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汽车电路板之中国汽车产业现状及未来发展趋势分析

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人气:-发表时间:2020-09-17 08:35【

2003年世界汽车产量增长不到3%,其中80%的增量来自中国,中国汽车电子行业的快速发展引起了全球汽车电子产业的关注。本文概要介绍中国汽车电子技术和市场的现状、面临的困难和发展的趋势,以及汽车电源管理器件和技术的发展方向,这些内容有助于汽车电子设计工程师、技术、市场和销售经理以及汽车半导体供应商抓住中国汽车电子发展的机会。

汽车电子产品可为两大类:1. 汽车电子控制装置,包括动力总成控制、底盘和车身电子控制、舒适和防盗系统。2. 车载汽车电子装置,包括汽车信息系统(车载电脑)、导航系统、汽车视听娱乐系统、车载通信系统、车载网络等。

中国汽车电子行业的发展方向和面临困难

目前,中国车载电子系统制造商已经具有一定经济规模,他们正在通过兼或重组等方式,融入车厂的配套体系之中,并逐步打入国际高档轿车配套市场。发展车载电子设备是迅速发展中国汽车电子产业的重要方向之一。相比之下,中国汽车电子控制系统的产业化水平和研发能力与国外的差距还很大。

在不利的市场竞争环境面前,中国科技人员并没有停滞不前。随着能源形势日益紧张,中国国家“863”计划积极推进在电动汽车和燃料电池汽车电子控制系统领域的研究,汽车电子的研究和产业化主要集中在:1.信息化:时速表、发动机转速表和油量表将被集网络、诊断和数字显示功能于一体的触摸式液晶屏幕所取代,并通过车载动态信息系统的“专家智囊团”实现现场诊断、道路自主导航、电子地图、车辆定位动态显示和轨迹回放等功能;2. 节能化:高速行驶时方向盘转向很容易,而缓速转弯时,打方向盘很吃力,这会增加2%左右的油耗。新研发的电动助力转向系统有望反其道而行之,让行车省力又安全,并节省能源。3. 舒适化:目前车用空调是由发动机一机多用带动的,温度全靠司机手动控制,耗能问题严重。自动空调系统和智能化空调系统的研发将自动搜集车内外温度、湿度、阳光及车速等一系列信号,按一定的数学模型计算,随时自动调节以获得最佳空调运行模式。上述三大研究成果将率先在燃料电池汽车上应用,并视条件对传统汽车逐步进行改建。此外,中国信息产业部将重点支持发展六项汽车电子产品:统一的汽车计算平台、电控燃油喷射系统ECU、汽车行驶监控记录仪、车用音视频导航系统、汽车用半导体器件及专用芯片、智能交通系统。

目前中国新兴汽车电子企业在开展研究和产品产业化面临的主要困难在于:对国际标准体系的要求了解不够,整车厂与新兴的汽车电子制造商以自顶向下、根据整车电子产品配置需求开展项目合作的商业模式没有完全建立起来。汽车线路板小编了解到,由于缺乏整车的需求牵引,汽车电子制造商不得不自行研发产品的功能性样机,才到整车厂接受测试,通过测试之后才寻求配套厂家,中国汽车技术研发中心一位高级工程师表示,由于测试次数少和费用高的原因,产品经受的试验时间比较短,在稳定性和安全性上难以达到国际标准的要求。与此同时,由于汽车电子产品与整车的配套相关性很高,新兴的中国汽车电子企业要上规模,很难走出合资经营模式,因此容易被整车厂控制。这两方面的原因综合作用下,可能妨碍中国汽车电子企业在短时间内推出满足市场需求的产品并发展壮大。

