作者：王彥

市場(chǎng)研究公司ABI Research和Automotive Technology Research Group聯(lián)合發(fā)布的研究報(bào)告指出，如果今后數(shù)年全球油價(jià)依舊徘徊在高位狀態(tài)，2010年美國(guó)市場(chǎng)出售的轎車中5~6%將會(huì)是混合動(dòng)力汽車(HEV)。最大膽的預(yù)測(cè)則來(lái)自于Booz Allen Hamilton，它預(yù)測(cè)2015年整個(gè)汽車市場(chǎng)的80%市場(chǎng)份額將會(huì)被HEV所占據(jù)。另外，雖然目前僅有10多款車型亮相，但著名的汽車預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)J.P Power則指出，到2011年將會(huì)有至少35款HEV車型可供消費(fèi)者選擇。

中外廠商掘金HEV

自1997年豐田公司率先量產(chǎn)全球首款HEV車型Prius后，本田公司也于1999年推出了Civic。歐美廠商則相對(duì)慢了一步，直到2004年，福特公司才推出了Escape，這比豐田公司整整晚了7年。而先發(fā)優(yōu)勢(shì)也使豐田公司占盡先機(jī)，截至2005年底，Prius已經(jīng)累積銷售超過(guò)45萬(wàn)輛，豐田也因此占據(jù)了全球HEV市場(chǎng)近90%的份額。

圖1：HEV產(chǎn)量預(yù)測(cè)。

被吹捧的節(jié)油特性是HEV最引人注目的特性。許多駕車者都據(jù)此將其視為潛在的購(gòu)買對(duì)象。CNN、《USA Today報(bào)》與Gallup公司聯(lián)合進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查顯示，57%的美國(guó)人表示，如果替換現(xiàn)有車輛，他們會(huì)認(rèn)真考慮購(gòu)買或租用一輛HEV。

不過(guò)令人尷尬的是，在2006年紐約車展上，日產(chǎn)汽車公司總裁Carlos Ghosn卻指出，HEV已經(jīng)成為各大汽車公司的賠錢大戶。而汽車廠商的親密伙伴、全球第二大汽車電子供應(yīng)商英飛凌科技的應(yīng)用工程師Andreas Volke也表示，盡管與傳統(tǒng)汽車相比HEV可降低油耗，但這個(gè)受益過(guò)程相對(duì)漫長(zhǎng)。對(duì)于那些購(gòu)買百公里12升或更高耗油量的SUV的消費(fèi)者，經(jīng)濟(jì)因素根本不是問(wèn)題?！爸皇窃谕蝗恢g，經(jīng)濟(jì)因素成為混合動(dòng)力汽車關(guān)注的主題之一。”他說(shuō)。

“實(shí)際上，我們更應(yīng)該考慮HEV所帶來(lái)的環(huán)境效益?！盫olke舉例說(shuō)，“如果在公交領(lǐng)域推廣HEV——數(shù)以千計(jì)的公交車幾乎每天都要行駛12小時(shí)以上，超過(guò)幾百公里——HEV在剎車、加速、減速時(shí)，可以節(jié)省大量燃油，并同時(shí)減少城市廢氣排放。另外，HEV扭矩非常高，可帶來(lái)更多的駕駛樂(lè)趣?！?

在可預(yù)見(jiàn)的美好前景下，尚未進(jìn)入HEV市場(chǎng)的各大公司正在摩拳擦掌。據(jù)稱，日產(chǎn)和通用將很快推出自己的HEV車型。而為了抗衡豐田在該市場(chǎng)的強(qiáng)大實(shí)力，通用、戴姆勒·克萊斯勒和寶?三家公司還在不久前宣布共同開發(fā)能夠與前者競(jìng)爭(zhēng)的下一代混合動(dòng)力引擎技術(shù)。

中國(guó)廠商也紛紛加入研發(fā)HEV的浪潮。長(zhǎng)春一汽、一汽大眾、東風(fēng)、上汽、長(zhǎng)安、比亞迪、奇瑞、華普、沈陽(yáng)金杯、廈門金龍等都在加緊研發(fā)自己的HEV。2005年10月，中國(guó)《國(guó)家混合動(dòng)力汽車標(biāo)準(zhǔn)》開始進(jìn)入正式實(shí)施階段，這在一定程度上推動(dòng)了本土HEV的發(fā)展。

