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“车用智能氮氧化物传感器”获2019年度汽车电子

发布日期:2020-11-15 06:54

  中国汽车界与媒体界广泛关注的年度盛事,由深圳市汽车电子行业协会主办的汽车电子产业的“奥斯卡”奖 2019年度汽车电子科学技术奖颁奖典礼于2020年9月12日下午在”2020中国(深圳)国际汽车电子产业年会”现场隆重揭晓。

  “中国汽车电子科学技术奖”由深圳市汽车电子行业协会设立,是面向全国范围内汽车电子领域的科学技术奖。该奖对我国汽车电子领域科技成果的认定和市场推广、成果孵化、激励广大科技人员的科技创新积极性,对接产业资本、宣传企业技术实力起到了很好的作用。奖项评审工作由深圳市汽车电子产业专家委员会独立承担,奖励在汽车电子领域的科学研究、技术创新、科技成果推广应用、高新技术产业化以及重大工程建设等方面作出突出贡献的单位、个人及优秀的单个产品。汽车电子科学技术奖由企业自行申报,专家或行业媒体推荐,秘书处统筹资料收集筛选,由汽车电子产业专家委员会参照产品、企业、人物的创新性、创新类型、技术先进性,科技成果、知识产权、曾获科技奖励情况、企业技术经济指标等多方面综合考虑评审。本届汽车电子科学技奖从2019年9月到2020年2月6日,历经五个多月的征集,全程不收取任何企业的任何费用。项目征集完成之后,又历经三个多月的评审,参评企业来自21个城市,有199家企业的支持和参与,共有281个项目参加评选,最终由独立专家评审团的20多位专家,恪守公平、公正、公开、回避的原则,经过三轮评审得出最终的评选结果。

  西安创研电子科技有限公司作为优秀企业应邀参会,并凭借“车用智能氮氧化物传感器”荣获2019年度汽车电子科学技术奖突出创新产品奖。

  本项目开发的车用智能氮氧化物传感器(下文简称“NOX传感器”)属于汽车电子领域,是汽车尾气处理SCR系统中的核心基础零部件,主要用于国Ⅳ、国Ⅴ和国Ⅵ排放标准发动机尾气中氮氧化物(NOX)含量的检测,或汽油和柴油发动机的车载诊断(OBD)系统。

  目前,市场上唯一商业化的NOX传感器由德国大陆公司提供(日本NGK提供传感器陶瓷芯片,德国大陆提供电控单元(SCU)及最终产品的组装、标定)。在我国大力支持环境保护、机动车污染治理及机动车国Ⅵ排放标准的产业环境和政策背景下,对汽车NOX排放的限值也越来越严格。随着国Ⅵ排放标准的实施,每辆车上NOX传感器的数量将从1个增加至2个,NOX传感器的市场需求量将成倍增长。据估算,我国每年至少需要800~1000万个NOX传感器,这将是一个五十亿元的市场,产品市场容量大、前景好。为了促进NOX传感器的国产化,2018年NOX传感器被工信部列为强基工程重点支持方向之一,足以看出国家对NOX传感器的支持力度之大。

  NOX传感器的关键技术主要包括传感器陶瓷芯片设计、陶瓷基体及电子浆料等材料的选型、多层陶瓷制备工艺(HTCC)、探头封装结构及封装工艺、电控单元(SCU)硬件电路、控制策略及软件系统开发等。西安创研电子科技有限公司(属于西安创联集团下属子公司)利用西安创联集团公司在电子浆料、气体传感器、厚膜工艺技术、电子电路开发等方面的研发基础和生产经验,于2014年对NOX传感器项目进行立项。同时,2016年,该项目(汽车尾气SCR系统用片式多层陶瓷氮氧化物传感器研制,2016KTCQ01-04)也被列入陕西省科学技术厅的科技统筹创新工程计划项目,并于2018年完成项目验收。

  项目团队经过一系列的攻坚克难,大胆创新,实现了传感器陶瓷芯片结构、材料及生产工艺的设计定型,陶瓷芯片性能与NGK产品接近,满足封装要求;设计了与现有专利不同的探头封装结构,并固化了封装工艺;完成了电控单元(SCU)的设计开发及配套应用,SCU可实现传感器与汽车ECU通信,满足传感器的闭环控制,与国际同类产品完全兼容;采用该陶瓷芯片和电控单元(SCU)封装的NOX传感器产品经客户试用,产品的性能、稳定性与可靠性均能满足后装市场要求,已进入小批量生产供货阶段。产品达到德国大陆的技术水平,质量达到国际先进、国内领先水平,实现了NOX传感器的国产化,打破了国外技术垄断。目前已成为国内两家掌握NOX传感器核心技术,具有批量生产NOX传感器能力的企业之一。现阶段正加快产品在主机厂的认证工作,争取能够尽快以高可靠、高稳定的产品配套主机厂。

