汽车上的传感器种类繁多,比如压力传感器,曲轴位置传感器,氧传感器,爆震传感器等等。然而,在汽车“电动化”的发展浪潮之下,当燃烧做功这一复杂的物理过程被抛弃之后,很多和内燃机相关的传感器正面临着市场日益萎缩的风险。
与此相反,有一种传感器的用量却不减反增,且变得愈加重要,甚至堪称是电动化浪潮下最大受益的者。它既不新潮,能够像激光雷达一样惹来众多初创企业和资本,也不涉及到复杂的算法和AI,却也有着不错的市场前景。
它,就是电流传感器。
应用
在过去,汽车上的电流传感器,其最主要功能是用在12V蓄电池的电池管理系统。
而随着电动车的快速普及,一些全新的“管理系统”也纷纷涌现,例如DCDC,On-board-charger, 电机逆变器,高电压电池管理系统等等,这无疑给电流传感器的制造商们,带来了新的市场发展潜力。
同时,随着电动汽车周边充电设备的全面推广,其在基建上也需要用到更多的相关电流传感器。这些新的系统将会带来平均1-3个新增的传感器测试点。
因此,电流传感器市场的增速或将超过电动车市场的增速。
根据IHS Markit的一份报告显示:汽车电流传感器市场将从2018年的约三亿美金增长到2030年的20亿美金,年复合增长率达16%,而这还是在没有考虑充电设备市场推广的情况下。
技术路线与趋势
电流的测量可以大致采用两种物理方法:电阻法和磁效应法。
根据欧姆定律,电阻法通过采用高精度,低阻值和低温度系数TCR的电阻进行分流器(shunt)设计。这种方法的优点在于拥有较高的精度和线性特性,较小的误差,更高的电磁抗干扰能力,而且可以根据母线(busbar)进行定制以充分利用空间,方便系统集成。在小电流情况下这是非常普遍的设计方法。它的缺点在于属于接触式设计,对在大电流情况下的电气隔离设计有挑战。
磁效应法还可以分为霍尔(hall),磁通门(fluxgate),以及磁阻效应(xMR)三种方法。这三种方案均有无接触式测量的优点。
🔳 霍尔方案:这类方案基于霍尔效应,在通电导线上套一个聚磁环,同时内嵌一个霍尔元件,通过检测导线电流产生的磁场来测量导线电流大小。霍尔方案又可以细分为开环(open loop hall)和闭环(closed loop)两种, 如下图所示。闭环方案精度虽高但是成本也高,因此其在汽车产业的相关领域应用较少,而开环方案在汽车领域运用多年,设计成熟度高,成本低,虽然精度相对较低,但仍然是目前的主流应用方案。
🔳 磁通门方案:磁通门技术主要是利用易饱和磁芯在外部激励电流作用下产生的磁通量的变化来对被测电流进行间接检测的一种方法。相对霍尔方案,其拥有精度更高且误差更小的优点,随着电池管理系统BMS对电流采样精度要求的提高,一些厂商也在从霍尔方案转为采用磁通门技术方案(fluxgate)。它的缺点则在于成本相对较高。
🔳 磁阻效应方案:顾名思义,磁阻效应方案利用磁性材料在外部电流产生的磁场作用之下阻值的变化来对电流进行检测。xMR传感器还可细分为各向异性磁阻效应(AMR),巨磁阻效应(GMR)和隧道磁阻效应(TMR)三种。在电流测量方面,它们对比霍尔方案最大的优点在于测量精度高带宽高。随着宽禁带半导体器件SiC/GaN的引入,电机逆变器将拥有更高的开关频率,这给电流的测量带宽提出了更高的要求,同时这也是xMR技术的一个好机会。目前一些厂商如TDK-micronas, Aceinna, sensitec,Allegro Microsystem都推出了基于xMR技术的电流传感器芯片。
如上所述,电流传感器的技术路线多种多样,根据不同应用的需求也各有侧重,这里我简单的做一个分类归纳:
◽ 对目前的12V电池BMS管理系统而言,电流传感器方案将采用由传统的霍尔方案逐渐整合温度测量功能,同时由于一些新功能如启停系统的引入,对最大电流,精度和误差提出了更高的要求,业内主流还是采用的分流器方案,且比例有扩大的趋势。
