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[導(dǎo)讀] 汽車制造商正在采取多種方法制造綠色汽車,包括純電動汽車和各種混合動力汽車及輕度混合動力汽車。但它們都不會很快變成主流,主要原因是在可預(yù)見的未來電池仍然太大、太重、太貴和能量不足。此外,功率電子器件也

 汽車制造商正在采取多種方法制造綠色汽車,包括純電動汽車和各種混合動力汽車及輕度混合動力汽車。但它們都不會很快變成主流,主要原因是在可預(yù)見的未來電池仍然太大、太重、太貴和能量不足。此外,功率電子器件也有許多設(shè)計挑戰(zhàn)需要解決。

  2017年上路的混合動力汽車數(shù)量將達(dá)到150萬輛,幾乎是今天87萬輛的一倍,但仍然只有全球所有汽車數(shù)量的1.6%,綠色汽車市場研究公司Pike Research表示。
  相比之下,啟停汽車(在美國幾乎還沒有引起人們注意的一種汽車)將迅速發(fā)展。這些輕度混合動力汽車沒有電動機(jī),而是使用更加強(qiáng)勁的啟動機(jī)/交流發(fā)電機(jī)/鉛酸電池組合,在空閑時關(guān)閉機(jī)器,當(dāng)司機(jī)踩下油門時重新啟動。今年,歐洲將購買近300萬輛這樣的汽車,Pike公司預(yù)計到2020年全球售出的數(shù)量將達(dá)到3700萬輛。
  盡管如此,到2017年純汽油汽車仍將在所有客車中占近90%的比例,這家市場研究公司估計。
  汽車制造商正在“廣開門路,但插電式混合動力汽車是滿足最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和燃油經(jīng)濟(jì)要求的優(yōu)秀解決方案,市場調(diào)研公司IHS Automotive的Philip Gott指出。