  目前,该项目已取得了一系列自主知识产权,共形成企业标准2项,申报专利11项,其中5项实用新型专利已授权,6项发明专利已受理并公示。同时,在后端市场已实现销售产值575万元。截止到2019年底,本项目已累计投资3000万元,建设完成一条HTCC/LTCC陶瓷芯片生产线、一条高集成化半自动探头封装线、搭建了产品测试系统平台,产能可达到2万套/年。同时,正在进行陶瓷芯片生产线的扩建增容及自动封装线的建设,预计产能届时可达到20万套/年,产值9600万元,销售利润2507.5万元,销售利润率为26.12%。

  目前,我国已成为全球柴油机生产和使用大国。柴油机在给人们带来生产、生活方便的同时也带来了日益严重的环境问题。为了应对环境挑战,我国机动车污染物排放标准逐步提升。现阶段我国实施国Ⅴ排放标准。2021年起,将逐渐实施国Ⅵ排放标准。国Ⅵ相对于国Ⅴ变化最大的是将NOX 的排放限值严格了67%。2018年6月,国务院发布了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,计划中明确提出,2020年底前,淘汰国Ⅲ及以下排放标准营运中型和重型柴油货车100万辆以上。并从2019年7月1日起,重点地区将提前实施国Ⅵ排放标准,确保柴油货车污染排放总量明显下降,打好柴油货车污染治理攻坚战。可以看出,我国正在加大力度治理机动车尾气排放污染。

  国Ⅴ、国Ⅵ排放标准的汽车尾气后处理系统以选择性催化还原技术(以下简称“SCR”)为主。本项目开发的NOX传感器就是SCR系统中的核心基础零部件,主要用于国Ⅳ、国Ⅴ和国Ⅵ排放标准发动机尾气中氮氧化物(NOX)含量的检测,或汽油和柴油发动机的车载诊断(OBD)系统。目前,市场上90%的NOX传感器由德国大陆公司提供,国内基本采用进口的方式。一方面,这大大增加了我国SCR系统的安装成本,一定程度上影响了汽车尾气后处理技术在国内的普及和发展。另一方面,陕西省是汽车工业大省,汽车工业是我省着眼转型升级作出的重要战略部署发展壮大产业,补齐汽车零部件配套短板,是我省打造汽车支柱产业的关键。2018年11月出台的《西安市汽车产业发展规划(20182025年)》中明确指出,与我市的汽车整车相比,汽车零部件较为薄弱,汽车整车本地配套率仅有30%。对此,要着力推进商用汽车产业链集群发展,到2021年商用汽车省内配套率提高到60%以上。

  在国家大力支持环境保护、机动车污染治理及机动车国Ⅵ排放标准的产业环境下,在我市大力发展汽车产业的政策背景下,西安创研电子科技有限公司利用集团公司前期的研发和生产经验,对NOX传感器进行立项开发,计划以车用NOX传感器为核心产品,覆盖商用车市场,并逐步拓展汽车传感器产品的系列化发展,努力将公司打造成为国内领先的专业化、系统化、国际化的汽车传感器生产商。

  本项目计划总投资7000万元,围绕NOX传感器的技术开发和产业化进行项目建设。项目建设完成后,达到年产NOX传感器20万套的生产能力。实现年产值9600万元,销售利润2507.5万元,销售利润率为26.12%。

  本项目在成功开发出NOX传感器的过程中,在陶瓷芯片结构设计、制备工艺、封装结构、电控单元(SCU)及产品测试等方面进行了一系列的技术创新,取得了一系列创新成果,具体如下。

  基于腔室结构对气体扩散速度的影响,设计了电极结构、扩散障结构、腔室结构、压力扩散孔结构、加热电极等,有效提高了测量精度及信号检测稳定性。

  陶瓷芯片制备采用多层高温陶瓷共烧工艺(HTCC)。膜片腔室成型采用机械冲孔一次成型(精度<30m);内部功能腔室成型采用丝网印刷技术代替了传统的膜片填充技术,避免了膜片填充方式中常出现的填充不完全、不平整等问题;高温共烧采用排胶烧结一体化工艺,解决了生坯排胶后转炉过程中易损坏的问题,避免了烧结过程中出现的分层及开裂。

  考虑到气体流动对芯片的影响,将进气通道设计成百叶窗结构,既可以避免陶瓷芯片因受到气流过大的冲击而受到伤害,又可以抑制芯片温度的变化,避免局部温度过高或过低;结合自动化压装工艺,设计的密封结构,既保证了气密性能,同时减少了零部件数量,有效提高了生产效率和合格率。

  采用汽车级CPU,设计了外围电路及功能模块,通过NOX微电流信号检测技术、弱信号抗干扰技术和模糊PID温度控制技术,实现了等效于国外定制集成化CPU的功能,达到对探头的精确控制;结合探头的功能及要求,设计了符合加热及三泵联合工作的控制策略,提高了对O2和NOX浓度的测量精度。

  (5)基于氧泵气敏特性的测试系统开发及测试平台搭建(国家发明专利:10)

