纯电动汽车时代来临

上网时间: 2015年02月12日? 我来评论 【字号: ? ?小】

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看着比亚迪e6纯电动出租车在身边呼啸而过,我第一次真真切切地感受到了纯电动汽车(EV)时代的来临。比亚迪e6的百公里能耗仅为21.5度电左右,只相当于燃油车1/3至1/4的消费价格,而且电能储备输出的动力非常强劲,10秒内可以迅速将车速提到每小时140公里以上。

比亚迪e6出租版配备的3C充电也基本解决了充电问题,它仅需短短15分钟就能充满80%的电能,即便在家用常规电压220V下也仅仅只需几小时,其续航里程达到了300km,创造了世界纯电动车续航里程最长的记录。

比亚迪e6从启动电池到动力电池都采用比亚迪自主研发生产的ET—Power铁电池,完全丢弃传统燃油动力,做到了真正意义上的“零排放”。纯电动车市场目前面临的两大推广问题是:零售价格还偏高和配套充电站设施还不完善。

比亚迪总裁王传福意识到了第一个问题的严重性,最近一直在公开场合呼吁政府应该在纯电动车市场萌芽期贴补相关企业和消费者,包括今年5月中旬深圳纯电动出租车商业运营投放典礼,但对于中国政府来说,与其推进绿色环保国家的宏大目标相比,这一问题显然已经不能单纯视为经济问题,因此很快中国政府宣布从6月一日起深圳与上海、长春、杭州、合肥等一起成为私人购买新能源汽车补贴的试点城市。

第二个问题其实可以更多地视为一个商业机会。深圳不仅率先在全国宣布从6月1日起正式实施《电动汽车充电系统技术规范》,而且还率先公开了电动车和充电站的运营和建设规划。

纯电动汽车时代来临_《国际电子商情》深圳纯电动出租车商业运营投放典礼_1
深圳纯电动出租车商业运营投放典礼

深圳计划今年年底前投入运营的纯电动出租车达到100至200辆,明年底达到800辆。与此同时,深圳已相继开辟了3条新能源公交示范线,150辆混合动力公交车已投入运营,公务系统也已有20辆双模电动公务车示范运行。

此外,根据《深圳市节能与新能源汽车示范推广实施方案》规划,深圳将在公交(出租)、公务车、家用汽车3个领域对纯电动和混合动力车(HEV)进行全面推广,力争到2012年累计示范推广各类新能源汽车2.4万辆。其中,推广混合动力及纯电动公交车4000辆、双模电动出租车2500辆、双模电动公务车2500辆、双模电动私家车1.5万辆。

纯电动汽车时代来临_《国际电子商情》比亚迪纯电动车充电站_2
比亚迪纯电动车充电站

为了完成上述示范推广计划,满足各类新能源汽车充电的需要,深圳市将投资建设公交车快慢速充电站各25座,公务车慢速充电桩2500个,社会公共慢速充电桩1万个,社会公共快速充电站200座,形成一个汽车充电站(桩)网络体系。

大概统计一下,光深圳就要建设近1万3千个充电站/充电桩,如果再计算上中国其他12个试点城市正在规划建设的充电站数量,以及今后全国范围内的建设新高点,这是非常巨大的一个新商机。据笔者了解,艾默生网络能源已经将此新生市场视为自己未来业务的一个主要增长点,并正在全力开发充电站全套解决方案和产品。相信其它的电源供应商也不会轻易放过这么巨大的一个新机会。

EV/HEV推动引擎控制生态革命

中国目前已经成为全球第一汽车消费大国,而且政府还在积极扶持本土汽车产业的发展,因此中国政府不可能因为汽车尾气引发的环境污染问题而限制这一产业的未来发展空间,唯一的解决方案只能是积极倡导向绿色环保汽车方向发展。

纯电动汽车时代来临_《国际电子商情》曹洪宇:混合动力车将在5年后占领约5%市场份额_3
曹洪宇:混合动力车将在5年后占领约5%市场份额

英飞凌科技(中国)有限公司汽车电子业务部高级市场工程师曹洪宇也认为:“汽车的未来属于新型节能环保技术,混合动力车将在5年后占领约5%左右市场份额。”

尽管纯电动车实现了零排放,从环保概念上说它是未来最理想的发展方向,但在充电站数量尚未完全到位以前,以及消费者对其可靠性的信心未充分建立起来以前,混合动力汽车仍将是消费市场的主要选择,其市场发展增速肯定将超过纯电动车。

混合动力车和电动车的引擎与普通燃油汽车非常不同,因为它们需要大功率的电池系统,输出电压也高达上千伏,这为电池的充放电管理带来了很多新的难题,传统的汽车引擎供应商已经无法解决这些问题,必须引进一些新的引擎控制供应商,于是汽车引擎市场几十年来一成不变的生态开始发生变化,新的商机也由此而生。

