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是什么阻礙了新能源汽車的發(fā)展作者：邵樂峰 以電動/混合動力為代表的新能源汽車近年來取得了長足的進步，但給人的感覺卻始終是“雷聲大，雨點小”。電動車成功的關(guān)鍵是什么？投資者的耐心、研發(fā)的投入、消費者的信心能否堅持到產(chǎn)業(yè)成熟的轉(zhuǎn)折點？此間是否還會存在其它替代技術(shù)，以及經(jīng)濟政策因素和偶然性事件出現(xiàn)？日前，本刊記者就上述熱點問題對相關(guān)企業(yè)進行了采訪。 規(guī)劃都是極好的 今年3月，科技部正式發(fā)布中國電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃(摘要)，指出未來五年將成為中國電動汽車研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略機遇期，中國政府將加大扶持力度，支持電動汽車發(fā)展。根據(jù)規(guī)劃，預(yù)計到2015年，我國將建設(shè)完成由40萬個充電樁和2,000個充換電站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)供電體系；在整車關(guān)鍵零部件公共平臺等29個技術(shù)創(chuàng)新方向上實現(xiàn)技術(shù)突破，全面掌握核心技術(shù)；申請電動汽車核心技術(shù)專利達3,000項以上；在30個以上城市進行規(guī)?；痉锻茝V，在5個以上城市進行新型商業(yè)化模式試點應(yīng)用。 規(guī)劃同時確立了“純電驅(qū)動”的技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略和“三縱三橫”的研發(fā)布局?！叭v”是指純電動增程式汽車和插電式混合動力汽車將作為純電驅(qū)動汽車的基本類型；燃料電池汽車作為純電驅(qū)動汽車的特殊類型繼續(xù)獨立；混合動力汽車主要為常規(guī)混合動力汽車。“三橫”則指電池(動力電池和燃料電池)、電機(電機系統(tǒng)及其與發(fā)動機變速箱總成一體化技術(shù))和電控(電轉(zhuǎn)向、電空調(diào)、電制動和車網(wǎng)融合)領(lǐng)域。 從規(guī)劃制定的目標(biāo)來看，目前中國的電動車發(fā)展正處于第二階段，需實現(xiàn)混合動力汽車產(chǎn)業(yè)化。具體方向包括：開展以小型電動汽車為代表的純電驅(qū)動汽車大規(guī)模商業(yè)化示范；實現(xiàn)燃料電池汽車在公共服務(wù)領(lǐng)域小規(guī)模示范考核；攻克深度機電耦合新型電機驅(qū)動技術(shù)等前沿技術(shù)，研發(fā)以燃料電池汽車為代表的下一代純電驅(qū)動動力系統(tǒng)平臺；開展以能量型鋰離子動力電池為重點，電池模組化為核心的動力電池全方位技術(shù)創(chuàng)新。為實現(xiàn)電動汽車規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，尤其是純電驅(qū)動汽車銷量達到同類車型總銷量1%左右的重要門檻提供科技支撐。 發(fā)展阻力來自何方？ “指望新能源汽車在短時間內(nèi)迅速普及的想法是不切實際的”。NXP公司汽車電子事業(yè)部業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)李曉鶴此前在接受本刊采訪時就指出，這將是一個涉及從動力電池性能和壽命的提升，成本的下降和制造一致性的提高，到整車控制系統(tǒng)的改進和安全性的提升，一直延伸到基礎(chǔ)設(shè)施和智能電網(wǎng)的建設(shè)，商業(yè)模式探索，最終到消費者購買和駕駛行為習(xí)慣轉(zhuǎn)變的整個生態(tài)系統(tǒng)的巨大轉(zhuǎn)變。目前市場上還有許多技術(shù)的、或者被稱作“雞生蛋還是蛋生雞”的問題待解決。 