◽ 对电机逆变器而言,交流端电流测量的精度要求并没有特别高,功能安全和信号质量是重中之重,因此业内采用的主流方案还是相对成熟的霍尔方案。
◽ 对高压锂电池BMS管理系统而言,业内目前更看重的是直流测量的精度和0安培offset特性,同时出于设计冗余考虑,厂商往往采用一套主电流传感器和一套冗余电流传感器,且这两套测量系统往往要求基于不同测量原理。主传感器可以采用比如分流器或者磁通门传感器,而冗余电流传感器则采用霍尔方案。
◽ 磁阻效应xMR技术,虽然在测量精度,带宽,电气隔离等方面具有有优势,但该类技术相对较新,汽车行业并没有太多的推广应用经验,因此接纳得比较慢。对此,笔者曾听闻有业内Tier-1采用各向异性磁阻效应(AMR)技术进行逆变器直流端检测,但是最后出于设计成熟度的考虑把AMR替换成为了霍尔方案。而几家不遗余力推广xMR进行电流检测的厂商如Aceinna,TDK-micronas,sensitec也只是偶有听闻在OBC,充电设备上得到采用,远不如其作为位置/角度传感器推广的好。
主要供应商
车规级功率电阻的供应商有不少,比如Vishay(美国威世通),Yageo(台湾国巨), Rohm(日本罗姆)等,但大多数还是只提供被动元件作为Tier-2/3而存在。能垂直整合作为Tier-1/2提供整体方案的并不多,在这方面做的比较好的主要有Isabellenhütte(德国伊萨贝棱辉特)。LEM也有smart shunt解决方案,但是主要用在12V 电池管理上。
磁效应电流传感器按其产品形态还可细分为电流传感芯片和电流传感器(模组)。
电流传感芯片的供应商相对较多,且技术流派多样,他们既可以作为Tier-3向模组厂商如LEM供货,也可以直接向Tier-1如博世,大陆集团集团供货。基于霍尔效应的电流芯片供应商主要包括Melexis,旭化成微电子AKM, Allegro Microsystems, TDK, 英飞凌等企业;基于AMR技术的产品供应商,目前业内有名的包括Sensitec,Aceinna等企业;基于GMR技术的企业是Allegro Microsystems;基于TMR技术的企业则包括TDK, Crocus technology,以及希磁科技。
磁效应电流传感器(模组)的主要厂商包括LEM,Kohshin (日本甲神电机),比亚迪微电子。其中最著名的要数LEM。这家来自瑞士的隐形冠军在2020/2021财年的总营业额约为3亿瑞士法郎,其中在汽车市场的营业额达7500万瑞士法郎,年增12%。其在磁效应电流传感器细分领域市场目前处于支配地位,它的最大竞争对手往往来自客户内部的自研产品。在国内市场,比亚迪微电子表现也不俗, 出货量接近百万,且已经开始对外部供货。
对模组供应商而言,除了产品技术特性本身,整车厂也看重产品的可定制化,可集成能力和可扩展性。如下图,德国伊萨和LEM都把能提供定制化,方便母线集成的传感器作为自己的竞争优势。
对磁效应电流传感器这条路线的公司而言,其可以往定制传感器方向发展,提供高附加值的产品,也可以提供标准件,并积极在半导体封装和设计方面进行布局。
当今汽车产业的“电动化浪潮”,堪比IT革命:这场猛烈的电动化浪潮,为我们催生了大量基于电气化,电池,轻量化,半导体传感器,充电桩和热管理等等“硬核技术”。
相比于其他“富有想象力“的热门类产品,电流传感器的发展显得极其低调而质朴。
但是仔细研究的话,我们不难发现,它内部的门道很多,技术门槛也不算低,需要对材料技术和生产工艺有多年的积累才能保质保量的做好这个产品。
搭上了“电动化“这个东风,”电流传感器“这个细分赛道究竟会成长到何种规模何种程度呢?
让我们拭目以待吧!
特邀撰稿:陈佐为
作者简介:坐标欧洲,多年汽车行业从业经验,目前在一家全球知名的咨询公司担任首席分析师,主要关注auto tech领域。
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