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汽车电子化与磁性元器件

2005-01-12 08:53:49 来源:《国际电子变压器》2005年2月刊

1日、美、欧各国的汽车电子化发展计划
汽车运输追求的目标是安全、高效与舒适。早在1980年代,日、美、欧等发达国家就制订出“智能汽车公路运输系统(IVHS)”发展计划。拟采用最先进的信息通信技术和控制技术,将现代雷达、通信系统、电子线路和计算机软件的功能融为一体,开发出碰撞警戒雷达,汽车导航系统,道路交通信息通信系统,先进的行车支援道路系统,先进的安全汽车,不停车自动收费电子系统,向旅客提供目的地饭店、旅社、天气、购物信息的旅客信息系统等产品。美国交通运输部曾计划投资总额3500亿美元(超过阿波罗登月计划总投资),用于今后30年全国IVHS的开发。在1990年代初,已在2400辆Greyhound(灵提)公共汽车上安装了碰撞警戒雷达,奥兰多市有100多辆汽车装有带无线通信的导航系统及旅客信息系统。欧洲国家制订出“高效欧洲交通计划”——“普罗米休斯”计划,在1987年由18家汽车商共同出资7亿美元起动这项计划,由欧洲电子工业、交通工程技术局和电信工业三大部门中的40个研究机构联合进行IVHS基础研究和系统开发。日本运输省和通产省分别拟订了“先进的安全汽车(ASV)”和“超敏捷汽车(SSV)”计划。把先进的行车支援道路系统(AHS)中的重要传感器——碰撞警戒雷达的开发置于中心位置,紧接着开发先进的汽车导航系统、首路交通信息通信系统(VICS)。据称,日本的IVHS产业化已居世界领先地位,迄止1999年上半年,汽车导航系统的出厂数已达450万台左右,VICS突破120万台,不停车自动收费电子系统(ETC)于2000年3月实用化。据三菱综研所池田朋广先进统计,2000年日本IVHS的市场总额达到8814亿日元,预计2005年将达26131亿日元,2015年IVHS及相关服务的总收入可达到100万亿日元。可见,IVHS是一个潜力很大的市场。
2中国汽车电子产业发展动向
为克服中国汽车电子产业的技术空心化,加速中国汽车电子技术产业化、国产化,推动中国汽车电子产业跨越式发展,在成功举办“2003(上海)国际汽车电子技术应用发展论坛”及“2004(深圳)汽车电子论坛”的基础上,今年11月还将组织“2004(上海)汽车电子论坛”。论坛聚焦汽车设计平台,重点关注两大主题:控制系统的开发与产业化,和车载电子系统的集成化供应。这正是要探索我国汽车电子产业发展的技术路线,在深入研讨我国汽车电子的前沿技术和产业发展道路。“汽车电子产业作为中国新兴的产业群体,其市场潜力巨大。汽车电子产业已成为支持汽车工业发展的一门相对独立的新兴支柱产业。”信息产业部电子信息产品管理司副司长丁文武的这席话,道出了论坛众多参会者的共识。
中国是一个巨大的汽车市场,在汽车电子化的潮流中,国内外的众多汽车制造商和电子产品开发生产企业纷纷涌向这个市场,展开了激烈的竞争,一个新兴产业的繁荣即将到来。且看几则新闻报道,就可见一斑。
2003年4月底,美国通用和上海汽车工业总公司在烟台设立了轿车生产基地,当年产销3.8万辆。烟台开发区将重点发展三大产业。“与这三大产业相通的汽车电子是(公司)未来发展的重中之重”。富士通天国际贸易(天津)有限公司于2002年9月12日在天津正式成立。主要开展以汽车导航系统为主的汽车相关电子产品的销售业务。争取在2007年的汽车导航市场达到20%的市场占有率。上海汽车电子工程中心正着手基于CAN总线的汽车控制电子网络应用系统的研究。菱科国际有限公司:掘金中国汽车导航百亿元市场。圣威尔电子有限公司:向汽车传感器迈进,公司于1996年开始生产传感器,包括无源磁性传感器,在深圳和上海有两个工厂。“我们的目标是做中国最大的汽车传感器生产厂商”。夏新“曲线切入”汽车电子市场,主要研发和生产包括车载电视、车载电话、车载DVD、车载音响等汽车电子产品。日本电子零部件公司纷纷在中国建厂,加紧向汽车用电子零部件进军。
