电子:新能源汽车的强力推进者

摘要：多家市场及元器件、测试测量企业的从不同角度分析了新能源汽车为电子业带来的机遇与挑战，并介绍了一些最新的技术、产品和方案。

关键词：新能源汽车；电池；半导体；被动元件；测试

市场篇

汽车电子市场概貌

赛迪顾问汽车电子产业事业部总经理兼高级咨询师徐鹏首先介绍道，电子产品的大量应用一直是汽车节能减排的重要推动力，在过去30年中，电子技术在汽车中的应用使得其燃油效率提高了70％，动力电子控制系统通过SIDI(火花点火直接射油)、VVT(可变气门)、混合燃烧、涡轮增压/快速充电优化汽油引擎等技术，在改进动力效率方面起到了重要作用；汽车总线技术使汽车形成一个网络，大大减少了汽车的线束重量，在推动汽车轻量化的过程中减少了能源消耗：通过TPMS产品时刻监测汽车胎压状态，避免了汽车因为胎压不足而白白损失的能量：此外，震动与热能能量回收技术、智能导航驾驶协助技术等新产品也在陆续应用于汽车中，将不断地持续提升汽车能量的利用效率。事实证明，汽车节能、安全、舒适、娱乐等功能的改进，电子产品在其中所起到的作用越来越重要。

2009年，中国汽车产销量跃居世界第一，同时乘用车电子产品配备率相比五年前翻了一番，达到20％左右，从而推动中国汽车电子产品市场规模达到1629.6亿元，同比增长20.4％。作为汽车电子产品的上游，2009年中国汽车电子类集成电路市场规模也达到114.9亿元，同比增长16.3％，其中模拟IC、MCU以及ASSP芯片是市场中的主力军。

新能源汽车被倾注了巨大热情

目前世界各国政府在推动新能源汽车以及相关技术发展中倾注了巨大的热情。支持力度前所未有。据德勒的统计，全球各国在经济刺激计划中，共有440亿美元投向新能源汽车，其中美国投入最多，达到274亿美元，其次是法国，达到85.4亿美元，中国政府也在4万亿投资中投入15亿美元推动新能源汽车的发展。新能源汽车作为未来汽车产业的发展方向，吸引了各国政府与大批投资者，而电子技术的发展将新能源汽车的发展从蓝图变为现实，成为市场发展的强力推动者。

动力电池性能的改善，电机材料与性能的提升，功率器件技术的发展，车用MCU计算能力的大幅提高……一系列的电子技术的发展使得电驱系统能够在可承受的成本基础上满足消费者的驾驶需求，推动混合动力汽车、插电式混合动力汽车以及纯电动汽车为代表的电驱汽车在市场中取得成功，目前混合动力汽车在全球市场中已经占据了明显的优势，得到了消费者的认可和喜爱。而汽车的动力系统被电子产品替代，力耦合管理系统、电池组与电池管理系统、电机与电机驱动系统、整车动力控制系统、大功率模块等关键零部件的应用，使得汽车电子产品在整车中的成本率快速提升。以20万元级别的纯电动版乘用车测算，成本率达到50％以上。此外，电驱汽车面向汽车产业未来的产品，在设计中不会仅仅是目前车型的简单改装，越来越多的新型汽车电子产品与技术将应用其中，如智能导航系统、多功能数字化仪表、多媒体娱乐系统、远程信息服务系统、汽车气候控制系统、驾驶员综合辅助系统等，这些产品在提升汽车安全、舒适与娱乐功能的同时，也能帮助驾驶员改善驾驶习惯，从而达到节省能源的目的。而汽车配备如此之多的电子产品将带来功率不断提升，新能源汽车发展所带来的汽车动力电气化的趋势，为电子产品技术在汽车中的应用提供了良好的载体。

目前全球新能源汽车销量占总销量的不足1％，全球新能源汽车产业发展才刚刚开始，对于相关电子技术的发展创新与应用创新来说仍有巨大的空间。例如动力电池由镍氢向锂电池方向发展是趋势，这对于锂电池技术而言，意味着巨大的发展空间，例如负极材料向硅基发展、固态锂电池技术等都将大大提升现有锂电池的性能，芯片、电机、传感器、控制系统等零部件性能都存在巨大的提升空间，而新技术、新产品也将不断被应用到汽车中。

