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意法半导体:半导体技术助力突破新能源汽车发展瓶颈

http://www.ec.hc360.com2020年04月23日09:23 来源:中国电子报、电子信息产业网T|T

    汽车作为制造业的中坚力量,一直发挥着中流砥柱的作用。在振兴实体经济过程中,汽车所发挥的行业龙头作用十分明显。日前新能源汽车充电桩被纳入新基建,显示出国家进一步推进新能源汽车及相关配套产业的决心。中国新能源汽车产业前景如何?芯片在新能源汽车中发挥着什么样的作用?记者采访了意法半导体亚太区功率分立和模拟产品器件部区域市场和应用副总裁沐杰励与意法半导体亚太区汽车产品市场及应用高级总监郑明发。

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    未来5年新能源汽车市场前景依然广阔

    对于中国新能源汽车产业的发展前景,郑明发十分看好。他表示,中国将新能源汽车列为七大战略性产业之一,自2012年国  务院发布实施《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》以来,实施新能源发展国家战略,出台多种政策鼓励新能源汽车的发展。使得新能源产业的发展取得了举世瞩目的成就,产销量、保有量连续5年居于世界首位。虽然2019年由于补贴退坡、国五燃油车清库存及车市寒冬,新能源汽车累计销量仅120.6万辆,同比有所下降。但是从工信部在2019年12月发布《新能源产业发展规划(2021-2035年)》征求意见稿来看,相关的政策将继续推动我国新能源产业高质量发展,新能源产业将进入加速发展的新阶段。    

    从全球范围来看,欧美各国政府也在加注新能源,增加补贴,全球的各大车厂也在积极地布局新能源,发布新能源战略。总之,无论从国内还是全球范围内来看,新能源是大势所趋。关于技术发展方面,中国车企主要侧重于纯电动和插电混动汽车,同时也在发展燃料电池汽车。在发展纯电动汽车和构建完善的新能源产业供应链过程中累积的卓越的技术优势,正是中国的竞争优势。    

    至于当前疫情是否会对新能源汽车市场造成冲击?郑明发认为,固然不能忽视当前疫情对全球经济的带来的不甚明朗的影响,不过尽管市场遭受如此冲击,为了满足消费者对高能效汽车的要求,目前很多研发活动仍在进行当中。未来5年,中国新能源汽车市场(包括纯电动汽车和轻混和动力汽车)依然有着广阔前景。    

    通过分析车载充电器/DC-DC转换器和驱动电机等制造商的新要求不难看出,能效更高且售价合理是新能源汽车的发展的一个趋势。未来新能源汽车要求充电更快,续航更远,这需要车载充电器功率等级达到44KW以上,驱电机逆变器能够满足160KW以上的功率要求,为此,半导体产业必须快速开发新的解决方案来满足这一新兴需求。意法半导体针对新能源市场已经进行了完整的布局,针对新能源市场核心电子控制模块可提供完整的芯片解决方案,包括充电机,主电机逆变器,DC/DC模块,电池管理系统,空调压缩机。同时,意法半导体已成立新能源技术创新中心,可以提供完整的系统解决方案,包括硬件设计以及BSW(BasicSoftware,基础软件),相当于给客户提供一个基础设计,客户可以根据自己的具体需求在该方案上基础上做些调整,大大降低产品的开发周期,从而让客户可以将精力投入到能带来更高附加值的软件应用上。

    突破续航、安全和成本瓶颈

    目前,中国新能源汽车产业的发展主要瓶颈是什么?如何通过新基建的推进加以解决?郑明发认为:“续航里程、安全性和成本是当前新能源发展的主要瓶颈。目前新能源汽车能够达到续航里程500多公里,如果为了进一步提高续航里程,车企就需要加大电池容量,但这会带来成本,安全性,车重和整车布置等难题。意法半导体完整的新能源管理芯片解决方案很好地改善了这些主要痛点,如拥有最  新BCD工艺(Bipolar、CMOS、DMOS)的模拟前端芯片L9963,能够实时高精度的监控电池电压,有助于客户优化SoC、SoH算法,在安全的前提下,最    大限度地使用电池储存的能量,提高续航里程。意法半导体新一代的主控芯片SPC58xx,专为要求高实时性、高可靠性、以任务为导向的应用设计,主要实现软件算法、电机控制、整车通信等功能,能够为提高驾驶安全性提供强大助力。