ADI公司汽車電子戰(zhàn)略市場部應(yīng)用經(jīng)理沈飛將目前制約國內(nèi)新能源汽車發(fā)展的原因歸納為技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)政策法規(guī)的缺失。他分析認為，從技術(shù)上來看，首先，我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品不多，國外汽車零部件公司在中國大量申請專利，利用專利技術(shù)主導(dǎo)中國汽車電子市場；其次，新能源汽車中的電池也是一個很大的挑戰(zhàn)，如何改善電池充電時間、使用壽命、減輕重量、增加續(xù)航能力等等，都是新能源汽車迫切且必需要解決的問題；最后，政府對新能源汽車及配套設(shè)施的支持力度應(yīng)該繼續(xù)加大。 圖2：ADI公司汽車電子戰(zhàn)略市場部應(yīng)用經(jīng)理沈飛“未來，整車廠商與汽車電子解決方案供應(yīng)商之間的合作將更加緊密，這體現(xiàn)在合作的層次和維度的增加?！鄙蝻w說，以ADI為例，ADI與奇瑞前瞻技術(shù)科學(xué)院合作建設(shè)了“奇瑞ADI聯(lián)合實驗室”，利用雙方各自優(yōu)勢，加快科研成果和生產(chǎn)力之間的轉(zhuǎn)化，以此應(yīng)對新能源汽車發(fā)展對汽車廠商和汽車電子解決方案供應(yīng)商提出的新要求與新挑戰(zhàn)。 飛思卡爾(Freescale)汽車電子高級市場經(jīng)理康曉敦表示，國內(nèi)新能源汽車的開發(fā)雖然比較早，但發(fā)展速度并不快。盡管中國純電動車技術(shù)水平相對落后得不太多，但在混合動力車方面卻相差很遠，電池的重量、價格、可靠性一直都是電動車和混合動力車發(fā)展的瓶頸。此外，整車也需要有很好的系統(tǒng)集成，以及長時間的經(jīng)驗積累和驗證。他預(yù)測說，新能源汽車真正要大量被消費者所接受，時間點至少應(yīng)該在2020年以后。 圖3：飛思卡爾半導(dǎo)體汽車電子高級市場經(jīng)理康曉敦富士通(Fujitsu)汽車電子產(chǎn)品經(jīng)理丁潔早則堅信，2015年后純電動車會帶給業(yè)界驚喜。他表示，目前中國在推行新能源汽車時遇到的最大阻力來自兩方面：第一，電池的續(xù)航里程和使用壽命問題；第二，電動汽車的安全可靠性。因此，他呼吁所有有志于推動新能源汽車發(fā)展的重要參與者，包括政府、汽車廠商、核心零部件和芯片廠商靜下心來，少一些喧嘩，耐心的花2-3年時間攻克技術(shù)方面的難題，共同制定一些有中國特色的新能源汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，共同推動該市場的高質(zhì)量發(fā)展。 圖4：富士通汽車電子產(chǎn)品經(jīng)理丁潔早一切始于電池技術(shù) 當(dāng)今復(fù)雜的電池技術(shù)實現(xiàn)了高能量密度、合理的質(zhì)量和適當(dāng)?shù)某潆姇r間。很多現(xiàn)代化的電池組都使用了鋰離子等化學(xué)元素，鋰離子可以增加行駛里程同時減輕重量。但是如果將汽油能量密度12kWh/kg與普通鋰離子電池的0.12kWh/kg相比較，即便是“最好的”電池驅(qū)動一輛四門乘用車，每充一次電最多也只能跑250公里(150英里)。 因此，明導(dǎo)科技(Mentor Graphics)集成電氣系統(tǒng)部門產(chǎn)品營銷經(jīng)理Phil Davies認為，設(shè)計電池驅(qū)動汽車是一個牽涉到多領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。如果沒有軟件工具來幫助工程師設(shè)計重量輕、成本低的配電系統(tǒng)；建立精細的電池運轉(zhuǎn)、充電和需求模擬模型；預(yù)測安全和電氣干擾問題，并且依然滿足緊迫的新產(chǎn)品開發(fā)進度，這個挑戰(zhàn)就很難解決。 “現(xiàn)在，消費者在購買電動汽車時必須權(quán)衡與傳統(tǒng)燃料汽車相比的重大折中。相對較高的購買價格、電池更換成本和有限的行駛里程足以讓消費者去追捧傳統(tǒng)燃料汽車，而且劣勢還不止這些。”Phil Davies說。 所有混合動力電動汽車和純電動汽車平臺都會帶來很多新的設(shè)計挑戰(zhàn)，涉及系統(tǒng)模擬、電磁干擾(EMI)、失效模式與效果分析(FMEA)、潛在通路分析(SCA)等等。此外，復(fù)雜的控制系統(tǒng)(如碰撞躲避系統(tǒng))增加了汽車網(wǎng)絡(luò)的通信量，因此需要擴大相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)容量。數(shù)據(jù)顯示，一個簡單的混合動力汽車停止/啟動發(fā)動機系統(tǒng)可能涉及多達26個獨立電子控制單元之間的通信。最后，F(xiàn)lexray(10兆比特/秒)等技術(shù)將取代更舊、速度更慢的CAN(1兆比特/秒)網(wǎng)絡(luò)。 顯然，選擇一個能建立各種抽象性和復(fù)雜性水平不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議模型的配電系統(tǒng)解決方案非常重要，而設(shè)計數(shù)據(jù)管理是解決電氣設(shè)計復(fù)雜性問題的核心所在。以數(shù)據(jù)為中心的配電系統(tǒng)(EDS)設(shè)計工具包就扮演著這個核心角色，并輔以根據(jù)各自交流電分析能力而選擇的其它工具。 沈飛分析稱，越來越優(yōu)異電池工藝技術(shù)的出現(xiàn)，使得電池充放電曲線更加平坦，電池管理芯片也相應(yīng)需要擁有更高的測量精度。另外，由于鋰電池的失效特性，電池管理系統(tǒng)的可靠性和安全性至關(guān)重要。在電池管理芯片領(lǐng)域，主流半導(dǎo)體廠商均在芯片中集成了越來越完備的故障報錯機制、數(shù)據(jù)校驗機制、以及冗余監(jiān)控機制，以幫助客戶實現(xiàn)更高等級的系統(tǒng)級安全。最后，很多廠商開始關(guān)注效率更高的主動式電池均衡，以降低電池管理模塊的發(fā)熱，節(jié)省電量消耗。而這幾個新的技術(shù)趨勢，也正是ADI在電池管理芯片領(lǐng)域致力的方向。 丁潔早將新能源汽車面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)分為以下三個方面：一. 需要設(shè)計一個更加高效的電池管理系統(tǒng)。富士通采用MB91F585(FR81S)和MB96F613(16FXS) MCU開發(fā)的最新BMS參考方案，在保持了設(shè)計的靈活性之外，具有低成本，更為有效的主動均衡管理和快速的均衡時間；二. 如何預(yù)測和提高電池系統(tǒng)的使用壽命問題。富士通LSI解決方案，可以做到預(yù)測并提高整個電池組的使用壽命。也就是說，通對每一個單體電池加入FRAM存儲器，對損壞的電池單元可以快速精確定位從而進行及時的更換。然后對整個電池組采用最新LEV控制器進行管理，透過獨特算法，可以做到預(yù)測并提高電池的使用壽命；三. 在電機和電控的核心研發(fā)上，需要提高開發(fā)效率和提升安全規(guī)格。富士通開發(fā)的最新電機控制MB91580 MCU，由于內(nèi)部集成了高規(guī)格的旋轉(zhuǎn)變壓器RDC，大大降低客戶軟硬件工程師的開發(fā)時間，同時在系統(tǒng)成本上具有很大的優(yōu)勢。 圖1：富士通MB91580結(jié)構(gòu)框圖。除了電池系統(tǒng)之外，電機控制系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)的設(shè)計也是電動車和混合動力車所面對的重點部分。飛思卡爾方面稱，依靠豐富的汽車微控制器、模擬器件和傳感器解決方案，以及不斷增強的開發(fā)工具和技術(shù)支持，飛思卡爾不僅在新能源汽車方面，同時在動力總成、車身、底盤與安全、信息娛樂系統(tǒng)和車載信息服務(wù)以及車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面，為設(shè)計師取得下一代汽車設(shè)計技術(shù)突破提供全面支持?！