中国汽车产业现状及未来发展趋势分析

在研发过程中,国内生产汽车电子产品零部件的配套厂家受到合资企业的控制,造成汽车电子配套市场不健全,对中国汽车电子研发企业的发展也有一定的负面影响,存在采购周期长、购买不方便、规格不符合汽车专用要求等比较普遍的问题,上海新代车辆技术有限公司的马锡平经理说:“汽车电子的高功率、大电流环境对线缆和器件的配套有较高的要求,这方面存在配套困难。”摩托罗拉电子有限公司的郭鲁宁经理认为,中国汽车电子企业要参与国际性的汽车电子采购大会,逐步了解市场需求和国际标准,从配套入手发展中国的汽车电子产业。

目前,在电动助力、高电压电源安全管理系统、车身电机控制、数字仪表、低速总线控制系统、胎压监测和报警系统的研究和产业化进程上,中国汽车电子企业已经开始推出产品。中国“国家汽车计算平台工程”的启动有望攻克汽车控制、驾驶、信息处理、智能交通、传感、执行等重大核心技术,从而为第三代移动通信、高清晰度数字电视、卫星导航、智能交通、移动网络的应用和信息化在汽车电子的应用提供重大发展机遇,并将形成汽车工业和电子信息产业良性互动的发展格局。随着国际顶级汽车半导体方案提供商进入中国,中国汽车电子行业有望加速发展。

中国主要汽车电子产品市场和发展机会

安全、节能、环保以及智能化和信息化是未来汽车的发展趋势。电路板厂发现,中国汽车市场的高速增长促成了中国车载娱乐系统市场规模的成倍增长,市场研究表明在2003~2006年间,中国轿车产量合计应在1200-1600万辆左右,汽车娱乐系统市场的规模在500-800万套左右,主要提供OEM配套服务。采用车载计算机作为平台,将车载通信、导航、视听娱乐、网络控制等集成为一体化多媒体信息系统是该领域的市场发展趋势。调查分析表明,中国目前发展前景较大的汽车电子产品市场依此如图2所示,可见与汽车行驶安全和控制相关性不大的车载娱乐和导航信息系统、车身电子是中国汽车电子产品市场的主要发展方向。

1. 车载自主导航系统市场快速发展

中国计划以京、津、沪、穗4大城市为中心向外拓展导航电子地图的覆盖空间,提供导航电子地图数据库的北京四维图新导航信息技术有限公司总经理孙玉国说:“目前符合汽车工业标准和中国法律的汽车自主导航电子地图产品已投放京、津、沪、穗4个城市。”预计到2005年,覆盖中国大部分地区的导航电子地图产品将面世,以满足2008年北京奥运会和2010年上海世博会对汽车导航产品的需要。车载自主导航系统由车载GPS(全球卫星定位系统)接收机监测车辆当前位置,并将存储在光盘或内置存储器(如硬盘)中、用户自定义的目的地电子地图数据做比较,计算行驶路线,并实时将定位和路线信息提供给驾车者。

汽车电子地图市场的发展,将驱动对GPS、电子地图存储设备、显示设备的巨大需求。Strategy Analytics预测,全球导航系统的年需求将由2002年的430万套增加到2010年的1,220万套。TelemaTIcs Research Group预测GPS接收机的需求将从2004年的940万台,增加到2010年的3,000万台。

从技术上看,为旧车配备车载GPS自主导航系统会面临一些空间限制,利用车载DVD光盘大容量存储的优势,就可以通过DVD播放机显示电子地图信息,因此,车载DVD市场有望快速成长。TelemaTIcs Research Group 2004年7月预测,全球车载DVD市场的年需求将从2004年的450万台增加到2010年的3,300万台。

由于全球汽车市场的增长主要来自中国,中国车载自主导航系统市场的快速发展对全球市场有举足轻重的影响。据日本媒体报道,基于DVD/HDD的导航系统正在呈现增长的趋势,此类系统的全球销售量有望在2004年突破1,000万个,在中国虽然此类系统只是在2003年才刚刚推出,但预计其销售量到2008年将超过100万个。电子地图数据提供商将在此巨大的市场需求推动下获益。现在的比较敏感的是电子地图的普及有可能涉及国家安全问题。

