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CO2法規推動汽車產業創新

2015年12月14日  | Fairchild

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關於空氣污染及全球氣候變化的健康與環境問題已經在最近幾十年裡推動了政府立法來減少污染物排放,特別是在汽車產業。由於更乾淨的燃料、觸媒轉化器微粒濾清器及更高效的引擎的問世,已取得了很多進步。


可是,這些進步卻又被不斷增加的汽車銷售量所抵消,政府需要對未能按要求減少諸如二氧化碳CO2等污染氣體排放的汽車生產商實施更嚴格的限制。圖1展示了客車是如何在全球範圍內不斷減少CO2排放量,還展示了全球政府對排放要求的不斷提高。


圖1 客車的CO2減排目標。
圖1 客車的CO2減排目標。

汽車生產商想要從引擎上減少CO2的排放且要達到減排要求,汽車電氣化是一種途徑,這與我們在電力火車上所做的相似。混合電動車(HEV)在引擎上採用了一個50K~100KW的電動馬達,它可以在可能的範圍內發動或關閉,而使CO2減排20~40%。電動車(EV)則完全依賴200kW或更高功率的電動馬達,不會釋放任何污染物,因為其運行不再使用引擎。


考慮到驅動電動馬達所需要的大功率,且考慮到需要限制電流到一個合理的級別,需要電線電路盡可能輕量化的同時又需要滿足高壓安全標準,於是EV與HEV車輛要有一個龐大的高電壓電池,還要重新設計車內的電氣結構。根據電氣化的程度,這個系統所增加的成本可以是4,000到1萬美元。遺憾的是,這對於大多數人來說是非常昂貴的,並質疑這種汽車是否能廣泛地投入市場並緩解路上成千上萬輛車的污染物排放。


為了降低成本,汽車製造商正在減輕高壓系統的重量及尺寸,這導致投資增加在研發體積更小、效率更高及壽命更長的電池上;增加在功耗更小,工作溫度更高,雜訊更小的半導體材料上;增加在尺寸更小、引入更少寄生雜訊、散熱更好,並能夠耐受更高溫度的封裝解決方案上。有了更小的電池,更小更輕的冷卻系統,更小的雜訊過濾系統,EV與HEV的成本最終會下降並可以使EV與HEV車輛更廣泛地投向市場。


做為克服EV與HEV成本限制的另一種方法,歐洲汽車生產商正在研製一種只需依靠48V板網(board net)的輕度混合動力汽車。電池電壓剛好低於高電壓安全臨界值,所以它不需要嚴格且高成本的預警系統來避免高壓安全危害,同時還能提供足夠的動力來驅動一個10K~20KW的皮帶式啟動發電機(Belt Starter Generator,BSG)電動馬達,透過基本功能,如啟動/停止及被動滑行,可以減少20%到30%的CO2排放。


此外,48V的板網可以克服12V電池的功率限制,且允許實現協助工具的電氣化,如水泵及渦輪增壓器,用於更好地管理引擎。在相同效能下,發動機可以減小尺寸,並最終消耗更少的燃油,從而減少CO2排放量。最後,48V板網可以提供足夠的電力單獨運行空調壓縮機及其他類型的泵,這些泵在傳統汽車裡是由發動機透過傳動帶拖動,而且如果沒有電氣化,這些泵在發動機為了省油(滑行,啟動/停止)時會停止工作。


這個48V的板網成本大約為2,500美元,比HEV或EV更好地平衡了CO2排放、燃油節省及成本的增加。它也不會比在大眾市場被廣泛接受的柴油引擎貴,所以這也讓它在市場接納度上有更多的期待。可是,這樣的汽車還是要增加成本,這仍然是需要客服的障礙。


進一步減少48V系統的成本所面臨的挑戰與EV與HEV的類似:需要不斷研發更小、更輕及更高效的系統,只有在包括半導體工業在內的整個汽車產業鏈共同支持下,這才可能達到。


為了全面支援CO2減排的任務,Fairchild持續與汽車生產商及系統供應商合作,開發並推出汽車產業最新的技術。憑藉閘極屏蔽MOSFET、場截止溝道IGBT及SuperFET,覆蓋從30~100V的大範圍中壓及從600~900V的高壓,Fairchild已經提升矽元件的效能。包含矽晶片的封裝已經成為一個限制因素,在這個領域,Fairchild再次發揮它的專長,推出了先進的封裝解決方案如功率模組H-PSOF(TOLL)、尺寸更小的PQFN5x6,以較小的電氣寄生效應傳導更高的電流。


透過提供大量的高功率密度的元件產品組合,Fairchild允許系統設計師更靈活地設計可擴展方案,減少系統中並聯的元件個數,簡化電路板設計,方便組裝,在某些領域使用以前無法使用的功率半導體,並最終減少系統的尺寸及重量並實現最高的可靠性。


不用說,這些方案需要在嚴格的運行條件下滿足可製造性,品質及可靠性的要求,這就是為什麼在那麼多方案中,只有少數幾個可以在市場上成功。


汽車的電氣化正在快速成長,在一個競爭激烈的環境裡,進入市場的時間及對成本的限制一直都非常關鍵。半導體公司通常對新的及未經過驗證的事物持保持謹慎的態度,讓他們支持汽車產業確實是個挑戰。因為快速增長的市場,傳統的除厝方法已經不能繼續下去,半導體公司必須提高他們的建模能力。透過採用物理擴展模型及耦合的封裝模型Fairchild允許設計人員輕鬆地預測封裝中矽元件的效能,不管背後的過程與物理原理有多複雜,都能根據其精確需要進行優化。


最後(但並非最不重要),即使在汽車產業,包括半導體公司在內的供應鏈,透過更好的自然資源管理,減少浪費,在裝配過程中積極使用環保材料都能更加環保。這就是如何使用綠色材料發展功率模組,完全滿足 RoHS要求,在晶片焊接中絕不使用鉛,達到汽車產業中的標準,在引擎蓋下嚴苛的運作環境中仍保持高可靠性。


總之,汽車在不斷減少CO2排放,但是這被路上不斷增加的汽車數量所抵消。政府明確規定的嚴格的CO2減排目標是可以在汽車電氣化中實現的。EV與HEV的解決方案已經做了重大的創新,但是系統成本仍然高,能否廣泛投向市場還是疑問。


作為替代方案,48V板網系統是至今為止在燃油,CO2減排及成本降低上更好的平衡。在快速成長的市場裡,Fairchild已經將先進的矽元件、封裝方案及獨特的建模能力導入汽車市場,使得汽車製造商及系統供應商能根據具體需要最佳化他們的系統,減少尺寸及重量,節省燃料,並最終減少CO2排放。


參考資料:

1. 國際清潔交通委員會,客車與輕量型商用汽車燃料經濟的全球比較/GHG 排放標準 (2014 年 2 月)


2. J. Victory, D. Son, T. Neyer, K. Lee, E. Zhou, J. Wang 及 M. Baghaie Yazdi,「基於物理的可擴展 SPICE 模型,用於高電壓超級結 MOSFET」, 2014 年度歐洲 PCIM 展會 。電力電子,智慧運動,功率品質及能源管理,第 956-63 頁,2014 年


3. 功率電子的動態電熱降階模型,ICEPAK-Simplorer Integration,Neumaier,K. 等,ACUM 2014,紐倫堡,6 月 5/6 日





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