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汽車電子控制系統(tǒng)及輕型電動車中芯片應(yīng)用研究

電力電子技術(shù)與應(yīng)用 ? 來源:電力電子技術(shù)與應(yīng)用 ? 2023-04-27 15:08 ? 次閱讀

汽車向電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化快速發(fā)展,拓寬了芯片在汽車電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用場景,帶動了汽車芯片的應(yīng)用需求。按照通用分類標(biāo)準(zhǔn),汽車芯片可分為主控芯片、存儲芯片、功率芯片、信號接口芯片、傳感器芯片等五大類。 近十年來整車所用芯片平均數(shù)量不斷攀升,從2012 年傳統(tǒng)燃油車單車平均使用438 個、新能源車單車平均使用567 個,迅速上升到2022 年預(yù)計傳統(tǒng)燃油車單車平均使用934 個、新能源車單車平均使用1,459 個。

新能源汽車作為汽車芯片需求量的主要驅(qū)動力,在碳達峰、碳中和的政策背景下,新能源汽車銷量和滲透率不斷提高,進而對汽車芯片的需求量將大幅提升。在單車芯片使用量不斷上升和新能源汽車市場規(guī)模不斷擴大的雙因素驅(qū)動下,汽車芯片市場規(guī)模在乘數(shù)效應(yīng)下快速爆發(fā)。2021 年全球汽車芯片市場規(guī)模約498.49 億美元,預(yù)計2026年將達到669.63 億美元;中國汽車芯片市場規(guī)模約150.10 億美元,占全球市場比重約30.11%,預(yù)計2026 年將達到184.89 億美元。

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從全球競爭格局來看,國外廠商在汽車芯片市場占據(jù)主要份額。根據(jù)Gartner統(tǒng)計,2020 年全球前十大車規(guī)級半導(dǎo)體廠商均為國外廠商。由于車規(guī)級芯片技術(shù)壁壘較高,我國國產(chǎn)汽車芯片難以進入汽車產(chǎn)業(yè)鏈中,根據(jù)中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2020 年我國汽車芯片主要依賴于境外供應(yīng)商,自主汽車電子芯片產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅占4.50%。目前,我國汽車芯片國產(chǎn)化率較低,其主要原因如下:

1)我國芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚,而芯片行業(yè)具有整體研發(fā)周期長、投資規(guī)模大等特點,企業(yè)需要較長時間的技術(shù)積累和經(jīng)驗沉淀實現(xiàn)技術(shù)突破,形成了較高的行業(yè)壁壘;

2)汽車電子行業(yè)對產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性要求較高,企業(yè)進入汽車電子供應(yīng)鏈體系的準(zhǔn)入門檻相對較高且驗證周期較長,從而導(dǎo)致市場參與者較少;

3)通常整車廠在認證新供應(yīng)商時,會要求其產(chǎn)品擁有一定規(guī)模的上車數(shù)據(jù),因此車企與芯片廠商在形成穩(wěn)定的合作關(guān)系后,在原有車型上替換供應(yīng)商的動力不足。國產(chǎn)廠商缺乏測試及應(yīng)用數(shù)據(jù),其車規(guī)級芯片在正常供給的狀態(tài)下較難尋得突破。

在國際貿(mào)易爭端以及新冠疫情的影響下,“缺芯潮”席卷汽車芯片市場,加之當(dāng)前全球汽車芯片主要產(chǎn)能相對集中,我國汽車芯片對外依賴度高,芯片短缺已經(jīng)成為阻礙我國汽車產(chǎn)業(yè)保供和轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵問題,汽車芯片的自主可控受到了國家、汽車廠商及汽車芯片企業(yè)的高度重視。

①汽車傳感器芯片概況

傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)必不可少的一部分,用以測量位置、壓力、電流、力矩、溫度、角度、距離、加速度、流量等信息,并將這些信息轉(zhuǎn)換成電信號輸入給汽車電子控制器,進而實現(xiàn)汽車電子控制。汽車傳感器按被測物理量可分為:位置傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、扭矩角度傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、流量傳感器等。傳感器的精確性、可靠性將直接影響汽車電子控制系統(tǒng)的控制效果。平均每個傳感器中的芯片價值量占比為60%以上。 傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的運用