我国新能源汽车电子的特点

特别对于中国这个新能源汽车年产量仅在5000辆左右、产业发展刚刚起步的国家来说，在业界频繁作秀和大跃进式发展的背后，存在着决定新能源汽车性能与成本的关键电子、关键技术与产业化能力不足的现象。从电池材料与制造工艺、大功率功率器件与模块、多路电池管理芯片、高精度传感器、高速车用集成电路等基础电子产品的研发与生产，到混合动力耦合装置、车用动力电池模组、电驱变速箱、电动车用仪表盘等新能源汽车电子零部件的产业化与检测技术，再到电动汽车设计与制造、公共配套措施建设等汽车制造与使用环境，都尚未对即将到来的新能源汽车发展浪潮完全做好准备。新能源汽车电子技术的缺乏，汽车工业与电子信息产业之间的合作机制尚未形成，产业与技术发展路径仍在跟随国外，产品发展以车辆改装为主的发展现状，都在阻碍着我国新能源汽车产品和技术水平处于全球领先水平这一战略目标的实现。

电子技术在推动汽车产品发展的过程中所起到的作用越来越明显，逐渐从促进性能改善的“配角”地位成为决定发展方向的“主角”，电子技术与机械技术融合发展的趋势愈发明显，汽车工业与电子信息产业协同发展成为必然选择。

新能源汽车的核心技术

龚进峰是中国汽车技术研究中心首席专家，同时也是汽车工程研究院副总工程师兼电子部部长。他对新能源汽车，尤其是纯电动汽车和混合动力汽车指出如下认识(下述新能源汽车仅指纯电动汽车和混合动力汽车)。

国家新能源汽车生产准入强调三大核心技术：电机及电机控制器、电池及电池管理系统、整车控制系统。其中动力电池技术是全球新能源汽车所面临的一个共同技术难题，从铅酸电池、镍氢电池到锂电池，电池的比能量阶梯型提升，但纯电动车的续时里程仍然无法与传统汽车相比(从比能量和比功率的角度看)。因此，动力电池技术是新能源汽车面临的技术瓶颈。另外，即使人们可以接受目前的纯电动车续时里程，充电站布局、数量等基础建设也需要配套到位。同时充电时间的问题，充电接口标准化的问题等都需要解决。

新能源汽车的另一个关键技术问题(针对混合动力汽车)，就是发动机管理系统的自主开发和应用。目前国内混合动力汽车的发动机主要是借用传统汽车的发动机，基本上是通过控制节气门开度来实现发动机和电机的动力混合(也包括发动机的启停技术)，没有从根本上专门开发专用的混合动力汽车发动机控制系统。

总之，新能源汽车的动力电池技术和发动机技术是仍需解决和提升的关键所在。对于中国汽车技术研究中心，更关注汽车标准化和EMC(电磁兼容)等问题。

至于新能源汽车的未来毋庸置疑。肯定是主要的发展方向。因此在未来汽车中，新能源汽车的数量和地位会不断提高。随着新能源汽车技术的成熟和国家对新能源汽车鼓励政策的出台和落实，新能源汽车的市场会逐步打开，尤其是在“十城千辆”城市展开。

IC与半导体

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认为，新能源汽车无疑是目前全球关注的焦点话题之一，丰田公司的普瑞斯如今已经销售过百万辆了。而中国也正在掀起了一股产业研发热潮，从政府补助到市场引导，都在大力培植这个新兴市场，预计2015年各种车型将占整体5％左右。反观这些车型背后，来自半导体公司的技术支持尤为重要，同时巨大的新能源车市场预期带给整个业界不少挑战和机遇。

主要的挑战来自两方面，一方面是传统汽车电子系统和新系统之间的协调工作：同时还需要在成本可控的条件下，满足汽车电子在复杂应用环境下的可靠性要求。

广义新能源汽车在系统结构上和传统汽车有很大区别，其中最重要以及最核心的部分就是动力驱动系统的革新。以混合动力车为例，它不仅仅是电机系统占总功率百分比的数值差异，重要的是量变引起的车辆结构的变化。微混合系统一般实现起停功能，全混合系统则要求车辆在没有发动机动力的情况下依然具有一定的续航能力。由于系统的耦合度大大增加，全混合系统结构更为复杂，对设计带来更多挑战。而纯电动汽车更是可能引发车辆系统颠覆性的革新设计，从质量分配、动力传输到车辆安全性，都将可能产生全新的设计理念。