纯电动汽车时代来临_《国际电子商情》康晓敦:混合动力和电动汽车推动了引擎控制的革命性发展_4
康晓敦:混合动力和电动汽车推动了引擎控制的革命性发展

飞思卡尔半导体汽车电子工程经理康晓敦指出:“混合动力和电动汽车正在引发引擎控制理论和系统的革命性发展,因为传统的引擎再改进也离不开燃油。”

ADI大中华区汽车电子商务经理李防震也表示:“混合动力汽车的引擎系统有别于普通燃油汽车,它的引擎控制难点包括内燃驱动和电机驱动的协调匹配、电池的管理和高压的隔离等。”

纯电动汽车时代来临_《国际电子商情》李防震:混合动力引擎控制的难点包括大功率电池管理和高压隔离_5
李防震:混合动力引擎控制的难点包括大功率电池管理和高压隔离

“普通内燃引擎控制系统只负责把引擎调校到驾驶周期并优化内燃程序本身,但HEV中的内燃引擎控制系统却要同时顾及作支持用的电力电机和推动系统。”国际整流器公司(IR)汽车产品业务部副总裁及总经理Henning Hauenstein说,“混合动力引擎控制的优化比纯内燃引擎汽车涉及更多的参数,也更复杂;内燃引擎和电力电机的引擎控制之间的通讯和优化,将随着有关设计越来越精密而变得更重要。”

混合动力车的出现开始推动引擎控制系统软件的更新换代。“传统的引擎控制单元用户输入只有驾驶者加速踏板的动态,由ECU调节动力和扭矩输出,混合动力ECU将增加从和主控ECU的通信功能,听令于主控ECU的调节指令,再控制发动机单元的转速和扭矩输出。”曹洪宇认为,引擎控制的复杂度增加对系统软件的安全性也提出更高的要求,需要更加可靠的手段来相互校验,判断通信和指令的可靠性以及传感器信号的完整性。

纯电动汽车时代来临_《国际电子商情》杨峥嵘:内燃汽车能源效率还可提高约30%_6
杨峥嵘:内燃汽车能源效率还可提高约30%

内燃引擎效率仍有提升空间

尽管混合动力车和纯电动车是未来的汽车发展大趋势,但它们短时间内还有很多优化、改进和验证的问题。

Henning Hauenstein承认混合动力汽车是趋势,但他提醒说,内燃引擎本身的效率仍未优化到最佳,而混合动力车的流行还需要时间。他建议汽车电子相关企业应努力提升现有引擎的效率。他说:“内燃引擎的燃料效率和气体排放量的改进,与混合动力汽车的发展同样重要,甚至更为重要。”

瑞萨电子汽车电子产品中心高级专家杨峥嵘引用国外研究部门的研究加以说明燃油汽车效率还有可开发空间。他说,通过汽油机缸内直喷(DI)、柴油高压共轨(CRDI)、多气门、可变气门正时(VVT)以及排放后处理技术的挖掘能使能源使用效率可以提高约30%。因此,在重视对新能源汽车开发的同时,对传统汽油、柴油发动机汽车的开发研究仍然具有很大的实际意义。

事实也的确如此。目前全球主要的美国和欧洲汽车市场都提出了更严格的节能减排对要求,美国规定了汽车每单位汽油行驶公里数的最低标准,欧洲则对超标排放汽车征税,到欧盟出台汽车碳排放法案之后,不能满足欧IV排放标准的汽车很可能将不能上路,可见节能降耗已经不再是一句口号,世界各国开始量化标准,并将其作为汽车行业必须达成的硬性指标。

其实燃油效率和尾气排放是相关的,引擎中的油气燃烧得越充分,燃油效率就越高,尾气含有毒气体的量就越小,而帮助引擎控制单元控制燃烧效率的一个关键元件就是氧传感器。博世汽车部件(苏州)有限公司汽车电子部高级应用工程师张立红也指出:“要过欧IV尾气排放标准,必须使用氧传感器。”目前博世在上海投资建设的上海联合汽车电子公司就在生产氧传感器。

奔驰汽车厂也在积极改进引擎控制以降低油耗。“就在最近,我就坐过一辆因引擎控制软件升级使油耗降至5.6l/100km的奔驰车。”Ramtron公司汽车电子部专家Duncan Bennett亲身见证了汽车油耗的变化。

汽车引擎进入直喷时代

汽车的革命极其迅猛,当本土厂商在突破电喷技术瓶颈的时候,国际厂商又超前迈进了一步,开始主攻缸内直喷、可调节动力引擎、柴油机共轨直喷技术、可变气门定时技术(VVT, Variable Valve Timing)。

