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社會元器件 特別對談

此內容經本文作者許可印刷,并于2017年8月至2018年2月期間發布在由Nikkei Business Publications, Inc.
運營的工程信息網站“Nikkei Technology Online”上。

※在此內容發布時,公司和職務信息均真實且正確。

電動化汽車不遠的未來 核心突破引領技術發展

電動汽車(EV)很有可能為作為社會支柱的移動交通領域帶來巨大的變革。圍繞EV的技術動向及移動交通領域的未來藍圖等問題,我們特別邀請了正在發展車載半導體事業的羅姆公司董事長社長澤村諭先生,以及著力研究無線供電等EV核心技術革新的東京大學研究生院教授堀洋一先生,請二位專家進行了交流。

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澤村先生

 孕育出車載半導體元器件新需求的汽車電動化,對羅姆而言是一個重大的機遇。羅姆以電阻器制造商的身份誕生于1954年,并在1960年代開始將事業的重心轉入了半導體領域。過去主要針對家電設備推出半導體元器件,近十年來,則一直致力于面向汽車及工業設備的事業強化。截至目前,羅姆在這兩大領域的銷售額,已經占到了總銷售額的43%。雖然目前EV在汽車市場所占的份額還很小,但其發展前景卻是非??捎^的。

堀先生

 只要能實現EV核心技術的革命性突破,相信EV一定能達成快速普及。

 我認為,目前的EV尚未脫離傳統汽車的概念范疇。換言之,仍然處于單純將傳統汽車的動力源由發動機替換成電機的初級階段。實際上,EV具備傳統汽車所沒有的全新特性。而構成這些特性的基礎,就是電機所帶來的全新功能及優勢。具體來說包括3點:(1)扭矩反饋快于發動機,(2)可分散配置動力總成,(3)可準確掌控輸出扭矩。只要充分發揮這些功能優勢,想必定能有效體現EV獨有的附加價值。例如,通過電機驅動才能實現的精細運動控制,可避免輪胎打滑現象的發生。利用該功能,能夠在維持同等運動性能的同時,減小輪胎寬度,提升燃油經濟性。

 伴隨此類受市場歡迎的核心技術的不斷革新,EV市場將實現飛躍性的擴大。

次世代技術推進現有車輛的革新

澤村先生

 目前,電動化的發展速度遠高于業內最初的預期。話雖如此,但目前市場上的汽車是不可能在短期內一下子被替換成EV的。舊有的汽車市場將會延續相當長的一段時間。以此為前提,羅姆將現有車輛、EV以及自動駕駛車輛全部納入視野,正在著力推進車載半導體事業(圖1)

圖1 羅姆面向電動車輛推出的解決方案
圖1 羅姆面向電動車輛推出的解決方案
堀先生

 圍繞汽車制造的新技術發展正在不斷加速,媒體對該領域的關注度也越來越高。與此同時,諸如還有多少年EV能取代燃油汽車,再過多久能迎來自動駕駛時代之類的問題似乎也逐漸增多了起來。但無論是哪一方面,都不可能一蹴而就。實際上,燃油汽車與EV并存的時期將會很長。在順應汽車新技術浪潮推進事業發展的同時,應該要多考慮實際面臨的情況。

澤村先生

 確實如此。羅姆為車載半導體事業設計了三大核心主題。分別是“安全”、“自動化&ADAS(高級駕駛輔助系統)”和“電動化&節能化”。在“安全”方面,從離散元件產品及電阻器等市場占有率高的通用元器件,到高性能的LSI,羅姆在所有車載用產品上都徹底追求高品質,立志實現“Zero-Defect(零缺陷)”。

 而在關于“功能安全”的產品開發上,也投入了不少精力。羅姆正在推進儀表盤顯示屏的LCD化及側視鏡的電子化,這些電子系統一旦故障,會引發嚴重的事故。羅姆研發出了具備組件IC間故障檢測功能,可實現事故預防的儀表盤液晶顯示屏用芯片組,做到了領先于業界的產品化。這是最早將車載設備所需的功能安全,運用到實際生產中的產品。

堀先生

 伴隨著汽車電子化的進程,與安全有關的電子工學,應該會在越來越多的領域發揮作用。相信廣大半導體制造商的重要性將會日益凸顯。那么“安全”以外的主題又如何呢?

