Pojazdy alternatywne zmieniają sytuację rynku półprzewodników

Pojazdy z napędem hybrydowym (Hybrid Electric Vehicles) oraz całkowicie elektrycznym cieszą się rosnącym zainteresowaniem. Analitycy oczekują ich nawet czterokrotnego wzrostu sprzedaży w ciągu 4–5 lat, z poziomu mniejszego niż jeden milion sztuk w roku 2008.

Niekonwencjonalne pojazdy stanowią duże wyzwanie dla przemysłu półprzewodnikowego, ponieważ inny jest w nich sposób generowania, przetwarzania i magazynowania energii. W zależności od konkretnej konstrukcji technicznej część dotychczas stosowanych komponentów elektroniki może okazać się niepotrzebna, podczas gdy inne staną się obowiązkowe.

Według działu motoryzacyjnego firmy Freescale, upowszechnienie energii elektrycznej w samochodach nastąpi w ciągu kilku lat i znacznie zmieni sytuację na rynku motoryzacyjnych układów scalonych. Pojazdy elektryczne nie odegrają jednak w branży samochodowej znaczącej roli. Obroty na tym rynku będą w ciągu najbliższych lat znacznie niższe niż w przypadku samochodów hybrydowych, natomiast sam sektor HEV będzie stanowił mniej niż 5% całości rynku motoryzacyjnego. Firma Gartner oczekuje, że do 2012 roku udział samochodów hybrydowych nie przekroczy 3% wszystkich pojazdów. Mimo to stopa wzrostu jest imponująca, gdyż przewidywane jest zwiększenie sprzedaży z około 650 tys. samochodów w 2008 roku do około 2,3 miliona w roku 2012.

Trend ekologiczny w sektorze motoryzacyjnym dobrze wróży przemysłowi półprzewodnikowemu, podobnie jak wielu innym branżom. Według NXP, wszystkie aplikacje, mające związek z redukcją CO_² korzystnie wpływają na branżę elektroniczną. Sprawdza się to zwłaszcza na rynku HEV, gdyż według Infineona w pojazdach hybrydowych znajduje się znacznie więcej elementów półprzewodnikowych niż w samochodach konwencjonalnych. Wspólny element samochodów hybrydowych i elektrycznych to elektryczny układ napędowy, jednak można wyróżnić wiele rodzajów i stopni hybrydowości.

Podział napędów hybrydowych

Rys. 1. Dodatkowe jednostki funkcjonalne w napędach hybrydowych, przekładają się na rosnący popyt na półprzewodniki

Najprostszą formą napędu hybrydowego jest tak zwana mikrohybryda (microhybrid) implementowana m.in. w takich samochodach, jak BMW z serii 1. Jej składnikiem jest system stop-start, który automatycznie wyłącza silnik spalinowy, jeśli pojazd zatrzymuje się na dłużej niż kilka sekund i włącza go ponownie po naciśnięciu sprzęgła przez kierowcę. Rozrusznik umożliwia ładowanie akumulatora z energii kinetycznej uzyskanej podczas hamowania pojazdu.

W półhybrydach (mild hybrid) silnik elektryczny stosowany jest do wspomagania silnika spalinowego podczas fazy przyspieszania oraz do poprawy ogólnej sprawności. Półhybrydy charakteryzują się mocą silnika elektrycznego na poziomie od 6 do 14kW na 1000 kilogramów masy samochodu. Pojazdy z pełnym napędem hybrydowym mają podobną architekturę, jednak zawierają silnik elektryczny o lepszych parametrach (ponad 20kW na tonę). Może on stanowić samodzielny napęd, jednak tylko na ograniczonym dystansie.

Z kolei napęd hybrydowy typu plug-in pozwala na szersze wykorzystanie energii elektrycznej w pojeździe i tym samym zmniejszenie zużycia paliwa. Umożliwia on ładowanie akumulatora nie tylko z wbudowanej prądnicy, ale także bezpośrednio z sieci elektrycznej. Pojazdy tego typu charakteryzuje większa pojemność akumulatora i tym samym zwiększony zasięg w trybie pracy elektrycznej.

Szczegóły napędu hybrydowego

Fot. 1. Rozbudowany system zasilania pojazdu z napędem elektrycznym

Półhybrydy, hybrydy oraz pojazdy z napędem całkowicie elektrycznym wykorzystują energię elektryczną o napięciu kilku tysięcy woltów. Akumulator jest kluczowym składnikiem pojazdów alternatywnych, a charakteryzują go tak istotne parametry, jak pojemność, ciężar oraz cena. W przeciwieństwie do samochodów konwencjonalnych ze źródłem niskiego napięcia, hybrydy wymagają dodatkowego wyposażenia elektronicznego, szczególnie związanego z zasilaniem.

W napędzie hybrydowym niezbędna jest przetwornica AC/DC – zamienia ona niskie napięcie dostarczane przez napęd elektryczny przy hamowaniu na wysokie, wymagane przez akumulator. Ponieważ komponenty najczęściej stosowanych urządzeń przystosowane są do napięcia 12V, niezbędna jest także przetwornica DC/DC zmniejszająca wysokie napięcie akumulatora do poziomu wymaganego przez takie odbiorniki, jak światła, komputer pokładowy, radio, elektryczne szyby czy wyświetlacze deski rozdzielczej.