此外,汽车无线电接收机技术正在从模拟接收方式向数字接收方式演变,基于软件无线电技术的数字信号处理器将引领车载数字无线电接收机的发展方向,最终有可能将AM/FM、电视接收机和卫星数字广播接收机、GPS甚至通信等功能集成为一体。飞利浦CarDSP解决方案可提供增强的多路径修正和各种天线自适应功能,对于改善AM/FM或数字广播无线电等车载视听设备品质有重要意义,值得关注。

2. 车身电子领域发展空间很大

由于汽车电子电器数量的急剧增多,为了减少连接导线的数量和车身的重量,网络和总线技术在此期间有了很大的发展,目的是解决汽车电子子系统的增加带来的数据传输的安全性、可靠性、车内线缆总长度太长导致车重增加等问题,并满足线控汽车的需要。国际汽车巨头和顶级汽车半导体制造商提出了一系列汽车总线标准,包括:IDB-1394和MOST(用于多媒体)、FlexRAY和TTCAN(用于线控)、CAN、IDB-C和GMLAN SWC(用于动力总成控制)、J1850和LIN(用于车身控制)、Keywrod2000和ISO 9141(用于诊断)。

我们认为,汽车车身网络系统的发展将为中国汽车电子产业带来了很好的机遇和切入点,因为:1. 它降低了企业的进入门槛。借助具备LIN或CAN总线接口的单芯片方案,缩短了企业开展车身电子研究的周期,降低了企业进入汽车电子配套市场的门槛。2. 提高汽车使用的舒适度,拓展汽车增值空间。过去利用手工控制机械装置,例如车内空调环境控制、锁、车窗、座椅、内部和外部照明、后视镜、雨刷等子系统,都可以通过基于CAN或LIN总线的车身网络系统连接起来,从而有机会将原来要手动操作的部件改为电控,逐步实现中低档轿车和轻型货车车身控制装置的机电一体化。

iSuppli汽车电子市场高级分析师Nancy Dang说:“目前国外高级轿车的汽车电子车身子系统多达50多个,国内中档轿车的车身电子子系统只有6-7个,因此,在车身电子领域中国汽车电子行业未来的发展空间很大。”据信息产业部经济运行司的预测,中国车身电子将从2003年的10.32亿人民币增长为2007年的50.33亿人民币,增幅为3.8倍,仅次于车载信息通信系统的增幅(2007年比2003年增长4.2倍)。因此,对具有LIN/CAN总线接口的MCU、相关的功率驱动器件、电机控制MCU和执行电子机械构件的车身电子产品将产生存在巨大需求。

飞思卡尔(Freescale)汽车电子半导体部业务拓展经理康晓敦认为:1.本目前ISO9141和Keyword2000主要用于诊断系统,后者在汽车电子控制上用的多一些。2. J1850原来只有北美使用,在2006年或2007年将停止使用,然后全部转至CAN总线。3. LIN为CAN的补充,两者一般结合使用,与CAN总线相比,LIN总线控制方式的成本较低是最大的优势;从高容错性的比较而言,CAN总线的目标应用是汽车的高速和多路数据通信。4. 目前,CAN仍然是汽车电子控制中可靠性最高的总线,Flexray是它的升级,但是目前成本还很高,不能实际应用。5. MOST主要用于音视频流传输的基于光纤的总线,不能用于控制。其它总线在汽车电子上的推广不好。康晓敦说:“目前在中国CAN/LIN总线的实际应用才刚刚开始,不同的车辆可能会有很大的差别,基本配置可能有4、5个节点,高档车可能达到50个以上的节点。”

目前,LIN联盟的支持厂家包括国际汽车巨头,例如BMW、Volvo、Audi、VW、Daimler Chrysler等,因此,代表了未来车身电子网络系统的发展方向之一。康晓敦补充说:“将MCU、功率驱动、电压调节和LIN物理层接口集成为一体构成单芯片LIN子节点是目前车身电子控制器的主要发展趋势。”