澤村先生

 在“自動化&ADAS”方面,羅姆主要圍繞支持激增的傳感元器件的通信IC及安全供電提供支援。

 而在汽車的“電動化&節能化”方面,羅姆不局限于EV領域,而是將各類驅動方式的車輛作為對象。對于以歐洲為主要市場的48V中度混合動力汽車,推出了搭載有羅姆獨家高效率電源技術“納米脈沖控制”的最頂尖電源IC;而在插電式混合動力車及EV的變換器領域,則推出了柵極驅動器、SiC(碳化硅)功率元器件等產品。

堀先生

 作為一名任職于大學的研究者,我正在從事針對汽車發展的大跨度研究。我具體參與了EV控制、無線電力傳輸系統、可實現快速充放電的超級電容器(雙電層電容器)等技術運用的研究,而這些研究的前提,都是“100年后的汽車能借助‘電機’、‘電容器’、‘無線’驅動”的愿景。

 圍繞汽車的動力源,確實終將掀起一波將發動機置換成電機的巨大浪潮。但是,我認為現有的EV還沒有達到可直接普及的程度。其理由之一,就是能源供應方式終究會出現問題。目前的EV在車身上搭載了Li離子蓄電池,通過蓄電后放電實現供能,但每次充電時都必須長時間停止車輛行駛。而且電池可儲存的能量有限。與一輛燃油車可儲存的能量相比,EV搭載的Li離子蓄電池可儲存的能量存在致命性的不足。為此,駕駛員不得不在駕駛的過程中始終關注續航里程。

 我個人認為,EV更應當像軌道交通那樣,直接接受基礎設施供電。只要實現了在紅綠燈路口及收費站等地點停車等候時進行充電的“快速簡易充電”,以及通過道路上裝設的充電設備讓車輛在行駛中逐漸接收供電的“路上充電”等,就不必再擔心續航問題了。并且車輛單體也不再需要攜帶大量的能源。如果能實現這些,相信全新的移動交通環境及社會氣象也會隨之展現。要實現借助公共基礎設施的能源供給模式,首先必須要掌握可短時間充放電的“電容器”技術,以及可無線連接電力系統與汽車的“無線(供電)”技術。

澤村先生

 在構想這些近未來移動交通系統的過程中,一項被稱為SEEDS的先進技術想必是不可或缺的。這是因為以SEEDS的誕生為契機,許多創意及新技術才得以首次實現。我們希望通過以最快速度提供具備優異性能的半導體元器件,為汽車行業的發展做出貢獻。

堀先生

 確實,半導體元器件會成為重要的起點。實際上,實現非接觸式電力傳輸的無線供電系統,是在推出高效率的SiC功率元器件之后才得以成功實用化的。

 例如,東京大學研究生院新領域創成科學研究系的藤本博志副教授團隊,曾經在2015年5月,與東洋電機制造及日本精工共同開展了運用無線供電技術的輪轂電機EV試作研究。這項技術的內容,是將作為動力源的電機安裝到4個輪轂中。過去的EV一直都采用電纜向電機供電,但在車輪上下移動的過程中,無論如何都會給電纜造成負擔。而在這輛試作車中,通過利用電磁原理的磁場共振結合方式,施加了無線供電技術,并去除了供電線。

 該無線供電系統實現了高達94.3%的電能傳輸效率(接收到的電能占無線輸出電能的比例),而實現這一效率的,正是SiC功率元器件。無線供電系統可以通過電能轉換回路,將驅動電機所必需的直流電壓轉換為高頻交流電壓,由此實現無線傳輸。提升電能傳輸效率的重要關鍵之一,就是抑制該電能轉換回路中發生的能量損失。藤本副教授團隊在試作車上搭載的輪轂電機,可通過采用高效率的SiC功率元器件,大幅減少該電能轉換回路中發生的能量損失。借助這一設計,成功將電能傳輸效率提升到了實用水平。

 該研究團隊還在2017年3月,發表了搭載無線供電系統,在行駛中通過路面向輪轂電機供電的試作車(圖2)。這輛第二代試作車,不僅采用了無線供電系統,還在升降壓斷路器回路及電機控制變換器中搭載了SiC功率元器件,實現了90%以上的電能傳輸效率。