W przetwornicach AC/DC i DC/DC z reguły znajdują się takie elementy, jak prosty mikrokontroler, obwody sterujące czy elektroniczne komponenty zasilające. Według Gartnera, tranzystory IGBT są kluczowymi składnikami przetwornic, więc należy się spodziewać, że popyt na te elementy znacznie wzrośnie.

Koncepcja akumulatorów o wysokim napięciu wymaga dalszych modyfikacji elektronicznej konstrukcji pojazdu. Akumulator zawiera zespół obwodów elektrycznych monitorujący warunki operacyjne oraz sterujący przepływającymi między ogniwami akumulatora strumieniami energii. W skład tego zespołu wchodzi mikrokontroler, tranzystory dyskretne oraz tranzystory mocy MOSFET. Zastosowanie obwodu wysokiego napięcia zwiększyło apetyt projektantów pojazdów alternatywnych na kolejne zmiany.

Jednostki funkcjonalne, z reguły napędzane przez części mechaniczne i przekładnie pasowe, mogą być obecnie napędzane elektrycznie. Przy źródle napięcia 12V nie było to możliwe, gdyż wymagałoby bardzo grubych, a co za tym idzie drogich i ciężkich przewodów miedzianych. Przykładem może być sprężarka układu klimatyzacji wymagająca kilku kilowatów mocy. W podejściu klasycznym jest napędzana bezpośrednio z silnika samochodowego za pomocą przekładni pasowej, jednak podłączenie jej do obwodu wysokiego napięcia pozwoli na zwiększenie ogólnej sprawności.

Największa ilość dodatkowego wyposażenia półprzewodnikowego znajduje się w zespole zasilającym, w przetwornicy DC/DC oraz w obwodach sterujących silnikiem. Ponieważ przepływ energii kinetycznej i elektrycznej musi być stale równoważony, a napędy hybrydowe pracują w różnych trybach operacyjnych, nie jest to zadaniem prostym i wymaga wielu wydajnych mikroprocesorów. Urządzenie sterujące silnikiem elektrycznym określa parametry jazdy, dzięki czemu może wykonać swoje strategiczne zadanie. Ponadto dwa napędy muszą przełączać się między sobą w sposób płynny.

Popyt na komponenty

Zarówno analitycy, jak i przedstawiciele firm są zdania, że rozwój napędów alternatywnych doprowadzi do nieproporcjonalnie dużego wzrostu popytu na elektroniczne komponenty zasilające, takie jak wysokonapięciowe tranzystory IGBT i MOSFET.

Toyota, będąca pionierem pojazdów HEV, produkuje własne tranzystory IGBT, jednak inne firmy z branży będą musiały zaopatrywać się w te urządzenia na rynku, co stawia w uprzywilejowanej pozycji takich dostawców komponentów motoryzacyjnych, jak np. Infineon. Ze względu na ścisłą współprace Freescale i STMicroelectronics w zakresie komponentów zasilających, portfolio tej pierwszej nie zawiera produktów przeznaczonych dla przemysłu samochodowego, jednak firma pracuje nad zmianą tego stanu rzeczy. Również NXP nie ma w swojej ofercie elektroniki zasilającej, gdyż skupia się głównie nad kwestiami zarządzania ładunkiem, co stanowi duży potencjał innowacyjny w dziedzinie układów analogowych i mixed-signal stosowanych w przetwornicach DC/DC i AC/DC.

Według analityków, Europa pozostaje w tyle za Azją w kwestii rozwoju napędów hybrydowych oraz elektrycznych, gdyż w ostatnich latach zajmowała się optymalizacją pracy konwencjonalnych silników spalinowych i komponentów powiązanych, takich jak układy oczyszczania spalin. Z perspektywy przemysłu półprzewodnikowego nie musi to być jednak wadą.

Pomimo znacznego wzrostu rynku pojazdów hybrydowych i elektrycznych, dominacja samochodów konwencjonalnych nie jest zagrożona. Bardziej restrykcyjne wymagania odnośnie do emisji gazów oraz pilna potrzeba „wyciśnięcia” dodatkowych kilometrów z każdego litra paliwa zmuszą inżynierów motoryzacyjnych do szerszego wykorzystania komponentów elektroniki oraz bardziej złożonych systemów sterowania.

Według analiz Gartnera, większość z tych kwestii można rozwiązać jedynie dzięki bardziej złożonemu oprogramowaniu, więc potrzeba zwiększenia efektywności paliwowej oraz redukcji emisji spalin stanowi zachętę do przejścia na mikrokontrolery 32-bitowe. Ponadto wraz z coraz większą wydajnością mikroprocesorów znacznie zwiększy się odsetek wbudowanej w samochodach pamięci.

Podsumowanie

Do szerszego użycia półprzewodników w pojazdach przyczyni się także optymalizacja odbiorników energii elektrycznej. Według kierownictwa NXP, zastąpienie konwencjonalnych żarówek oświetleniem SSL (Solid State Lighting) jest kolejnym małym krokiem w dobrym kierunku. Na rozwój elektroniki samochodowej mają wpływ również systemy wspomagające. Przykładem jest układ ACC (Adaptive Cruise Control), który po odpowiedniej konfiguracji może optymalizować prędkości jazdy i tym samym zmniejszyć zużycie paliwa. Efektywność paliwową można poprawić na różne sposoby, takie jak np. modyfikacja architektury napędu, jednak każdy z nich wiąże się z integracją w pojazdach większej liczby układów półprzewodnikowych.

Grzegorz Michałowski