IR多年以来一直大力支持发展高能源效益电机,凭借其在80-100V电压范围汽车用高电压驱动IC及功率开关方面的硅工艺知识和专有解决方案,能提供实现直接燃料喷射所需的功率管理方案。

“这是一种对内燃程序来说看似‘自燃’,也是最直接改善内燃程序的方法,毋须为引擎增添很多复杂的设计。”Henning Hauenstein解释道,这种方法就好像喷墨式打印机里的压电晶体,要把最小的墨点以非常高的精确度射在纸张上去达到出色的图像解像度。所以同样地,内燃程序可以通过把喷射燃料滴点和控制气缺内的燃料─气体分布来把内燃程序的效率尽量提高。IR拥有很多喷射零件的专业技术,足以保证这些零件的设计要求可以在最大压力下非常精确地喷射燃料点滴。

纯电动汽车时代来临_《国际电子商情》Henning Hauenstein:内燃引擎效率仍未优化到最佳_7
Henning Hauenstein:内燃引擎效率仍未优化到最佳

Henning Hauenstein进一步指出,现在引擎控制的发展趋势是提供可调节的引擎,按驾驶情况适时为汽车和驾驶者供应适当的动力水平。“如果汽车以平稳的速度行驶时不用增加动力,汽车便可以执行断缸,或者可以调校控制个别气门,从而把某些驱动周期中的内燃程序尽量减少。”

此外,他还提醒引擎系统设计者注意,空气与燃料的混合也可根据是否需要动力,是否可以最低气体排放为目标来做出精准的调节。例如,当汽车驶过拥挤的城市,排放量就可以通过牺牲部分动力来减少,而当在人口稀少的地区高速行驶时,汽车也可以让驾驶者操控更多动力。

“这不但可以帮助驾驶者经常获得所需的最高汽车性能,也可以把燃耗降到最低,所以对汽车用户及我们的环境来说是双赢的格局。”Henning Hauenstein说。

在欧洲和全球,分别有1/2和1/3的发动机管理系统采用英飞凌MCU进行控制,擅长发动机管理的英飞凌对引擎控制未来走向的看法值得关注。曹洪宇总结道:“缸内直喷技术将是汽油机的发展重点,共轨柴油机技术、直喷汽油机、Turbo增压、阀门控制技术会对发动机产生直接的效应。”

他说,从系统功能的角度来看,高效环保的柴油机共轨直喷技术可能会显露出更强大的生命力,在欧洲已经有约45%左右的系统采用柴油机。未来增压(Turbo)技术将更加普及,4缸系统6缸系统将占领更大市场份额,阀门控制技术如VVT会大量采用。

直喷引擎要求双核MCU

作为汽车引擎控制的主要MCU供应商,英飞凌感受到系统复杂度的提高对于功率驱动和主控芯片的新要求。“MCU运算能力将大大提升,现在主流80MIPS提升到150MIPS甚至更高,需要取得强大运算能力和功耗的平衡。”曹洪宇说,“双核MCU将在汽车电子市场崭露头角。”

纯电动汽车时代来临_《国际电子商情》Duncan Bennett:F-RAM的耐久性常被用于对错误日志、引擎耗损等信息的记录_8
Duncan Bennett:F-RAM的耐久性常被用于对错误日志、引擎耗损等信息的记录

引擎控制系统的商机在以车用传感器见长的ADI眼中又是另一番光景。“随着排放标准加快更新,以及涡轮增压、缸内直喷、高压共轨等创新的引入,带动了整个系统的全面升级,包括更强大的ECU、更复杂的控制策略和软件架构、更精确的传感器测量、更精确的执行器控制等,同时也催生了更多的新型传感器和执行器。”李防震对车用传感器的未来踌躇满志。

虽然英飞凌也有传感器业务,曹洪宇的观点却和李防震相左。他认为,随着MCU和周边功率器件智能化的日益完善,新型智能传感器(如数字接口的传感器芯片)将慢慢走入历史舞台。

他还提到,随着系统功能逐渐增加,随之而来的在线故障检测功能(OBD)也日趋完善,从OBD-I向OBD-II等更高级别的智能检测功能发展。“由于引擎功能提升加上OBD复杂性提升,需要更大RAM和Flash空间,90nm甚至65nm技术也将首先应用于汽车动力引擎控制中。”

可见,电子器件“入侵”汽车是全方位的。“从传感器到高速处理,乃至驱动执行器的功率半导体,各种技术都十分重要。”Duncan Bennett特别指出,Ramtron提供的非易失性F-RAM存储器具有读写次数几乎无限的耐久性,以及写入速度快和功耗低等优势。引擎控制设计人员可以在生产期间利用这种快速写入特性来创建所需的查找表,从而缩短写入时间并节省成本。而F-RAM的耐久性常被用于对错误日志、引擎耗损等信息的记录。

