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中国新能源汽车电子特点及核心技术分析
来源:电子工程世界网 | 发布日期:2011-3-15

  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。

 

图6

  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—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上宣布。

  “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TMBS肖特基整流器、电感、高分断电压断路器等。

  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。

 

图7

  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DPO4PWR和DPO3PWR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。

 

图8

  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,进行修改和验证,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NILabVIEW软件,用户可以建立受控对象(如混合燃料电池系统)的模型,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NICompactRIO的实时控制器上运行,并选择所需的CompactRIOI/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NIVeriStand,为用户提供了更多选择和支持。

 
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