3. 汽车安全系统增长最强劲

据Strategy AnalyTIcs公司的市场研究报告指出,汽车安全系统是汽车电子领域增长最强劲的需求之一,年平均增幅达到25%以上。杜邦汽车最新调查表明,大部分用户认为最需要考虑的问题是汽车的安全性,它比汽车性能、车载娱乐和燃油效率都更重要,安全气囊和ABS有望成为标准配置。Visteon的研究也表明:安全性是汽车消费者最关心的问题。Renesas对中档轿车的研究揭示:国外1996年就将安全气囊作为标准配置,从2002年起国际上已经将两个乘客测知座椅、预紧式安全带和传感器系统与安全气囊一起作为标准配置,预计到2006年预紧式安全带和传感器系统将增加到4个,传感器系统更是大幅度增加以提高冲撞检测能力并提高乘车的稳定性,从而有可能构成统一的安全气囊网络。

国际汽车安全系统市场正呈现主动和被动安全系统分别发展并走向融合的趋势。PCB厂获悉,目前,中国新兴的汽车电子在汽车安全产品的设计方向上,主要开发轮胎压力监测系统(TPMS)、以防止正面、侧面和后面碰撞为目的的汽车雷达系统,而中国在ABS和安全气囊的研究才刚刚起步。

目前市场上出现的轮胎压力监控系统(TPMS)大致上可分为两大类:

(1) 直接TPMS,它可将传感器和射频发射器芯片安装在轮胎的气门附近,在轮胎压力过高、过低、轮胎缓慢漏气或温度异常变化时及时向车载无线接收器报警,从而有效防止爆胎。该方案的难点在于可靠性要求高,电池的寿命、抗高低温和振动问题对系统的可靠性有一定影响,其次,直接TMPS系统所使用的无线收发频点还没有现成的标准可循,一些制造商采用与无线遥控开门或防盗器相同的器件和频率(433MHz),调制方式通常为FSK方式,实际使用上很难避免同频干扰问题,最后,安置在车胎上的无线传感器的低功耗设计问题一直困扰整个行业。开发不需要电池的无线电传感器是市场的一个需求和发展方向。

目前直接式TPMS技术还分为主动和被动两种技术。英飞凌的主动式系统将压力传感器安装在每个轮圈上,汽车既有的各种遥控接收装置,包括RKE的射频组件可作为胎压测量的接收器,从而整合为完整的胎压监控系统。主动式技术的优点技术成熟度高,开发出来的模块适用于各厂牌的轮胎,缺点在于感应模块需要电池供电,因此存在使用寿命的问题。被动式技术不用电池供电,它需要将转发器整合至轮胎中,这牵涉到各轮胎制造商需建立互通的标准才有可能实现,目前只有西门子与米其林正在开发该技术,尚没有成熟的产品出现。

(2) 间接TPMS使用ABS轮胎速度传感器来测量每一个轮胎的转速,从而推断出某只轮胎的压力是否不足,这套系统具有耐用性强、可靠性高,不受电池和其它无线电波的困扰,不需要对汽车轮胎改装,与直接TMPS相比成本低得多,特别适合轿车和轻型货车,可以直接以向车厂配套的方式切入市场。间接TPMS市场的大小取决于装备了ABS的整车市场规模的大小。目前,载重汽车的安全性已引发广泛关注,中国政府正考虑强制所有的载重汽车都采用ABS以增强道路行驶的安全性,利用直接TPMS系统对长货车、加挂货车和重型载重汽车的胎压进行实时监测,对防止行驶中因暴胎导致的严重交通事故有重大的社会效益和市场前景。