发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器,控制引擎必须顺畅地和各部件沟通,因而也催生了车内通信芯片的发展。曹洪宇指出,“混合了电源的CAN/LIN收发器以及多种功能于一身的单芯片方案也将进入研发阶段,使系统构架更加简洁,整体BOM数量减少,减小PCB板面积从而节约系统成本。”此外,从功率器件来说,智能型多通道驱动芯片将大行其道。

汽车引擎控制的绿色化趋势

低效率、污染大的传统汽车机械系统显然已经跟不上环保的潮流,汽车与电子技术已越走越近,电子产品在整车成本中所占的比例也越来越高。动力系统作为汽车中消耗能源的大户,也因此而被列为节能降耗的主要对象,而电子化是行之有效的方式。“要满足日趋严格的法规要求,单纯改进发动机机械结构的方法已经不够,需要使用更先进的电子控制系统。”杨峥嵘一针见血地指出。

在汽车行业,不断上涨的油价和日益严格的排放标准让汽车制造商追求更高燃油效率的汽车,也让制造商发现半导体在提高燃油经济、减少排放、提高安全和保持最低总成本方面起到非常重要的作用。康晓敦指出:“汽车电子化对引擎控制的影响主要体现在走向绿色化。”

以往,传统的两冲程发动机中的30~40%的燃油没有燃烧就直接排放到废气中;通过电子燃油喷射可以减少大约75%的一氧化碳排放和大约90%的碳氢化物排放,与此同时,燃油使用也可以减少35%。节能减排的效果可以说是立竿见影。

回顾汽车引擎的历史,从冒黑烟、燃烧不完全的化油器到降低排放和油耗的电子控制汽油喷射式发动机,半导体技术在其中扮演的角色不容忽视。“在最先进的引擎控制单元中,你会发现差不多任何种类的半导体器件。” Henning Hauenstein列举出引擎系统中的半导体器件:微控制器、数字信号处理单元、存储器、数字通信器件、传感器和致动器。

“现代的引擎再不是一个刻板的系统,而是能利用致动器与电机根据不同驾驶情况汽车及驾驶者当下的需要够提供广泛的动态调整,进而优化内燃引擎。”Henning Hauenstein补充道,断缸、可变气门控制以及非常先进的喷嘴零件帮助内燃引擎尽量发挥燃料和内燃过程的作用,同时藉着只使用所需的动力而不用引擎持续以最大动力运行,把气体排放降到最低。

“丰田门”告诉我们什么?

刚爬上世界头号汽车供应商的丰田汽车公司就爆出“召回门”,其老大位置不保几乎已成定局。即使丰田社长丰田章男否认汽车电子系统故障,但围绕丰田汽车电子控制系统缺陷的调查仍在美国继续。丰田抵死不认汽车电子系统出问题的原因除了高额的美国消费者集体诉讼赔偿外,还在于要追踪一个电子系统问题远比找到一个机械问题更困难。“丰田门”所暴露出的问题将随着汽车电子设备数量的增加而日渐上升,芯片供应商必须警惕汽车电子化对器件性能的挑战。

提高器件精度成为电子引擎的提升方向之一。李防震认为,提高引擎精度涉及多种器件,包括精确测量气压、油压、温度、燃油品质、废气成分等的传感器、精确控制信号波形调制、电流/电压/行程的执行器以及更快速的CPU处理能力。

用“既要马儿跑得快,又要马儿不吃草”来形容引擎控制兼顾高效率和低排放的严苛要求最合适不过了。不仅如此,引擎作为汽车的心脏还必须耐用,可靠性在所有汽车电子部件中排首位,而汽车引擎的工作环境却称得上倒数第一。

Henning Hauenstein指出,为了提高引擎的精密程度,传感器和功率管理器件就得贴近引擎。由于应用环境是在汽车引擎罩中,内燃引擎会因为运行而变得非常热,同时也会振动得很厉害,所以和引擎相关的半导体器件必须非常耐用。

“也因为这个原因,把先进精密的引擎控制零件应用在这种环境,还要它们长期保持精度和可靠,实属不易。”Henning Hauenstein感慨地说道。

IR为高功率开关提供完全无键合线的解决方案,避免设计人员在汽车功率或者温度周期压力下出现常见的键合线故障,可承受极大的压力和恶劣的环境,帮助OEM及系统供应商满足其产品保养和寿命要求。

高质量固然是半导体供应商进入车厂的敲门砖,但汽车行业激烈的竞争通过车厂把价格压力转嫁到半导体供应商的身上,低成本也是车用电子器件必备的要素。杨峥嵘指出,“高质量,低成本”是汽车行业的定律,只有工艺更经济、功能和性能更贴近实际需要的产品才能生存下来。

本文为《国际电子商情》原创,版权所有,谢绝转载


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