英飞凌在电机控制、发动机管理、变速箱控制、电池管理和混合动力HCU(整车控制器)等都有相应硬件参考方案，能为客户提供一站式半导体解决方案。

以新能源车的核心一动力总成系统而言，英飞凌推出了两款汽车级大功率IGBT模块，专门应用于车载电机驱动。高功率密度的汽车级模块HP1(HybridPack 1)和HP2(HybridPack2)以超小的体积，切合汽车系统空间的局限性。

HP1重485g(72×140×17mm)3半桥合一的设计，650V 400A最大驱动能力，适用于20～30kW以内电机应用。HP2(106.5×48.5×20.5mm)重量1250g，更是以特别的直接水冷式散热设计，以650V 800A模块满足80～100kW的电机应用。

根据市面上不同电机功率扭矩和工况的要求。英飞凌将在2010年底推出一款200A电流和HPI相同封装的产品，以及600A电流和HP2相同封装的产品，形成两个产品系列，能满足从10kW～100kW的各等级电机系统的功率需求。

除此以外，还将在明年推出两款超小型easy-B模块，适合3～10kW以下车载电池充电器、电动空调或EPS等应用。

飞思卡尔中国区汽车电子工程经理康晓敦说，电动汽车大致可以分为三类：混合动力、燃料电池和电动车。电动汽车存在着一个通用性的问题一电池。由于目前存在的电池方面的种种问题，未来能够实现量产的可能性最大的就是混合动力车。混合动力与传统发动机相比在技术领域增加了三部分：整车控制；电池管理；电机控制。

从目前技术来看，电池技术是混合动力汽车和电动车的关键所在。既使是市场呼声比较高的混合动力汽车，电池的成本也占到了整车的1/3以上。而且还有重量、可靠性、寿命等诸多问题需要解决。磷酸锂铁电池技术应该是解决方案中较好的一种。但涉及的以上问题也还是需要进一步改进。燃料电池是另一种技术，因其技术成熟性、燃料(主要是液态氢)贮存和控制方面的问题，可以说还不能马上成为成熟的量产产品。而对纯电动车的混合动力来讲，电池的成本、重量、可靠性、寿命、包括充电问题将是政府、汽车公司所面临的主要问题。当然因为电动车的环保优势，各国政府均在采取鼓励政策。我们也希望电动车市场能够尽快有长足的发展。

最新的电子动力系统控制技术已经证明可以帮助降低排放量、提高燃油效率，并将更多引擎动力传输到路面。飞思卡尔在电子汽油发动机管理领域具有优势、提供先进的嵌入式控制器、传感器技术、动力管理组件和动力制动器驱动，使新车辆更加经济，并保护环境。而且飞思卡尔将继续把引擎控制技术引入到新兴应用中，如混合车辆控制和普通线路的柴油发动机管理。

飞思卡尔对国内重要客户的支持(如比亚迪等)包括技术交流、产品定价等，同时与奇瑞和东风合作的汽车电子联合实验室，并且未来还将扩展到其它整车厂商。此外，飞思卡尔还与清华大学、同济大学和上海交大等高等院校进行相关的合作和研究。

电源与电池技术的创新

ADI大中华区汽车电子商务经理李防震认为，新能源汽车的主要难点在于电池管理和电机控制系统。电池技术是新能源汽车的重要驱动力，亟待降低成本。同时国家相应配套的基础设施如充电站要尽快普及：国家还应该要出台相应的政策法规鼓励和规范这个正在发展中的行业，以方便以后大规模的批量生产。针对电池管理和电机控制系统这两个技术难点，ADI推出了锂电池监控和保护系统产品，该系统集成锂电池安全监控器，可以帮助用户实现故障安全电路，并为之构建安全环境的安全监控器件。这款全新的监控器为设计师提供了他们开发完整电池监控和保护系统前端所需的最终解决方案。AD7280/8280为集成式解决方案，每片AD7280/8280可监控六个电池单元的工作状态。该器件由电池组供电，可以针对过压、过温或欠压这三种状况中的任何一种提供共享式或单独式报警。此外还包括了其他主要的元器件：例如隔离等等。这一套锂电池监控和保护系统解决方案可以应用于能源、工业和汽车应用的锂电池监控和保护系统。在电机控制系统中，ADI的DSP(BF50X)系列产品和旋变(AD2S12XX)是专门为这个应用而设计。