3磁性元器件在汽车电子产品中的应用
磁性元器件是汽车电子系统、整机中必不可少的构件,基于节能和环保的要求,其用量越来越大。新兴的汽车电子产业必将给磁性元器件营造一个潜力巨大的市场。
3.1车载毫米波系统
包括毫米波碰撞警戒雷达,车速、车距遥测雷达,毫米波短程通信系统,汽车导航部件等。这些系统的功率源用毫米波速调管、行波管、磁控管等电真空器件,需使用高性能永磁体作周期聚焦磁场;所用电源大多为开关电源,其主要变压器、扰流圈、噪声滤波器,要用高档功率铁氧体、高导软磁铁氧体或非晶软磁合金、铁基纳米晶合金作磁心元件。环行器、隔离器、滤波器、开关、相调制器、移相器等毫米波铁氧体器件,乃是系统电子线路中必不可少的组成部分。市场已推出26.5~170GHz的环行器和隔离器,37~150GHz的相调制器,26~118GHz的移相器,26.5~75GHz的YIG调谐滤波器、振荡器,工作在40GHz以上的铁氧体开关等产品。
3.2汽车电机
无论何种电机,都必须使用永磁材料或软磁材料,还有一种使用巨磁致伸缩材料的电动机。汽车电机是磁性材料应用的最大市场之一。
3.2.1混合型/纯电动汽车用大型电动机
日本的电动汽车,几乎全都使用永磁同步电动机(PMSM)。混合型车用电动机的最高输出功率~30kW,纯电动汽车用电动机的最高输出功率在50~60kW。所用的永磁材料为NaFeB系高矫顽力烧结磁体。
美欧的电动汽车,大多使用感应电动机,最高输出70~100kW。这里,主要使用高频低铁损金属软磁材料,如6.5%硅钢板作铁心。
3.2.2小型电机
目前,一部普通汽车,特别是轿车,要使用50个左右的小型电机。随着汽车电子化程度的提高,还有增加的趋势。其中,大部分系直流有刷电动机,为了达到节能目的,直流无刷电动机的用量在逐渐增多。这些电机主要有:起动电机、燃料泵电动机、遥控反射镜电动机、反射镜贮存电机、散热器风扇电动机、冷凝器冷却风扇电动机、空转速度调节电动机、气泵电动机、水泵电动机、真空泵电动机、空气冷化器电动机,电动式后货箱开箱电动机、天线伸缩电动机、后部遮阳板电动机、括水器电动机、清洗泵电动机、上顶盖开启电动机、鼓风机电动机、被动式安全带电动机、恒速装置电动机、电动转向电动机。
考虑到节能要求,上述电动机都在向永磁化方向发展。从成本计,目前多使用永磁铁氧体。由于粘结NaFeB永磁合金的高速发展,它有取代永磁铁氧体的趋势。
3.3磁传感器
汽车传感器作为汽车电子控制系统的重要信息源,对温度、压力、位置、转速、加速度、振动、位移等各种信息量进行实时、准确的测量和控制。衡量现代高级轿车的电子化控制系统水平的关键,就是它采用传感器的数量及技术水平。目前,一辆普通的家用轿车大约安装了数十到近百只传感器,而豪华轿车上的传感器数量可多达200余只。其种类一般有30多种,多测达百余种。市场研究的数据显示:2002年全球汽车传感器的市场规模为70.1亿美元,需求量10.36亿只;预计到2005年,分别将达到85.2亿美元和12.83亿只。