贝能科技的陈强经理说,“2001年全球市场对直接轮胎压力监控系统的需求约为230万套,目前200多万辆通用和福特公司的汽车正在使用这种直接TPMS技术,预计到2008年将达到2,930万套左右,平均复合增长率为44%。”目前,中国胎压监测系统市场还处于产品完善和市场起步阶段,整套系统价格还高达几千元一套(以轿车为例,4个轮胎),产业化配套的市场还没有大规模启动。深圳亚联电子的黄琦总经理说:“无论直接TMPS系统还是间接TMPS,都需要强制性安装政策的支持才能真正把市场做大,中国直接TMPS市场要形成规模还要几年时间。”

4. 汽车电源管理以5-8%速度增长

德尔福的研究预测,汽车电子系统对电力的需求从现在到2030年将保持每年5-8%的速度增长,在过渡阶段42V/12V电力系统有望成为事实上的车辆电力系统标准。目前国外高级轿车电子产品需要的导线超过2000线、各种控制器件的触点超过4000个、导线总长度超过4000米、重量大于40公斤、电机和MCU超过100个,采用42V电力系统之后,现有主流导线截面积由0.5-1.5mm2降低为0.35 mm2,带来的好处表现在:

相同功率下,导线流过的电流要小,降低了每欧姆导线的损耗,油耗降低10%-20%;

导线节省出来的空间可以添加新的电子系统功能;

采用铝线代替铜线,并更多地采用柔性导线,电机的尺寸可以做得更小;

符合混合燃料汽车发展的需要。

上海新代车辆技术有限公司的马锡平说:“采用42V或42V/12V电力系统可以达到节能和环保的要求,因而是汽车电子发展的必然趋势,问题在于现有投资、开发好的产品和配套元器件很难让我们放弃既有方案重新开始。在已经定型的老车上推广应用42V电力系统不如在新车应用可能性大,逐步淘汰老车的过程可能还需要3-4年时间。”

最新的消息显示:由于能源和环保等问题,中国将在1-2年内启动混合动力汽车的大规模生产,中国汽车行业将采取根据需要逐步提高汽车电力系统电压的方式(12V、16V、24V、36V……)来满足对电源快速增长的需求,这两方面因素的作用下有可能引发对各种汽车电源转换模块(DC-DC转换器)、高电压/高电流功率器件的需求大幅度增加。

据美国国际整流器公司的预测,未来三年内汽车电子市场的发展对电源集成电路的需求将以年平均25%的增长率上升,用户对功率器件,包括MOSFET和IGBT的总体要求是增加电流密度、减低器件成本、缩小占位空间,许多厂家都在为此而努力,包括:Freescale、Toshiba、NEC、Philips、On Semiconductor、Vishay Siliconix、LinearTechnology、Fairchild Semiconductor和国际整流器(IRF)公司。功率器件的温度特性好不好将直接影响整车的节能和环保性能,降低电源器件的开态电阻(Ron)是汽车电源器件市场竞争的焦点之一。

由于汽车专用功率器件占据汽车电源成本的大头,业界将被迫不断开发电源器件的新制造工艺以进一步降低成本,SiC和GaN器件具有较高转换效率,对电源冷却系统要求低,因而可能成为增强汽车电源器件的性能的有发展潜力的技术,预计,5-10年后SiC和GaN器件有望在汽车电源中获得广泛应用,因而是值得关注的重要发展方向。由于汽车电子化进程的刚刚开始,汽车半导体功率器件对芯片制造的线宽要求不像集成电路那么高,因此,该领域有望成为中国集成电路设计公司和电源模块设计公司挺进汽车电子市场的最佳切入点,国际顶级半导体器件供应商的进入有望加速这个进程。

本文小结

中国汽车市场的快速发展促进了中国电子信息产业向汽车电子领域的渗透和发展,通过本文的分析可以看到:GPS、车身电子、ABS和安全气囊、以及胎压监测等领域是中国汽车电子行业利用国外方案进行开发的主要发展方向,娱乐、舒适、安全和环保是中国汽车电子发展的推动力。随着汽车电子对电力需求的增加,中国功率器件市场有望大幅度增长,中国本地电源模块制造业以及器件设计和制造业有望赢得难得的发展机遇。

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