基础元件、材料、EMC暗室设备

2010年是中国新能源汽车的启动年，预期真正大规模发展在2020年左右。TDK汽车电子营业总经理兼董事榍屋雅隆说：“从2008年开始世界新能源汽车启动，预估每年将以百分之两位数增长。2020年世界新能源汽车的份额将达45％左右。”

燃料电池、HEV(混合电动汽车)、P-HEV(插电式混合电动汽车，即可用家用外接电源充电)、EV(电动汽车)等在高速发展，不过增长最快、超过上述新能源汽车数量总和的却是一种利用汽油和柴油发动机的改良汽车(有人称轻混合，也有称启动/停车技术)，这种车在汽车等红绿灯等临

时停车时也将自动熄火，在车启动时又自动打火，这样可大大节省汽车在空转时的排放。而HEV被列为市场份额的第二位。

中国新能源汽车的发展，要归结为中国政府对环保汽车的大力推动。同时，中国政府也鼓励中国本土企业自主研发。纵观中国本土企业在汽车电子上的研发，2007年在车载信息娱乐方面做得最多，部分企业能做车身和马达系统，2009年中国本土企业也开始涉足安全方面，并且在车身和马达方面国产率更高。

为了本土化，国产新能源汽车需要在关键系统和ECU方面自行设计，因此预期会大量采购高效的DC-DC转换器、电流传感器，汽车充电器，以及铁氧体材料、MLCC(多层陶瓷片式陶瓷)等被动元件。

已经成功地为本田、丰田的HEV车供货的TDK，期待在华也能够为中国本土企业提供优质解决方案。TDK的产品特点，一方面为环保事业做贡献(例如推动新能源汽车发展)，一方面产品追求小型化、精细化、高性能、材料环保。

EMC(电磁兼容)电波暗室方面，TDK已经有30多年的铁氧体材料经验，10余年的EMC电波暗室经验，在全球已建成上千个：在中国三年间也建立了65个。电波暗室的核心技术是外部全部要贴铁氧体材料，而铁氧体技术正是TDK的长项。TDK磁产品事业部技术服务中心高级应用工程师一村濑圭子女士说，TDK暗室的特点是屏蔽性高。应用主要是两方面：一方面是检测认证中心采购：另一方面会被大中型企业采购，用于产品研发阶段的检测等。

“新能源汽车是Vishay定位的未来极具增长潜力的4个重要市场之一(除此之外还有风能/太阳能、LED照明和超薄移动家电)。”Vishay(威世)亚洲区市场开发技术应用总监杨益彰在7月6日于北京举行的记者会E宣布。

“2010年是中国混合动力车和电动车的起飞年。尽管目前销售量还比较小，但是我们相信良好的设计会引领销售的。”杨益彰自信地说。

Vishay综合了几家市场调研机构的研究结果后，得出如下平均预测数据：2009～2012年，混合动力汽车的年复合增长率为20％：2012年，50％的新能源汽车将采用启动/停车技术。Vishay在启动/停车方面的应用实例有：电解升压电容器、PowerMetalStrip检流电阻、MOSFET和IITMBS肖特基整流器、电感、高分断电压断略器等。

对于混合动力汽车的逆变器、电机控制和动力电池组管理，Vishay将提供薄膜电容器模块、IGBT模块、分流和放电电阻、MOSFET和固态继电器等器件。不同品质的基础元件效果是有差别的，就像一杯水你喝不出味道，如果加热或者加冰，你就会很舒服。以电阻来说，电阻的核心是材料，简单的电阻技术里面加入不同的材料会使电阻成为高技术，例如精准度提高。