无源磁性传感器具有工作稳定、性能高、寿命长等特点,而且可以进行非接控制和测量,有些还不用电源,故可以节省能源。目前,磁传感器正在向微型化、集成化、阵列智能化方向发展。这是其他传感器无法超越的地方。汽车上用磁传感器的种类很多,其中包括电子罗盘,ABS传感器,里程表,速度传感器,加速度表,液位计,永磁减速器,汽缸活塞位置传感器,轮胎压力传感器,转矩传感器(功率控制,引擎轴),车辆通过记录器(汽车速度,行驶方向,车身长度),震动传感器,AHS传感器(道路标识与信号读出,车轮角度,卡车近接,自动收费等),停车场成批车辆传感器(检测停车数量,位置,安全报警),路桥振荡传感器,温度传感器,司机技术评估传感器系统,电流传感器(测点火电火花电流,电池电流,驱动逆变器电流),激光雷达用光纤磁场传感器等。
上述传感器用的磁敏元件及材料主要有:MR元件,GMR元件,巨磁阻抗(GMI)元件,磁应力阻抗(MSI)元件,威甘德元件,用热敏铁氧体和金属材料的温度传感器、露传感器,热敏开关,热簧继电器,YIG法拉第磁光转子,电磁感应线圈,巨磁致伸缩磁敏元件等。
3.4汽车通信用磁性元件
脉冲变压器、级间耦合变压器、DC-DC变换器功率电感器、变压器、抗EMI磁性元件——铁氧体磁珠、多孔板、磁环、滤波器、截止变压器、高速信号传输用GMR磁耦合器,射频宽带软磁铁氧体器件——混频器、巴伦、定向耦合器、放大器、功率分配/合成器,倍频器、混合电路、宽带变压器、磁性天线、信息显示背景照明变压器;
微波/毫米波隔离器、环行器、铁氧体开关、调制器、YIG调谐滤波器、振荡器、限幅器;
蜂鸣器用永磁元件,驱动装置用永磁电动机和执行器,信号功率源用电真空器件永磁聚焦磁场。
电子罗盘,信号采集和控制用各种物理量磁敏传感器。
3.5汽车电源管理产品
低压降稳压器,开关稳压器。
3.6AHS自动控制电子系统
LCR混合集成模块,片式磁珠,片式磁珠阵列,低通/带通滤波器,磁传感器,磁钉,磁片标识,永磁执行器,电感器,变压器等等。
3.7汽车照明系统
照明高压变压器,镇流器和振荡变压器。
3.8车载音像设备
与普通家用音像设备中的磁性构件基本相同。如VCD、DVD中有:数字磁盘,记录/读出磁头、扬声器、信号拾取头用片式磁珠,SMD电感器,片式电感器,光读头用(Sm-Co,Na-Fe-B)永磁执行器,电动机,机械系统用永磁轴承;电动机,永磁支撑与夹具,前端信号处理用3端滤波器,片式磁珠,片式磁珠阵,SMD电感器,系统控制器中有片式磁珠,3端滤波器,AV解码器——3端滤波器,片式磁珠,片式磁珠阵,SMD电感器;LAN——脉冲变压器;MPEG2解码器——3端滤波器,片式磁珠,片式磁珠阵,SMD电感器;存贮接口与盘控制器——3端滤波器阵列,3端滤波器,片式磁珠阵,片式磁珠;AC-DC变换器——功率电感器,磁珠滤波器,共模扼流圈,变压器。通用铁氧体磁心——BB,RH,T,SH,DR系列;电源用EE,ER系列等。
还有车载电视机、多媒体、路边摄像机,它们所用磁性元件与家用产品大致相同,但性能要求更高些。

参考文献
[1] Microwave J.,1993,36(5):172.
[2] 电子技术(日),2000,42(1):2~71,78~79.
[3] 中国电子报,2003年11月28,2004年4月9日.
[4] 电气学会技术报告(日),1994,No.492.
[5] Microwave & RF,1991,30(7):35~39.
[6] TDK Products Catalog,2002.
[7] 日本应用磁学会志,1999,23(9):1931~1937

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