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隨著新能源車逐步替代燃油車,汽車電動化對執(zhí)行層中動力、制動、轉(zhuǎn)向、變速系統(tǒng)以及電機、電機控制器、電池管理系統(tǒng)等方面的影響更為直接,對傳感器需求隨之顯著增長。根據(jù)Global Market Insights,預(yù)計到2030 年,全球汽車傳感器市場規(guī)模將超過550 億美元。中國汽車傳感器市場規(guī)模從2017 年的157.3億元增長至2021 年的263.9 億元,年均復(fù)合增長率為13.8%。在國家政策和智能汽車快速發(fā)展下,中國汽車傳感器市場規(guī)模將持續(xù)增長,預(yù)計2025 年中國汽車傳感器市場將突破400 億元。

中國汽車傳感器市場規(guī)模(億元)

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②汽車磁傳感器芯片發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

由于汽車工作環(huán)境復(fù)雜,對汽車器件的一致性和穩(wěn)定性具有較高的要求,磁傳感器以其高性能優(yōu)勢,在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并已成為最大的磁傳感器應(yīng)用市場。在磁傳感器芯片中,霍爾傳感器芯片的測量精度能夠滿足絕大部分使用場景,同時具備大量程、高可靠性和抗干擾能力,與其他磁傳感器的解決方案相比具有很好的成本優(yōu)勢,因此霍爾傳感器芯片是車規(guī)級磁傳感器芯片中的主流技術(shù)。

霍爾傳感器芯片在汽車中主要被用于車速、傾角、角度、距離、接近、位置等參數(shù)檢測以及導(dǎo)航、定位,比如車速測量、踏板位置、變速箱位置、電機旋轉(zhuǎn)、助力扭矩測量、曲軸位置、傾角測量、電子導(dǎo)航、防抱死檢測、泊車定位、安全氣囊與太陽能板中的缺陷檢測、座椅位置記憶、改善導(dǎo)航系統(tǒng)的航向分辨率等。

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近年來新能源汽車的滲透率不斷提升。在新能源汽車中,“三電系統(tǒng)”(動力電池、電機和電控系統(tǒng))決定了汽車的主要性能,并隨著電機的功率提升以及大功率快速充電的需求增加,新能源汽車對電流測量的需求大幅增加。盡管燃油車中的“發(fā)動機+變速箱”被“三電系統(tǒng)”取代,但底盤、車身和車載電子系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車基本相同,相應(yīng)的傳感器需求仍然存在。因此相比傳統(tǒng)燃油車,新能源汽車對磁傳感器的總體需求進一步增加。

隨著汽車智能化和功能安全需求的提升,為提高安全冗余,汽車電子配置不斷提升,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、ABS 防抱死系統(tǒng)、電子油門踏板以及電動座椅、天窗、尾門等部件中磁傳感器數(shù)量成倍增加,并采取多路、多芯片的方案設(shè)計,使得每輛車上的磁傳感器芯片數(shù)量不斷增加。

結(jié)合以上趨勢,汽車磁傳感器芯片的總體需求和價值量將持續(xù)提升,根據(jù)ICV Tank 數(shù)據(jù)統(tǒng)計,傳統(tǒng)燃油車使用至少30 個磁傳感器,在混合動力或純電動汽車中磁傳感器數(shù)量增加到50 個左右,單車磁傳感器價值量也由120 元增長至250 元,其中芯片的成本占比超過60%。

近年來,由于汽車產(chǎn)業(yè)鏈“缺芯”、國產(chǎn)新能源車的快速發(fā)展以及政策推動等原因,國產(chǎn)汽車磁傳感器芯片廠商獲得了絕佳的供應(yīng)鏈導(dǎo)入和客戶驗證機會,通過大規(guī)模放量后,國內(nèi)磁傳感器芯片廠商將進一步提高市場占有率,從而實現(xiàn)市場規(guī)模快速增長。