圖2 由東京大學研究生院 藤本副教授團隊研發的,搭載第2世代輪轂電機的試作車及其工作原理
圖2 由東京大學研究生院 藤本副教授團隊研發的,搭載第2世代輪轂電機的試作車及其工作原理

更多核心技術大揭秘

澤村先生

 SiC功率元器件,是目前羅姆傾注最多精力的產品之一。相較于眼下作為半導體市場主流的Si(硅)而言,SiC具備更優異的電氣特性,堪稱次世代的半導體材料。將其運用到傳輸較大電能的回路所裝設的功率元器件中,可幫助各類設備實現節能及低電能化。但是SiC功率元器件的這些可能性,必然尚未被大眾所熟知。因此,為了讓更多人了解到SiC功率元器件的這些優勢,自2016年至今,在被譽為EV界F1的電動汽車全球最頂尖賽事“Formula E”中,羅姆作為官方技術合作伙伴,為參賽的Venturi車隊提供技術服務。

 Formula E,堪稱是EV領域最頂尖技術的試驗場。在2016年/2017年的第3賽季,羅姆提供了組裝在驅動系統變換器中的SiC肖特基勢壘二極管。而在2017年/2018年第4賽季及下一年的第5賽季,羅姆更將提供SiC MOSFET,在參賽車輛上搭載將構成變換器的主要功率元器件全部SiC化的“全SiC功率模塊”。相較于在2015年/2016年第2賽季使用的未搭載SiC功率元器件的變換器,全SiC化的最新變換器實現了高達43%的體積削減。重量更是減輕了足足6kg(圖3)。經過這一革新,想必車輛的行駛性能將會實現進一步提升。我非常期待看到相應的成果。

圖3 Venturi Formula E車隊的賽車及車身搭載的變換器對比(圓圈內所示為SiC功率元器件的晶圓)
圖3 Venturi Formula E車隊的賽車及車身搭載的變換器對比(圓圈內所示為SiC功率元器件的晶圓)
堀先生

 我覺得在萬眾矚目的場合下展現優秀技術是很重要的。經過這類展示后,在大學等科研單位可能會出現劃時代的應用創新。正如變換器及其中的半導體元器件在無線供電中展現的關鍵作用一樣,它們在汽車電動化中同樣肩負著重要的使命。但是伴隨著系統的革新,它們的存在變得不易被察覺。近年來,在電機周圍安裝電氣回路的“機電一體化”成為了一大趨勢,而隨著這一趨勢的蔓延,普通人會越來越難以了解到半導體元器件的重要性。真心希望新型半導體元器件技術的重要性能夠在各類場合得到展現。

澤村先生

 在當今社會變化及技術進步的背景下,移動交通迎來了巨大的整體變革期。在這一變革期中,羅姆的技術及產品能獲得許多做出貢獻的機會。請各位務必多多關注今后羅姆在汽車領域的活躍表現。

"Social Device" Special Interview - side navigation

2017

電動化汽車不遠的未來 核心突破引領技術發展 「貢獻“高效化”屬于企業責任 技術人員支持及革新技術可成為巨大助力 開拓制造業新時代的IoT 革新技術促進了自動化與IT的融合

開創新社會的尖端技術

2016

促進社會變革的自動駕駛技術 電子元器件的進化推動加速普及 迎來實踐階段的工業物聯網 展開超越現有框架的合作不可或缺 高度發展的消費類設備開發 改變意識開創新局 高效化的技術推動創造新社會的新產業革命

從尖端技術展望新社會

2015

IoT悄悄掀起社會大變革 勇于挑戰才能敲開新市場大門 改變產業和生活的IoT 傳感技術的進化推動加速普及

開創未來社會的革新技術

2014

共同進化的汽車與電子技術 先進技術的融合帶來社會變革 抑制能源消耗實現可持續社會 憑借高效率化和小型化技術做貢獻 憑借信息通信技術進步的日本農業 超越傳統框架的合作推動革新

技術開拓新社會

2013

強化企業的社會意識 穩步推進社會基礎設施的技術革新 在建筑業推進高級能源管理 無需電池的無線通信技術將成解決方案之一 醫療器械挑戰世界性課題 新一代半導體為技術革新做貢獻