專用HEV汽車電子仍顯不足

HEV市場(chǎng)不僅為整車廠商帶來(lái)巨大的增長(zhǎng)空間，半導(dǎo)體供應(yīng)商也成為潛在的受益者。Strategy Analytics報(bào)告稱，在HEV的成本構(gòu)成中，汽車電子的比例高達(dá)47%，而在傳統(tǒng)汽車中這一數(shù)字僅為15%。毫無(wú)疑問(wèn)，HEV市場(chǎng)的發(fā)展將為汽車電子廠商帶來(lái)巨大利潤(rùn)。

豐田公司車輛技術(shù)本部電子技術(shù)部櫛田知義指出，用于混合動(dòng)力汽車的汽車電子主要分為四大類：1、IGBT、Power MOSFET以及用于電源供應(yīng)的功率元器件；2、面向ABS(防抱死系統(tǒng))的其他車載元器件；3、高頻IC、DSP等面向信息處理及通信的元器件；4、模擬IC及存儲(chǔ)器等其它元器件。

圖2：混合動(dòng)力汽車功能單元

飛思卡爾是全球第一大汽車電子供應(yīng)商。據(jù)該公司汽車及標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品部業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理康曉敦表示，作為飛思卡爾引擎控制方案的核心，該公司的PowerPC處理器已經(jīng)占據(jù)了動(dòng)力總成系統(tǒng)市場(chǎng)四成以上的份額。全球最大的5家汽車公司都在所推的HEV車型中使用了飛思卡爾的方案。

飛思卡爾最新的微控制器MPC565能夠快速調(diào)節(jié)相位關(guān)系，監(jiān)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。在變動(dòng)劇烈的汽車環(huán)境中，為了獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，該公司引入了一個(gè)定時(shí)運(yùn)算器單元(TPU)，它能夠捕獲電機(jī)當(dāng)前位置后對(duì)輸出通道進(jìn)行修正，從而得到正確的PWM信號(hào)。MPC565兼容PowerPC指令集，而其中的浮點(diǎn)單元?jiǎng)t保證了高效高精度的角度、電源矢量以及電機(jī)定速的計(jì)算。該款處理器的66個(gè)通道能夠輕松地產(chǎn)生控制脈沖和接收來(lái)自運(yùn)動(dòng)傳感器的各種輸入。此外，MPC565還引入了將功率晶體管技術(shù)同邏輯功能融合在一起的SMARTMOS器件，該器件與IGBT、MOSFET一同來(lái)幫助功率輸出。

飛思卡爾還提供了一系列廣泛的高嵌入性基于閃存的DSP器件以滿足市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的需求。56F800系列擁有40MIPS計(jì)算能力的DSP內(nèi)核，同時(shí)還集成了復(fù)雜的電機(jī)控制專用周邊電路。然而，與其他DSP架構(gòu)不同，56F800內(nèi)核還收入了許多傳統(tǒng)微控制器的軟件棧以及一個(gè)豐富的控制指令集。結(jié)合了微控制器易用性的DSP計(jì)算功能使得即使在最復(fù)雜的電機(jī)控制系統(tǒng)中也能實(shí)現(xiàn)高效的控制。

不過(guò)，英飛凌科技北美地區(qū)技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理Sayeed Ahmed認(rèn)為，相對(duì)而言，IGBT和二極管才是混合動(dòng)力汽車的核心技術(shù)。這與櫛田知義的觀點(diǎn)相似，后者指出，IGBT是混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制不可或缺的關(guān)鍵器件。

英飛凌科技的應(yīng)用工程師Andreas Volke表示，由于在電動(dòng)汽車和汽油車?yán)?，控制器僅負(fù)責(zé)控制一個(gè)電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)專用系統(tǒng)，而HEV則必須以最佳方式同時(shí)控制和操作內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)，因此HEV電機(jī)控制部分要比單純的電動(dòng)車或汽油車更復(fù)雜。這就對(duì)以IGBT為代表的功率器件提出了較高的要求。

混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的動(dòng)力系對(duì)功率半導(dǎo)體和功率模塊的要求截然不同?！拜p度(Mild)混合動(dòng)力汽車更多地使用續(xù)流二極管，而電動(dòng)汽車則更多地使用IGBT。這就意味著輕度混合動(dòng)力汽車的功率模塊將采用電流額定值較大的二極管(比相關(guān)IGBT大)，而電動(dòng)汽車采用較大的IGBT(比該二極管大或者至少同等大小)?！?P>

櫛田知義表示，豐田公司已擁有所有HEV專用電子器件的自給能力。而在最新一代的Prius上，則率先使用了同時(shí)集成溫度傳感器和電流傳感器的自產(chǎn)IGBT。通過(guò)引入再結(jié)合層技術(shù)，成功降低了IGBT的導(dǎo)通損耗。未來(lái)該公司還打算通過(guò)減小柵極厚度、引入Super Junction結(jié)構(gòu)、采用SiC(碳化硅)材料等技術(shù)進(jìn)一步降低IGBT的導(dǎo)通損耗。