在电动车的使用过程中，电池的充电时间非常关键，能否快速完成对电池的充电关系着消费者能否更早地接受这种新能源车。由于Vishay的逆变器方案具有可定制、开关和热性能方面的特点，采用Vishay逆变器方案的一款比亚迪汽车能够实现10分钟充电80％的高效率，这和消费者在加油站等待的时间相当。

现在虽然有很多集成电路(IC)，但分立器件在新能源汽车上具有不可替代的优势。IC受到包括最大电流等供电能力的限制：很难集成电容器和电感器等储能器件：高精度电流检测需要分立式外置分流电阻：IC内部的瞬态保护功能过于薄弱：难以承受很高的工作温度；包括引脚兼容在内的电路板设计灵活性有限：难以集成用于精确和稳定输入信号的分散式智能传感器。

电源保护器件的创新

泰科(Tyco)电子上海瑞侃电路保护部应用工程师郭涛介绍了电源保护器件的重要性。在做混合动力开发的时候，国内的汽车公司面临的挑战有许多，其中混合动力车在包括车辆传动系设计，车身电气环境等方面较传统内燃机动力汽车相比都有较大不同。由于电流冲击、电压波动的增加，车内各种功能控制电子单元面临的电气环境更加复杂，对保护器件、保护技术要求也会更加苛刻的。

由于新能源汽车开发的复杂性、系统性，未来主机厂和零件厂的合作开发是大势所趋，尤其是在电气保护方面，需要在前期保护器件厂商就能够配合参与设计，根据实际应用环境提供合适的保护产品和方案。国内开发新能源汽车也具有一定的优势，例如，与传统内燃机相比，我们跟国外公司在混合动力技术方面的差距并不是很大，起点上比较接近。而且政府对企业影响也很重视，容易平台化体系建立，包括资源联合攻关。

泰科电子电路保护部基于PPTC(聚合物正温度系数)保护技术开发的PolySwitch系列过电流保护产品已应用于包括电池、汽车、电子、电信等多个领域。由于汽车用锂离子电池体积大，其散热性变差，安全性大幅下降，如何解决该问题十分重要。在锂电池保护方面，PolySwitch多数和电池芯串联在一起，可有效进行短路、过充、过放、过温保护。在温度监控方面，锂电池组也可采用PolySwitch对单节电池温度进行监控。

测试测量

泰克中国渠道分销经理程峰介绍道，汽车电子关乎目前汽车设计的三大市场挑战，即如何满足生态(环保)、更舒适方便和增强安全性的要求，而围绕解决这些挑战的系统和子系统正是目前汽车电子设计的热点和难点。

动力系统无疑是汽车的心脏，而与动力系统相关的电子电路的高质量稳定运行将很大程度上决定整车的性能表现，其中既包括通过ECU实现的电子控制部分，还包括汽车电源电路，由于需要提高汽车的能耗效率，因此电源系统变得更加复杂，特别是新能源汽车。混合动力和清洁燃料柴油机技术要求高级电子控制系统，保证安全及环保。

利用ECU控制基本汽车系统和非基本汽车系统正成为新的行业标准，这些ECU基于数字技术(MCU、FPGA等器件)，要求更深入地了解复杂的定时和信号完整性问题。

针对上述汽车动力系统，泰克提供了一套完善的解决方案。汽车ECU根据放在汽车各处的传感器传回的数据实时计算信息，确定最佳的引擎控制参数值。由于ECU内置到汽车引擎室中，噪声环境更加恶劣，同时由于对更高频率的分析需求也在不断上升，特别是对微秒级、毫秒级以及甚至纳秒级瞬态信号或尖峰的抗扰能力，对传统示波器和探头分析纳秒级的高频噪声提出了挑战。针对部分工程师希望利用信号源进行动力系统ECU现场仿真测试。泰克提供了基于信号源的测试方法，例如利用AFG3000系列函数信号发生器仿真各种汽车传感器信号，如压力、温度、速度、旋