拔覀儗⒑芏嚯姍C控制的算法等經(jīng)過硬件管理控制，來解決電機控制方面很多問題并簡化電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。同時，類似雙核MCU的推出，可以大大提高電機控制的可靠性。并通過增加更多的接口，來實現(xiàn)新能源汽車各系統(tǒng)之間的聯(lián)系?！笨禃远卣f。 產(chǎn)品規(guī)劃值得關(guān)注 ADI方面透露稱，針對新能源汽車的兩個主要難點：電池管理和電機控制，ADI推出了應(yīng)用于中混/強混/插電式混合動力車及純電動車應(yīng)用的鋰電池監(jiān)控和保護系統(tǒng)產(chǎn)品AD7280A/AD8280，可監(jiān)控六個電池單元的電壓和溫度輸入，通過增強型的菊花鏈接口可靈活匹配不同電池節(jié)數(shù)的電池包架構(gòu)。該器件由電池組供電，可以針對過壓、過溫或欠壓這三種狀況中的任意一種提供共享式或單獨式報警。同時，集成式的方案也可以使電源設(shè)計師替換昂貴的分立器件方案，降低功耗并減小系統(tǒng)空間，幫助客戶解決與電池監(jiān)控和安全性有關(guān)的各種設(shè)計挑戰(zhàn)。 沈飛還特意強調(diào)了ADI的iCoupler/isoPower數(shù)字隔離器產(chǎn)品。據(jù)稱，與傳統(tǒng)光電耦合器中使用LED和光電二極管不同，這種技術(shù)基于芯片級變壓器，支持更高的數(shù)據(jù)速率和更低的功耗，性能更加穩(wěn)定。數(shù)據(jù)顯示，在同樣的信號數(shù)據(jù)速率下，iCoupler產(chǎn)品的功耗是光耦的十分之一到六分之一(例如，在3V電源、0Mbps至2Mbps條件下，每通道的最大電流為0.8mA)。此前，日本三菱汽車公司就宣布將在下一代“i-MiEV”全電動汽車中采用該產(chǎn)品。 此外，在微混動領(lǐng)域，ADI稱其用于鉛酸電池管理的系統(tǒng)級芯片ADuC703x占據(jù)歐美95%以上的市場份額，可使系統(tǒng)達到0.1%的電流測量精度，從而大幅提高電池SoC的估算精度和傳統(tǒng)汽車的燃油使用效率。 同國家政策一樣，富士通同樣將“三橫”(電池、電機、電控)作為公司研發(fā)布局的核心：電池方面，提供最新的BMS解決方案和預(yù)測并提高電池使用壽命的LEV控制器算法；電機方面，高集成度的MB91580 MCU一并整合BMS管理和DC-DC轉(zhuǎn)換模塊的系統(tǒng)能力，大大節(jié)省整車的控制系統(tǒng)成本；電控方面，最新低成本MB91520系列MCU先期集成了一路FlexRay，3路CAN和7路LIN總線，并為客戶開發(fā)了評估板和所有的外設(shè)驅(qū)動，包含UART Boot loader和CAN Boot Loader。 基于在傳統(tǒng)汽車電子和電力電子領(lǐng)域的深厚積累，英飛凌在主要汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商里是唯一具備成熟IGBT生產(chǎn)技術(shù)，并且是全球第一的IGBT模塊和晶片供應(yīng)商。其最早開發(fā)的汽車級IGBT模塊650V HybriadPACKTM家族，目前已能完全覆蓋10kW到100kW的應(yīng)用，主要包括強混、插電和純電驅(qū)動。 因市場需求的多樣性，英飛凌還同時將電壓等級拓展到各個類別的應(yīng)用。例如1200V HybriadPACKTM模塊可以應(yīng)用于高母線電壓的乘用車或是混合動力大巴；開發(fā)中的400V IGBT模塊可以更好的適應(yīng)母線電壓在120V200V的中度混合動力應(yīng)用；針對母線電壓在100V以下的低壓低速電動車則有第四代溝槽柵工藝(S4)的功率MOS管OptiMOS