塑造汽车行业的趋势与技术

作者：Phil Lessner博士，高级副总裁兼首席技术官，国巨集团旗下基美电子（KEMET）

内燃机（ICE）正在进入衰退期。现在，许多政策制定者都在对销售仅由内燃机驱动的新车实施法律限制。因此，业界围绕混合动力系统展开了大量活动，也即将ICE与某种形式的电力辅助进行结合。在轻度混合动力汽车中，所使用的电池通常可以通过来自ICE的能量进行充电。这种所谓的自充电混合动力汽车可帮助消费者转向电动汽车，同时又能避免寻找电源插座而为电池充电的问题。

来自电池的电量与来自ICE的电量之间的平衡，决定了混合动力的“轻微”程度。更大的电池与更大功率的电机相结合，将会使指针更偏向于天平的纯电动一侧。纯电动汽车（BEV）当中没有ICE，而是完全依靠电网获取能量。还有其他与此相关的问题，例如必须建立公共充电基础设施而为支持纯电动用户体验提供支持。但对于纯电动汽车，除了插电之外别无其他选择。

其他形式的替代能源也在受到开发。最有前途的方法之一是在燃料电池中使用氢气——将储存在氢气中的能量转化为电能。这种应用将会促进燃料电池电动汽车（FCEV）的发展。虽然能量在BEV和FCEV中的存储方式不同，但两者都能产生用于为电机供电的电能。另一项正在开发的技术涉及使用超级电容器来存储电能。超级电容器类似于电池，可以反复充电和放电，但两者内部差异很大。超级电容器可以快速充电和放电，也即能够提供比电池更高的功率，但存储的总能量更少。

这些技术中的每一种都有其局限性。电池充电需要时间，燃料电池释放能量缓慢，超级电容器则储能能力较低。但它们都能发电，这是电动汽车所需的基本“燃料”。也许，在不久的将来，“混合动力”一词可能会演变为用来描述结合所有三种技术而可以提供适当用户体验的车辆。

续航里程不长和无法进行快速充电被认为是消费者不愿意转向全电动的两个原因。毫无疑问，汽车行业和公共部门必须克服这种不情愿性。通过将电池、燃料电池和超级电容器结合使用，每种技术就都有可能在需要的时间和地点提供能量。例如，可以通过将燃料电池技术与快速充电超级电容器相结合来提供良好的加速，从而解决里程问题。

虽然今天还没有看到这种潜在新混合类别的例子，但是这是行业未来可以追求的一个方向，并且可以以目前存在的技术为基础。

汽车无线化

储能并不是汽车行业唯一的创新领域。汽车与通用基础设施及其车载系统之间的联系正变得越来越紧密。总的来说，车辆产生的数据量正在呈指数式增长。无线技术避免了支持这种互联所需布线的成比例的增加。

电线既贵又重，而且占空间。另一方面，无线连接则实际上是无重量的，但是其确实需要进行精心设计，而天线则是系统中最关键的方面之一。随着汽车制造商在从MHz级的低频到GHz级的高频的范围内采用更多类型的无线连接，天线设计和位置变得越来越重要。随着5G连接进入车辆，据此提供V2X和自动驾驶等关键任务连接，这些设计考虑将变得更加重要。支持全自动驾驶所需的数据基础设施将严重依赖于无线技术，包括Wi-Fi和5G。

无线化带来了许多挑战，尤其是因为车辆仍然主要使用大型压制金属面板制造。虽然金属很难完全被取代，但这却正在发生。汽车设计和制造正越来越多地使用玻璃和塑料。大多数类型的玻璃和许多塑料对无线电波是可穿透的。这种可穿透性对于开发使用无线连接的电子系统的工程师来说是个好消息。这还可以使汽车设计人员探索新的概念。例如，全玻璃车顶正变得越来越普遍，这种新颖设计提供了在车顶空间安装天线的方案，据此就可以畅通地到达玻璃孔。

随着对无线连接需求的增加，这可能会推动更多利用玻璃和塑料的设计新时代。当然，这也需要与设计更实惠、可维护、可回收车辆的需求相平衡。

一般而言，电动汽车在机械上比内燃机汽车更简单。这种简单性意味着可以将其设计得更持久、更容易维修和维护，并且可实现高度回收。然而，电动汽车中的电子系统将更加多样化，并且在自动驾驶的情况下会变得更加复杂。功率消耗、动力和电子系统之间的平衡将发生变化，这也可能对所采用的储能系统类型产生影响。

自动驾驶所引发的思考

塑造汽车设计、所有权和利用未来的另一个主要趋势是自动驾驶。所有权和自动驾驶之间的相关性正变得越来越强，许多人认为，第一批全自动驾驶汽车将会是出租车和拼车方案。这一理论可以用经济学来解释：自动驾驶电动汽车的购买成本高昂，但运行成本较低，因此要获得回报，车主需要提高利用率。

大多数私人拥有的车辆大部分时间都停在某个地方。这意味着每英里的成本很高。另一方面，出租车和其他服务车辆则大部分时间都在运营。提高使用率可降低每英里的成本，如果这一成本有加成，就像出租车一样，它就会转化为正投资回报。

这里一个令人兴奋的研究领域是自动飞行电动出租车。这听起来像是科幻小说，但这却正在发生。它之所以有意义是有充分理由的，尤其是因为许多旅程都很短，而且是在拥挤的城市中。在城市上空飞越可减少道路层面的拥堵。现在已经有几个试点项目正在运行，并且在使其成为现实方面已经花费了数百万美元的研究资金。在自动驾驶运营方面，进入第三维度很有意义。即使在低空，天空中也没有道路、建筑物或行人。天空给了自动驾驶汽车很大的自由，唯一的障碍是其他飞行器。

进入第三维度将会提升对可靠无线连接的需求。默认情况下，无线技术是全向的。现代系统更具辨别力——可以使用相控阵天线和MIMO（多入多出）来引导射频能量并尽可能提高可用带宽。覆盖范围也可能是一个考虑因素。城市地区的陆基收发器可能永远不会离5G基站或等效基站很远，但空中车辆的分布将会更加广泛和分散。障碍物越少，无线信号应能传播得越远，其所受到的干扰和多径失真也会越少。空中车辆也将影响系统的设计方式。

支持汽车创新

现在有几种基础技术可对汽车行业的这种创新水平提供支持。无线连接和天线设计是其中之一。宽禁带（WBG）半导体开关是另一种技术。这些汽车创新是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等技术所能产生真正影响的地方。

宽禁带半导体通常能比普通硅器件提供更高的效率。其使用对电源系统的设计方式有多种影响。受影响的中央系统包括电池管理系统、车载充电器和车外充电器。电源逆变器用于将来自电池（或同类产品）的直流电转换为交流电，进而驱动电机。这些系统的效率对行驶范围有直接影响。开发人员可以通过以更高的开关频率运行功率器件来实现更高的效率。提高频率对开关电路中所使用的无源元件和磁性元件具有设计意义：一般来说可以使其更小，无论是规模还是价值。开关器件本身也在缩小尺寸，因为其可以在更高的温度下工作。因此，就能得到整体体积更小的系统。

作为一家汽车、国防和航空航天行业的供应商，国巨集团在帮助OEM厂商开发可靠解决方案，据此应对上述所有挑战方面拥有丰富的经验。尽管上述的一些方案是推测性的，但其中有许多挑战在今天都是真实存在的。汽车行业的发展方向现在需要正确的使能技术，这就是像国巨集团这样的供应商所能发挥真正、积极影响的地方。