转和角度位置，对汽车应用中的引擎控制单元进行功能测试和优化。

汽车电源电路的测试与其他电子系统上的电源测试类似，需要进行包括开关损耗、传导损耗、平均功率损耗以及安全工作区(SOA)在内的主要性能测试。目前，业界已经具有完整、方便易用的电源测试解决方案，例如泰克公司就提供了完整的集成电源分析解决方案DP04PWR和DP03PWR电源分析应用模块，可实现开关损耗测量、安全工作区、谐波、波纹、调制、转换速率等全面的测试，并能实现自动测量功能，可简化汽车电源应用的功率分析工作。

上海横河国际贸易有限公司大客户部部长陈林认为，中国在新能源车方面已经和世界汽车第一集团的脚步一致了，做得好可能会“弯道超车”，中国的汽车行业很可能由此实现飞跃。

新能源电动车分为纯电动/混合动力/燃料电池车，目前来看混合动力车较能满足近期的市场发展。当然纯电动车更符合新能源电动车的未来要求，中国已经开始在几个城市里建立新能源车的充电站，这对于未来实现纯电动十分有利。但由于电池技术的解决和充电站建设都还需要时间，因此近期普及可能会遇到问题。

新能源电动车与传统车相比有了很大的不同，特别是在电子方面有了较大的提高，因此必须进行很多电气测试和分析工作，工程师对控制驱动单元/电机/电池等关键部位的测试需要符合电动车特点的测试仪器，其测试精度和数据采集的要求越来越高。

日本横河电机(YOKOGAWA)的解决方案较多考虑了汽车测试的需求。横河公司的功率分析仪在变频器、电机、电池功率测试、效率评估以及电能能耗测试等方面擅长，独特的快速分析和精确的测量数据为开发和测试工程师发现问题并解决问题提供了可靠的保证。横河公司的数据采集系统也受到工程师们的欢迎。由于汽车上面测试信号的特殊性，测试工程师需要多通道的集电压/电流/温度/应力/加速度/扭矩/转速/流量等相互隔离的多路信号采集于一体的数据采集。横河公司的DL750/DL850可完全满足这方面的需求，能很好的解决汽车研发中多路的甚至十几路，几十路的信号处理分析和记录。

NI中国技术市场工程师徐征说，混合动力汽车ECU的设计与验证对于新能源汽车行业来说是一项关键技术。如何快速设计控制系统原型并进行验证和发布是一个挑战。传统的开发流程中，往往先根据受控对象的模型设计算法并进行软件仿真，然后设计嵌入式硬件电路，再将算法代码重新移植到嵌入式系统中实现。在这种开发流程中，需要在软件开发与硬件设计中反复协调，进行修改和验址，一般需要较长时间。因此，通过商业可用的现成嵌入式平台快速实现控制系统原型成为一种趋势。基于商业可用的嵌入式平台(如NICompactRIO)，用户可以迅速为控制算法添加I/O，并在嵌入式实时控制器上执行，从而快速完成控制系统设计。

控制系统设计完成之后需要进行功能性验证，之后才能发布。为了更好地在验证测试中模拟受控对象的行为，硬件在环(HIL)仿真成为一种主流的测试手段。在将控制器投入系统之前，先用一个可以模拟受控对象行为的真实硬件模型对其进行测试，就是我们这里所说的硬件在环测试。硬件在环测试可以大大降低开发和测试风险，降低测试成本，提高测试质量。

NI提供开放灵活的模块化硬件平台和统一的图形化系统开发软件LabVIEW，可高效地进行混合动力汽车控制系统原型设计和硬件在环仿真。基于NI LabVIEW软件，用户可以建立受控对象(如混合燃料电池系统)的横型，设计控制算法，并进行软件仿真。之后，用户可将算法直接下载到NI CompactRIO的实时控制器上运行，并选择所需的CompactRIO I/O模块作为算法的真实硬件I/O，从而快速构建完整的嵌入式实时控制器原型。进一步，用户还可以基于NIPXI平台，利用之前建立的受控对象模型建立硬件在环仿真测试系统，对控制系统进行验证。在此过程中可以充分利用现成的模块化硬件平台，并且重用软件模型和组件，从而大大加速了控制器设计和原型验证的整个开发过程。NI于2009年还专门针对硬件在环测试应用推出了基于配置无需编程的实时测试软件NI VeriStand，为用户提供了更多选择和支持。

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