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电池汽车电动车从IC视角看第25届世界电动车大会

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时隔11年,世界电动车大会重回中国。北京曾于1999年举办过第16届电动车大会,但那时的规模与影响都不能与此次同日而语。前几日在深圳举办的第25届电动车大会,其规模、影响及所吸引的海外参展商人数都有了飞跃式的进展。一方面是由于2009年哥本哈根会议提出的二氧化碳减排问题已经成为当前世界各国面临的重要课题;另一方面,中国自2009年首次超越美国后,如今已坐稳全球第一大汽车消费市场宝座,今年更是全年销售量直指1,700万辆的新高,加上中国政府对于电动车的扶持态度坚决且力度强大(见下面政府投资数据),可以说此轮世界电动汽车的热潮是由中国挑起。自然,此次深圳电动汽车展也引来了各路英雄。

主要的整车厂包括大众、丰田、通用、奔驰、宝马等国际厂商,以及一汽、东风、上汽、比亚迪、吉利、奇瑞等国产/合资轿车厂商和五洲龙、珠海银通、世纪新能源、五洲龙、陆地方舟等国产客车厂商如数而至,展出了纯电动车、混合动力车、燃料电池车以及各类最新电池产品。

不过,有一点非常值得思考的是,在电动汽车市场挑大梁的国际IC公司集体缺席此次会议,除了目前电动汽车市场的一号供应商——飞英凌科技高调出场外,几乎看不到其它厂商的身影。“我们英飞凌非常看好电动汽车市场,因为我们多年来一直是汽车功率半导体器件的最大供应商,同时我们也刚刚登上了汽车半导体器件最大供应商的位置。我们既有传统汽车需要的低压器件,也有电动汽车需要的高压器件,这两个领域的结合,正好可以让我们为电动汽车用户提供最佳的方案。”英飞凌汽车电子事业部电驱动产品线总监MarkMunzer说道,“虽然目前业界对电动汽车市场持有不同的预测,但是我们一直是最乐观的一派。我们预计2020年全球电动汽车销量可过2,500万。近期来看,2014年全球电动汽车销量有望达到600万辆以上。”他称。

当然,要实现以上乐观的数据,这里有几个重要技术挑战需要面对,Mark也承认。第一个问题就是电动汽车一次充电后的续航能力。目前实际的续航能力都在100-150公里左右,虽然有些标称已达200公里或者更高。如何能让续航能力更长?当然最简单的办法是增加电池,但是增加电池不但非常昂贵,而且还会增加汽车的整体重量,而增长重量后也会影响续航时间。Mark分析道,由于目前电池昂贵,每KWh约为500欧元,用户为了多增加一倍的续航时间,可能需要再多掏近十万人民币去增加电池容量,用户肯定不会选择这种方式。那么,技术上就没有办法了吗?“有的,”他答道,“目前业界有两个技术途径来提升续航时间。”

一是通过更好的电池管理系统来提升电池的效率,“好的方案可以将电池效率提升20%,比如英飞凌的主动式电池均衡方案。”Mark解释,目前均衡技术分为被动式,电容式主动式和电感式主动式三种。目前流行的方案主要都是被动式均衡,这种方式只能对充电均衡,不能对放电均衡,此外,也不能在电池间均衡。相对应的,主动式均衡可以在充放电时都实施均衡,但这两种主动式均衡也有较大的差别:电容式不能测量内部充电电阻,所以不能在电池间进行均衡;而电感式均衡方式可以在电池包之间均衡,不同的电池之间的能量可以借用,所以进一步提升了整体电池组的可用容量。此外,电感式高达5A值的有效均衡电流大大缩短了均衡时间。英飞凌此次展出的电池管理系统最多可支持到16块板并以CAN通信,每块板可以管理高达12节串联电池单元。据悉,目前英飞凌的电池管理单元是通过分离器件搭出来的,集成的IC方案明年可推出。

除了通过先进的电池管理单元提升电池的可用容量与效率外,Mark表示业界正在研究的基于碳化硅的IGBT技术如果商用,可再将效率提升20-30%。他解释,目前英飞凌的基于碳化硅的二极管已开始在服务器和太阳能等领域应用,2011年初他们将推出第五代碳化硅二极管产品,针对汽车市场进行一系列认证,明年底获得汽车论证的碳化硅产品可以面市,再往后会推出基于碳化硅的IGBT。“业界正在向这个方面努力。”他表示。英飞凌是IGBT等功率器件市场的老大,特别是在风能、太阳能市场,英飞凌的功率器件占全球市场的一半以上,“在电动汽车市场我们也是领导者,所以你们看到今天世界电动车大会上,英飞凌带来系列先进的技术与产品,这是我们与其它半导体厂商不同的地方。”其中,此次会上英飞凌专门针对小型和中型电动车推出其HP1的升级版本PinFinHP1,可支持到30-40KW的驱动。