  我認(rèn)為混合動力汽車方面還將有很大的變化。市場上有許多不同的需求,因此很難預(yù)測人們想要什么。”福特汽車公司研究混合動力汽車和燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)的電子系統(tǒng)工程師Rich Scholer表示,“福特公司最開始推的是普通的內(nèi)燃機(jī)汽車,接著推出了將混合傳動系和插電式混合動力作為可選項的版本。”
  相反,雪佛蘭Volt、日產(chǎn)Leaf和豐田Prius是全新設(shè)計車型,Scholer指出:“但這是一種相當(dāng)昂貴的做法,而在已有平臺上搭建新車更具成本效益。”與此同時,像Coda和Tesla等新創(chuàng)汽車制造商也在準(zhǔn)備推出新車,包括全電動的5座轎車。
  但“一個成熟的市場至少需要3到5年的培育期。”這位福特工程師表示。
  最令人頭疼的問題是電池組,這些電池組至少要在汽車標(biāo)價中增加1萬美元,Pike公司高級分析師John Gartner指出。今天的最佳技術(shù)(鋰離子汽車動力電池)每千瓦時的成本高達(dá)1000美元。美國能源部的目標(biāo)是將電池價格降低到250美元/千瓦時。
  IHS的Gott認(rèn)為,這個價格要到2020年或者2020年以后才可能實現(xiàn)。Gott至少跟蹤分析了4種鋰離子電池和幾十種亟待突破的其它化學(xué)電池。
  “判斷哪種電池會勝出還為時過早,因為幾乎每天都在發(fā)生變化。”Gott認(rèn)為,“我無法指明誰勝誰輸,即使是鉛酸電池也一樣。”
尚無批量出貨的電池管理芯片
  今天的車載充電器通常只有相對慢速和小型的3.3kW或6.6kW輸出功率,它需要幾個小時的時間才能給一輛電動汽車充滿電。更大的15kW或20kW直流充電器的速度很快,但體積仍然太大,將它放在汽車?yán)镉泻艽蟮娘L(fēng)險,因此一般內(nèi)嵌在外部充電設(shè)備中在家庭車庫內(nèi)使用,福特的Scholer表示。
  為了避免過熱和起火,大型鋰離子電池組中的每節(jié)電池的充電和放電需要被仔細(xì)管理。“我們正在尋找這方面的芯片,但目前沒有正式批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。”飛思卡爾傳動系和混合動力汽車組件部門的營銷經(jīng)理Cherif Assad表示。
  飛思卡爾今年早些時候宣布的低壓電池控制器的應(yīng)用目標(biāo)就是輕度混合動力汽車,或用于再生制動,這時剎車產(chǎn)生的能量將被用來充電電池或超級電容。
  然而到目前為止,插電式汽車使用的大多數(shù)充電器采用的是現(xiàn)有工業(yè)級器件,只是針對汽車應(yīng)用作了一些改進(jìn)。
  單獨來說,混合動力汽車要求預(yù)驅(qū)動器和控制器電路來驅(qū)動30kW或120kW的電動機(jī)。飛思卡爾和富士電機(jī)合作設(shè)計了使用細(xì)長逆變器的部件,這種逆變器可以與機(jī)械模塊及其冷卻系統(tǒng)集成在一起。這些新部件必須將效率從目前的約35%提高到90%以上,Assad表示。
  “逆變器在改善性能、尺寸和重量方面從未受到過太多的關(guān)注。”飛思卡爾策略與業(yè)務(wù)發(fā)展部總監(jiān)Dan Viza表示,“最初的實現(xiàn)使用現(xiàn)成的工業(yè)元件,但我們不久就會看到首批專門為逆變器和充電單元開發(fā)的半導(dǎo)體產(chǎn)品。”
  傳動專業(yè)公司ZF Friedrichshafen和寶馬今年早些時候啟動了一項研究項目,旨在為混合動力汽車組件創(chuàng)建集成的解決方案,目標(biāo)是集成控制和功率電子器件,以簡化混合動力車的生產(chǎn)和服務(wù)。英飛凌和無源器件制造商Kemet也參與了這個項目。
  這種集成要求采用新的冷卻概念,以便元件能夠忍受傳動系統(tǒng)中的高溫環(huán)境。
  這樣做成的設(shè)計可減少電纜走線,簡化系統(tǒng)接口。混合動力或電動汽車的總體電氣架構(gòu)與已有架構(gòu)“完全不同”,并且因650V信號和400A開關(guān)而產(chǎn)生EMC兼容性問題,飛思卡爾Assad指出。這意味著監(jiān)視電源信號的轉(zhuǎn)換器、逆變器和控制器需要使用新的高壓接口,他表示。
  另外也需要標(biāo)準(zhǔn)、特別是充電器的標(biāo)準(zhǔn),而對這些標(biāo)準(zhǔn)的研究已經(jīng)成為福特公司Scholer的全職工作。
  “我們20年前就開始研究電動汽車標(biāo)準(zhǔn)了,現(xiàn)在我們正在針對插電式混合動力汽車修改這些標(biāo)準(zhǔn),并開始研究燃料電池標(biāo)準(zhǔn)。”Scholer透露,“我們研究SAE標(biāo)準(zhǔn)的時間大約有3年時間了,有些標(biāo)準(zhǔn)正處于實現(xiàn)階段,不過在這些標(biāo)準(zhǔn)上我們準(zhǔn)備再花3至5年的時間,直到各方面都趨于完善。”
  多個標(biāo)準(zhǔn)組織的工作正在與研究演示項目和現(xiàn)場部署齊頭并進(jìn),他指出。
  研究對象包括各種協(xié)議,比如針對通過電力線將額定值信息傳遞給公用事業(yè)公司的智能能源規(guī)范2.0,以及支持通過直流快速充電的規(guī)范。
  后者的支持者ECOtality公司據(jù)說得到了美國能源部的幫助,并準(zhǔn)備在加州、俄勒岡州、田納西州、華盛頓州和其它州安裝多達(dá)1300個公用充電站。該計劃包括約350個快速充電站。
  “汽車制造商知道如何控制車載充電器,但用車外控制器進(jìn)行控制還有很多事情要做。”Scholer指出。
  針對快速充電器的原始標(biāo)準(zhǔn)草案目前正在準(zhǔn)備初次投票,但一旦系統(tǒng)得到部署,工程師將了解有關(guān)他們行為的更多知識。“隨著實現(xiàn)的不斷進(jìn)展,肯定還會有變化。”Scholer表示。

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