  设计开发了包含配气单元、控制单元、检测单元的NOX传感器专用测试系统,并与设备厂家联合开发出自动化多通道测试设备,有效保证了产品测试的准确性,提高了测试效率。

  本项目开发的NOX传感器产品填补了国内空白,实现了国产化。产品的部分性能指标优于国内行业标准,和进口产品相当。产品的性能指标对比见表2-1。

  目前国外进口产品与国内行业标准规定的测量精度均为15%或15ppm。本项目通过优化陶瓷芯片的结构设计、优选对NOX气体具有特殊催化活性的敏感材料、优化电控单元(SCU)的控制策略,根据目前技术达到的情况,将产品的测量精度提高至12%或12ppm,处于行业领先水平。针对不同客户的要求,目前已形成工作电压24V,平五针、方四针、扁四针三种规格的NOX传感器产品。同时开发出12V 52*56mm小板电控单元(SCU)的初样,为实现产品的系列化拓展,配套国外12V柴油版SUV和皮卡车型做准备。

  本项目开发的NOX传感器产品主要针对国内潍柴、一汽、陕汽、云内动力等主机厂,国内后装市场及强制柴油车辆改造等领域。

  (1)主机厂:目前我国年均柴油车总产量约300万辆,依据国Ⅵ排放标准要求计算,每年至少需要500~600万个NOX传感器。西安创研电子科技有限公司目前已经与陕汽、一汽、潍柴、云内动力等国内主机厂进行了交流互访,并与一汽、陕汽签订了战略合作协议,在产品测试、台架试验及产品采购等方面达成了合作。

  (2)旧车改造及售后市场:每年至少需要300~400万个NOX传感器。西安创研电子科技有限公司目前已经与无锡凯龙、无锡威孚力达、西安秦泰等柴油机SCR后处理系统生产厂家就NOX传感器未来的发展趋势、应用领域及合作模式进行了深入的沟通,并在售后市场实现10400套产品销售,产值575万元。

  本项目的产品领域为汽车电子,目前正在进行国际汽车行业的技术规范IATF16949质量管理体系认定的准备工作。

  本项目建设地点为西安市雁塔区电子西街三号西京电子工业园内,主要包括三部分:

  (1)陶瓷芯片生产车间:生产力大厦A座3层西段现有净化厂房,面积831m2;

  (2)陶瓷芯片检测及SCU开发车间:西京电气西辅楼A座6层,面积630m2;

  (3)探头封装、成品装配车间:301-201东配楼1楼。面积650m2。

  在现有生产能力的基础上,将对NOX传感器HTCC/LTCC陶瓷芯片生产线进行扩建增容;建设智能化封装、组装线及测试、标定系统;新增核心设备仪器40台;建设完成后将实现年产NOX传感器20万套的能力;

  NOX传感器产品主要针对国内潍柴、一汽、陕汽、云内动力等主机厂,国内后装市场及强制柴油车辆改造等领域。

  在组建销售团队进行产品销售的同时,发展产品代理商,并围绕主要的销售对象,根据不同应用的领域,制定不同的销售策略。

  (a)参加各类行业性的展会:参加国内外电子信息行业展览会和技术研讨会,扩大产品及企业知名度;

  (b)网络宣传:积极推进电子商务,同环球资源网、电子元器件商务网等紧密合作,展开在线销售和在线技术服务;

  (c)专业杂志广告宣传:在国内外专业媒体如电子元件与材料、电子元器件、电子元器件应用等,进行对公司和产品的广告宣传;

  (d)战略合作:公司每年召开一次顾客技术研讨会,强化与顾客的沟通与交流,促进战略合作伙伴关系;

  本项目计划总投资7000万元人民币,资金来源全部采用企业自筹。资金使用方案见表2-2。

  项目建设完成时,将达到年生产NOX传感器20万套的能力,其成本和费用测算如表2-3所示。

  上述数据表明:该产品在达产年时,可实现产值9600万元,销售利润2507.5万元,销售利润率为26.12%。后期随着产品生产规模的扩大,在不断提高产品技术水平及组织生产能力的同时,将对关键材料进行自主开发,力争从人力、原材料、经营管理等方面逐渐降低成本,增加产品收益,取得更大经济效益。

  开发的NOX传感器产品经客户使用及第三方检测机构检验,产品均能满足要求。

  (1)用户试用:产品经北京国研、卓品智能科技等公司试用后,反映较好,满足用户使用要求。

  (2)第三方检验:产品经陕西省电子信息产品监督检验院做性能鉴定检验,鉴定结论合格;

  产品送检国家汽车质量监督检验中心,装载在一汽CA6DM2-46E51车用柴油发动机上,进行排气污染物试验,依据行业标准JB/T11880.7-2014《柴油机 选择性催化还原(SCR)系统第7部分:氮氧化物传感器》的要求,检验结果认定合格。

  2019年7月获得2019年“沣东杯”陕西省科技工作者创新创业大赛银奖;