在电池续航时间需要提升的同时,业界另一个要面对的技术则是快速充电技术。“其实,目前快速充电技术已初步商用,但是瓶颈出现在家用用电设备和电缆上。比如目前已能做到充电20分钟,行走50公里,但家用的单相电不可能充得太快;并且家用的电缆也不支持快充的电流。Mark还透露一了个秘密,即英飞凌新成立的北京汽车研发中心正在研发最新的无线电偶合充电,到时不插电就可以对汽车进行充电。

不过,对于电动汽车市场,Mark认为除了技术上需要突破一些制约外,人们的观点也要突破一些制约。“比如对于目前的150公里左右的续航时间,是基本上能满足城市用户需求的。并且,城市道路经常拥挤堵车,这种情况下电动汽车的平稳启动特性能给用户带来更好的体验。”对于用户对续航能力的担忧,他则有一个很好的建议:用户可以选择插电式电动汽车。这种车当电用完时,可由汽油机发电,解决用户余下的行程。而平时在城区驾驶时,可以将汽油机取出,减小整车的重量。当然,最关键的还是环保概念,Mark表示,虽然过去欧美市场对电动汽车并不重视,但是自从2009年开始,欧美市场也加强了电动汽车的研发。“比如,尼桑、雷诺等公司对电动汽车的看法都在改变。”他称。

其实,从次此电动汽车展上也可看出,日系和欧美系在电动汽车市场仍然绝对领先中国制造商。

混合电动车的分类及代表车型

按对电能的依赖程度,混合动力可分为弱混合动力Mild Hybrid(也称轻度混合动力,软混合动力,微混合动力等),中度混合动力,重度混合动力Full Hybrid(也称全混合动力,强混合动力等)以及插电混合动力Plug Hybrid。

1. 弱混常用BSG皮带传送启动/发电技术,例如奇瑞A5的BSG款、长安志翔、华晨等,通常节油10%以下,电机不直接参与驱动,主要用于启动和回收制动能量。

2. 中混常用ISG内置安装曲轴启动/发电技术,例如别克君越EcoHybrid(电机15KW),通常节油20%左右。

3. 强混合动力代表产品为TOYOTA PRIUS(电机50KW),可节油40%。

4. 插电混合动力,是目前较流行的一种混合方式(见下面的结构图),将提供更好的节油比例,但将消耗一定的电能,例如大众高尔夫Twin Drive(电机130KW)的测试数据,每百公里8度电和2.5的油耗,还有一汽奔腾B50。

还有一种叫做“增程型”的混合电动汽车,比如通用Volt(沃蓝达)。Volt的解决方案是通过一组16千瓦时的电池组与电动机,提供最多60公里的续航能力。当电力不足时Volt的电力储存会通过三个方式:固定式充电、行驶中制动力回收转化为电力、1.0升引擎进行发电为电池组充电。通用表示,即便是在1.0升引擎的充电情况下,这台引擎也可以燃烧85%的生物汽油燃料,从而尽量减少原油的使用。因此,通用将Volt命名为“增程型”电动车。比亚迪的F3DM所谓的双模,也是这个方式。

下图:插电混合与纯电动车结构比较

从IC视角看第25届世界电动车大会(电子工程专辑)

国家对新能源汽车的规划数据

关于新能源汽车的发展规划,此次大会透露了几个重要方面:

①总体规模。2010年达到一万辆,2015年100万辆,2020年1,000万辆。新能源的汽车要代替20%的传统燃料的汽车。

②油耗目标。到2020年的时候,中国汽车百公里的油耗会降到5升。

③电池。未来五年,动力电池的发展目标是成本降至1,500元每千瓦时,能量密度提高至120瓦时每公斤,循环寿命提高至2,000次。

④商业模式。国家补贴和国家采购互相结合。同时继续探索新的商业模型,希望在整个的产业中形成能源供应商、汽车生产商、电池供应商之间一体化的价值链。

⑤配套设施。率先开始在五大试点城市进行电网改造,五年内建成超过2,000个充电站、40万个充电桩。

⑥未来五年我国还将起草100多项技术标准。

为达到以上目标,国家将投入1,000亿元扶持新能源汽车产业,以下是一组网上流传的数据:

1,000亿元:为支持新能源汽车的发展,中央财政的投入资金;500亿元:节能与新能源汽车产业发展专项资金;200亿元:以混合动力汽车为重点的节能汽车推广支持资金;100亿元:新能源车零部件体系发展支持资金;50亿元:试点城市的基础设施建设资金;1,500万辆:2020年以混合动力为代表的节能汽车年产销量目标。


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