为潜在的受益者。Strategy Analytics报告称，在HEV的成本构成中，汽车电子的比例高达47%，而在传统汽车中这一数字仅为15%。毫无疑问，HEV市场的发展将为汽车电子厂商带来巨大利润。

丰田公司车辆技术本部电子技术部栉田知义指出，用于混合动力汽车的汽车电子主要分为四大类：1、IGBT、Power MOSFET以及用于电源供应的功率元器件；2、面向ABS(防抱死系统)的其他车载元器件；3、高频IC、DSP等面向信息处理及通信的元器件；4、模拟IC及存储器等其它元器件。

飞思卡尔是全球第一大汽车电子供应商。据该公司汽车及标准产品部业务拓展经理康晓敦表示，作为飞思卡尔引擎控制方案的核心，该公司的PowerPC处理器已经占据了动力总成系统市场四成以上的份额。全球最大的5家汽车公司都在所推的HEV车型中使用了飞思卡尔的方案。

飞思卡尔最新的微控制器MPC565能够快速调节相位关系，监控电机的转速和转矩。在变动剧烈的汽车环境中，为了获得稳定的转矩和转速，该公司引入了一个定时运算器单元(TPU)，它能够捕获电机当前位置后对输出通道进行修正，从而得到正确的PWM信号。MPC565兼容PowerPC指令集，而其中的浮点单元则保证了高效高精度的角度、电源矢量以及电机定速的计算。该款处理器的66个通道能够轻松地产生控制脉冲和接收来自运动传感器的各种输入。此外，MPC565还引入了将功率晶体管技术同逻辑功能融合在一起的SMARTMOS器件，该器件与IGBT、MOSFET一同来帮助功率输出。

飞思卡尔还提供了一系列广泛的高嵌入性基于闪存的DSP器件以满足市场对先进电机控制系统的需求。56F800系列拥有40MIPS计算能力的DSP内核，同时还集成了复杂的电机控制专用周边电路。然而，与其他DSP架构不同，56F800内核还收入了许多传统微控制器的软件栈以及一个丰富的控制指令集。结合了微控制器易用性的DSP计算功能使得即使在最复杂的电机控制系统中也能实现高效的控制。

不过，英飞凌科技北美地区技术营销经理Sayeed Ahmed认为，相对而言，IGBT和二极管才是混合动力汽车的核心技术。这与栉田知义的观点相似，后者指出，IGBT是混合动力汽车发动机控制不可或缺的关键器件。

英飞凌科技的应用工程师Andreas Volke表示，由于在电动汽车和汽油车里，控制器仅负责控制一个电动机或内燃机专用系统，而HEV则必须以最佳方式同时控制和操作内燃机和电动机，因此HEV电机控制部分要比单纯的电动车或汽油车更复杂。这就对以IGBT为代表的功率器件提出了较高的要求。

混合动力汽车和电动汽车的动力系对功率半导体和功率模块的要求截然不同。“轻度(Mild)混合动力汽车更多地使用续流二极管，而电动汽车则更多地使用IGBT。这就意味着轻度混合动力汽车的功率模块将采用电流额定值较大的二极管(比相关IGBT大)，而电动汽车采用较大的IGBT(比该二极管大或者至少同等大小)。”

栉田知义表示，丰田公司已拥有所有HEV专用电子器件的自给能力。而在最新一代的Prius上，则率先使用了同时集成温度传感器和电流传感器的自产IGBT。通过引入再结合层技术，成功降低了IGBT的导通损耗。未来该公司还打算通过减小栅极厚度、引入Super Junction结构、采用SiC(碳化硅)材料等技术进一步降低IGBT的导通损耗。

然而，Volke仍然指出，在混合动力汽车所用的控制器、智能功率器件和传感器领域，相对来说产品种类要多一些。但是“大多数组件并不是专门针对HEV开发的，只是能够用于HEV而已。”而在动力系专用模块领域，供应商更少。

未来发展趋势和面临的挑战

来自飞思卡尔的康晓敦认为，低成本的只读存储器(ROM)被闪存所代替将是一个非常关键的趋势。“闪存的灵活性使得制造商即使在汽车出厂的最后几分钟也能够方便地进行功能和控制算法的配置。这样，针对不同市场或者具有各种定制功能的汽车就能够像在同一流水线上进行组装。这对包括设计、供应、制造在内的整个生产链造成的多米诺效应相当显著。”他说，“对于MCU供应商来说，这个趋势也将令他们获益：削减定制化部件的库存甚至完全可以与这些库存说再见。此外，闪存具有的实地可重复编程特性还能够帮助加速软件开发，并使引擎的最终调校变得容易。”

虽然许多汽车厂商已在HEV技术上耕耘多年，但半导体供应商仍然面临许多挑战。“这些挑战包括：为了驱动大型感应电机和同步电动机，需要引入新的42V的电源与原有的12V电源一同工作；而为了转换电机绕组中的交流或锯齿波电压，高性能的微控制器和电源模块也必不可少；此外，微控制器还必须利用各种基于角度和时间的复杂算法来不断根据绕组位置改变电压，同时保持良好的电源效率。”康晓敦表示。

HEV还需要额外的计算特性和许多高压半导体来使电机运行在特定的性能范围并获得最大的效率。这种新型车辆需要在尽可能减少热耗散的同时应付大电流的开关动作，这就向半导体企业提出了要求——必须快速地推出更强更快以及更加智能化的IC器件，以便在大电流条件下保护设备与负载。当然，更重要的是，为了行车安全，动力系统必须能够自动发现错误，并将潜在的问题通知给中央微处理器。

“HEV技术有两大发展趋势。一种是将工业传动装置改装应用于动力系。另一种则是研究HEV的特殊需求，提供针对HEV优化的解决方案。”Volke指出，“两种趋势的主要区别在于可靠性水平，因为他们的应用环境迥然不同。在混合动力汽车里，电子产品必须要能经受环境温度和工作温度的巨大温差。此外，震动和机械冲击也是汽车应用中的一大问题。因此，关键是要了解实际需求，根据需求进行设计，确保达到理想的可靠性和坚固性水平。”

Volke指出，未来几年内IC供应商在HEV方面面临的主要挑战将是不断增加的应用系统功率密度。加之HEV对环境温度的要求也在不断提高。这就意味着未来的组件必须要以更小的体积来提供相同或者更高的功率。“要达到这一点，无论是动力系还是控制部分，都必须集中力量研究电子器件的散热设计。因此，当前主要研究的是先进封装技术，组装技术以及高温半导体。”

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