輕型電動車包括電動兩輪車、電動平衡、滑板車、電動助力車等,其中主要為電動兩輪車。以電動兩輪車為例,通常一個電動兩輪車的電機需要借助三個磁傳感器實現(xiàn)換相控制以及電機自動化控制。另外,磁傳感器在電動兩輪車的調(diào)速轉(zhuǎn)把和剎把中也得到應(yīng)用:轉(zhuǎn)把信號是電動車電機旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動信號,騎行者通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把來調(diào)節(jié)電動兩輪車的行駛速度;剎把信號是電機停止轉(zhuǎn)動的制動信號,在有捏剎把動作時,開關(guān)磁傳感器將剎車信號傳給控制器,控制器接受到剎車信號后,立即停止對電機的供電。 磁傳感器芯片在電動兩輪車中的運用

中國電動兩輪車已經(jīng)走向高質(zhì)量發(fā)展的道路,并以其低碳環(huán)保、輕便經(jīng)濟、不易擁堵的特點發(fā)展成國內(nèi)重要的短途交通工具,不斷滲透到個人出行、外賣配送、共享出行等諸多領(lǐng)域。根據(jù)艾瑞咨詢,2021 年雖然部分地區(qū)受到《電動自行車安全技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱“新國標(biāo)”)過渡期推行節(jié)奏減緩等因素影響,電動兩輪電動車銷量增幅不及預(yù)期,但全年中國的兩輪電動車銷量仍然達到4,100 萬輛。在節(jié)能減排、碳達峰等政策要求,龐大的人口與多樣化綠色出行需求,及時配送與共享電單車增長促進以及“新國標(biāo)”的進一步落實等因素影響下,兩輪電動車市場依舊擁有較大的增長潛力和存量置換需求,預(yù)計2022 年兩輪電動車的銷量可達4,500 萬輛,因此給磁傳感器芯片帶來了新的機遇和發(fā)展空間。

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那么,磁傳感器該如何選型呢,我們來看一下下面介紹:

霍爾開關(guān)& 鎖存

磁傳感器中,利用霍爾效應(yīng)原理制成的傳感器被稱為霍爾傳感器?;魻栭_關(guān)是將霍爾元件的輸出與設(shè)定的閾值進行比較,并輸出高低電平信號。按照對磁通密度極性和變化的要求,可具體分為單極型,全極型和鎖存型。 13ff9aea-e4ca-11ed-ab56-dac502259ad0.png

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單極型

只對單個磁極(N極或S極)有響應(yīng)。

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全極型

對單個磁極皆有響應(yīng),不區(qū)分N極或S極,便于安裝。

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鎖存型

必須跨越0 Gauss點,以實現(xiàn)開關(guān)動作,同時需要N極和S極。

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單極型

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霍爾開關(guān)& 鎖存

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全極型

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位置傳感器 線性位置檢測通過線性霍爾IC實現(xiàn)。線性霍爾IC的輸出電壓與穿過其本身的磁場強度成正比,在靜態(tài)(無磁場)時,靜態(tài)輸出電壓等于工作電壓的一半,根據(jù)磁場特性和強度其輸出電壓上升或下降。通過磁場強度的變化可以得知相應(yīng)位置數(shù)據(jù)的改變,輸出電壓與感應(yīng)到的磁場極性和強度的關(guān)系固定。

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輸出曲線

線性位置傳感器

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速度傳感器

齒輪輪速傳感器一般通過傳感器附加背磁的方式實現(xiàn)。在齒輪旋轉(zhuǎn)過程中,由于運動而施加在芯片表面磁感應(yīng)強度發(fā)生規(guī)律性交變,IC通過采樣、放大和比較,最終輸出數(shù)字開關(guān)波形。

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輸出波形 齒輪輪速傳感器

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磁性電流傳感器

磁性電流傳感器由精密、低失調(diào)的線性霍爾傳感器電路組成,其輸出電壓與產(chǎn)生磁場的電流成正比。200A以上的應(yīng)用,通常采用傳統(tǒng)型采樣方式,大電流穿過外加磁環(huán)。200A以下的應(yīng)用, 現(xiàn)多采用單片集成型,大大節(jié)省了方案成本和體積。

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以上霍爾芯片信息由意瑞半導(dǎo)體提供,在此表示感謝!






審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:汽車電子控制系統(tǒng)及輕型電動車中芯片應(yīng)用情況

文章出處:【微信號:dldzjsyyy,微信公眾號:電力電子技術(shù)與應(yīng)用】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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