然而，Volke仍然指出，在混合動(dòng)力汽車所用的控制器、智能功率器件和傳感器領(lǐng)域，相對(duì)來(lái)說(shuō)產(chǎn)品種類要多一些。但是“大多數(shù)組件并不是專門針對(duì)HEV開發(fā)的，只是能夠用于HEV而已?！倍趧?dòng)力系專用模塊領(lǐng)域，供應(yīng)商更少。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)

來(lái)自飛思卡爾的康曉敦認(rèn)為，低成本的只讀存儲(chǔ)器(ROM)被閃存所代替將是一個(gè)非常關(guān)鍵的趨勢(shì)?！伴W存的靈活性使得制造商即使在汽車出廠的最后幾分鐘也能夠方便地進(jìn)行功能和控制算法的配置。這樣，針對(duì)不同市場(chǎng)或者具有各種定制功能的汽車就能夠像在同一流水線上進(jìn)行組裝。這對(duì)包括設(shè)計(jì)、供應(yīng)、制造在內(nèi)的整個(gè)生產(chǎn)鏈造成的多米諾效應(yīng)相當(dāng)顯著。”他說(shuō)，“對(duì)于MCU供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，這個(gè)趨勢(shì)也將令他們獲益：削減定制化部件的庫(kù)存甚至完全可以與這些庫(kù)存說(shuō)再見(jiàn)。此外，閃存具有的實(shí)地可重復(fù)編程特性還能夠幫助加速軟件開發(fā)，并使引擎的最終調(diào)校變得容易。”

雖然許多汽車廠商已在HEV技術(shù)上耕耘多年，但半導(dǎo)體供應(yīng)商仍然面臨許多挑戰(zhàn)?！斑@些挑戰(zhàn)包括：為了驅(qū)動(dòng)大型感應(yīng)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)，需要引入新的42V的電源與原有的12V電源一同工作；而為了轉(zhuǎn)換電機(jī)繞組中的交流或鋸齒波電壓，高性能的微控制器和電源模塊也必不可少；此外，微控制器還必須利用各種基于角度和時(shí)間的復(fù)雜算法來(lái)不斷根據(jù)繞組位置改變電壓，同時(shí)保持良好的電源效率?！笨禃远乇硎?。

HEV還需要額外的計(jì)算特性和許多高壓半導(dǎo)體來(lái)使電機(jī)運(yùn)行在特定的性能范圍并獲得最大的效率。這種新型車輛需要在盡可能減少熱耗散的同時(shí)應(yīng)付大電流的開關(guān)動(dòng)作，這就向半導(dǎo)體企業(yè)提出了要求——必須快速地推出更強(qiáng)更快以及更加智能化的IC器件，以便在大電流條件下保護(hù)設(shè)備與負(fù)載。當(dāng)然，更重要的是，為了行車安全，動(dòng)力系統(tǒng)必須能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并將潛在的問(wèn)題通知給中央微處理器。

“HEV技術(shù)有兩大發(fā)展趨勢(shì)。一種是將工業(yè)傳動(dòng)裝置改裝應(yīng)用于動(dòng)力系。另一種則是研究HEV的特殊需求，提供針對(duì)HEV優(yōu)化的解決方案?！盫olke指出，“兩種趨勢(shì)的主要區(qū)別在于可靠性水平，因?yàn)樗麄兊膽?yīng)用環(huán)境迥然不同。在混合動(dòng)力汽車?yán)?，電子產(chǎn)品必須要能經(jīng)受環(huán)境溫度和工作溫度的巨大溫差。此外，震動(dòng)和機(jī)械沖擊也是汽車應(yīng)用中的一大問(wèn)題。因此，關(guān)鍵是要了解實(shí)際需求，根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保達(dá)到理想的可靠性和堅(jiān)固性水平。”

Volke指出，未來(lái)幾年內(nèi)IC供應(yīng)商在HEV方面面臨的主要挑戰(zhàn)將是不斷增加的應(yīng)用系統(tǒng)功率密度。加之HEV對(duì)環(huán)境溫度的要求也在不斷提高。這就意味著未來(lái)的組件必須要以更小的體積來(lái)提供相同或者更高的功率。“要達(dá)到這一點(diǎn)，無(wú)論是動(dòng)力系還是控制部分，都必須集中力量研究電子器件的散熱設(shè)計(jì)。因此，當(dāng)前主要研究的是先進(jìn)封裝技術(shù)，組裝技術(shù)以及高溫半導(dǎo)體?！?P>