    沐杰励强调了充电基础设施的重要性。他指出,完整的充电站生态系统、先进的功率技术和碳化硅(SiC)等新材料是中国新能源汽车产业的重点投资方向。充电桩建设已被政府列入新基建的一部分,因为充电桩直接影响新能源汽车消费者的使用体验。随着新能源汽车使用率提高,消费者对方便、快速充电的需求也越来越高,因此需要扩大基础设施建设,增加充电站数量并提供更快的充电服务。先进的功率技术和新材料(SiC)在新能源汽车中起着重要作用。先进功率技术包括硅基车规低电压/高电压MOSFET、车规级TrenchIGBT&模组,而新型材料器件主要是SIC及模组。这些先进技术是混动汽车和新能源汽车的起动发电一体机系统(轻混)、车载充电器/DC-DC转换器和驱动电机逆变器的核心技术。

    第三代功率半导体将在汽车中大量采用

    随着电动化、网联化与智能化的发展,汽车当中采用的芯片越来越多。芯片在新能源汽车发挥着什么样的作用?郑明发指出,新能源汽车主要芯片类型包括主控芯片、模拟芯片,以及功率半导体(如MOSFET、IGBT、SiC模块、晶体管和二极管)等。传统内燃汽车向新能源汽车的转变也意味着汽车的电气化、电子化,而电气电子模块中最  核心的就是半导体芯片,可以说芯片是新能源的“大脑”,至关重要。比如模拟前端芯片,监控着电池的状态,主控芯片通过计算可以确定剩余的续航里程,保证电池在安全状态。又如电机控制器,将高压电池包的直流电逆变成交流电以驱动电机实现整车的前进后退功能,在刹车时又将能源回馈给电池。尺寸、车重和空间是电动汽车的重要参数,为顺应这种市场趋势,引入创新技术是非常重要的,有利于延长续航里程、缩减电池尺寸(或提高电池可靠性)、解决快速高效充电等难题。意法半导体拥有30多年的汽车电子开发经验,拥有丰富的产品线,覆盖新能源汽车所有应用领域。    

    沐杰励预测未来新能源汽车/充电桩所需芯片进行市场时指出:“中国是全世界推出电动汽车速度最  快的国家,为了跟上这样的发展速度,所有地区都需要增加基础设施。今天,我们看到外国新能源汽车厂商也在扩大在华投资,并加快在中国市场布局。新能源汽车中新增的零部件包括车载充电机,主电机逆变器,DC/DC模块,电池管理系统,空调压缩机以及充电桩,而这些零部件中涉及到大量的半导体器件应用。据我们估计,新能源汽车和传统燃油车比较,每辆车会增加330美元的半导体需求,增加了接近一倍,所以随着新能源汽车销量的提升,半导体行业的需求会持续大幅提升。与车辆的电源相关领域,如车载充电器和逆变器正在推动半导体公司投资新的宽禁带半导体技术(如SIC,GaN)和新型IGBT,并研发新的功率封装解决方案,以最    大限度地利用这种高端硅技术的优势。”    

    在谈到2020年新能源汽车领域芯片的技术趋势时,沐杰励表示,电源管理和驱动电机逆变器是促进新能源汽车增长需求的关键领域。在新能源汽车中,电驱系统为三大核心技术之一。而电机控制器作为电驱系统里的核心部件之一,其性能很大程度上决定了汽车的动态性能。它的发展趋势是高度集成化,高功率密度,高压,高功率。在驱动电机部分,我们看到市场对SIC功率模块需求越来越大,在高功率应用领域中,SIC自然会取代IGBT功率模块,而高集成度的IGBT将在“经济”车型上得以沿用。此外,市场正在逐步提高对车载充电器的功率要求(功率达到11-22-44KW级别)。这些变化带来了对高性能碳化硅(SiC)的巨大需求量。同样地,氮化镓(GaN)FET作为另一种适用于高功率应用的高性能新能源,市场也会对其有潜在需求。    

    第三代功率半导体器件的发展为这些电力电子零部件进一步提升性能带来了可能。对比传统硅器件,SiC以其高频,低阻抗,高结温,耐高压的特性,在电驱动系统和车载充电机有显著的优势。比如在电驱动系统,减少损耗以及冷却系统、增加功率密度,增加续航里程以及减少电池容量;在车载充电机应用,可以提高驱动频率,减少变压器和电容的尺寸,减少损耗,从而减少充电时间。    

    SiC是提高工业和车用大功率解决方案能效的关键技术。意法半导体很早  就认识到这一点,并通过不懈的努力耕耘成为了较早进入该一领域的领头羊。作为拥有业界  最  广泛的SiC和GaNFET产品组合(开发中)和产能的半导体公司,意法半导体一直致力于充分发挥新型硅材料技术的优势。现在,意法半导体在全球车规SiCMOSFET供应商中排名  第一。为了满足市场需求,意法半导体现正扩大内部和外部产能,以缩短交货周期,并确保多货源供应SiC和GaN产品,从而实现成为宽禁带半导体的顶  级供应商的宏伟目标。

责任编辑:杨见芳

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