清洁能源车的灰色小秘密

2011-06-22 20:42:23来源: 电子工程专辑

  汽车制造商正采取多种途径以实现“绿色汽车(green car)”,这些方法包括全电动车,以及不同配方的混合动力或是微混合动力(microhybrids)车辆。但无论是哪一种,恐怕在短时间内都无法成为主流技术,主要是因为在可见的未来,车用电池体积还是太大、重量太重,价格高昂又不够力。而且在车用功率电子元件的设计上,也有许多待克服的挑战。

  根据清洁科技市场研究机构Pike Research的预测,全球混合动力车辆将由目前的87万辆,在2017年增加到150万辆,成长幅度仅有1.6%。而相对的,在美国市场不太受重视的引擎自动熄火-起动(start-stop)车辆,有机会异军突起。

  这种引擎自动熄火-起动车辆属于“微混合动力”车款,没有配备电动马达,但采用更强力的起动机(starter)/发电机(alternator)/铅酸电池(lead-acid battery)组合技术,能在车辆空闲时自动熄火,然后在驾驶员踩油门时重新起动车辆。据Pike估计,2011年欧洲人将采购近300万辆的这类车款,其全球销售量到2020年将达到3,700万辆。

  不过,Pike也预期,全汽油动力车辆仍将在2017年,占据九成的一般载客轿车市场。

  另一家市场研究机构IHS Automotive的常务董事Philip Gott表示,汽车厂商尝试了各种方法,但“插入式(plug-in)的混合动力技术,看来是符合最严格之排放标准与燃油经济学需求的不错解决方案”。

  “我认为我们仍将继续看到多样化的混合动力方案,因为市场需求百百种,也很难预测人们想要的会是什么;”在福特汽车(Ford Motor)负责推动混合动力与燃料电池车辆标准的电子系统工程师Rich Scholer表示,福特是由正规的内燃机引擎为基础,提供搭配不同混合动力系统与插入式混合动力方案的选择。

  Scholer指出,不同于福特的做法,雪佛兰(Chevy)的Volt、日产(Nissan)的Leaf与丰田(Toyota)的Prius等混合动力车款,都是从零开始的设计,“那些做法的代价很高,以现有的平台作为基础会更具成本效益”。

Volt所搭配的E-Flex系统

  在此同时,汽车市场新秀如Coda与Tesla都准备发表新车款,包括全电动的五人座轿车。对此Scholer认为:“该市场要至少还要3到5年才会成熟。”

  电动车最令人头痛的问题在于电池组,Pike的资深分析师John Gartner表示,目前车用电池至少使为车辆售价增加1万美元,而目前的最佳解决方案──锂离子电池,其成本高达1,000美元/千瓦小时。

  美国能源部的目标,是将车用电池成本降低到每千瓦小时250美元。IHS的Gott认为,这个目标可能要到2020年以后才能达成。根据他的观察,目前至少有4种锂离子电池的变种方案,以及数十种其他化学配方,希望能够有所突破,“现在说谁会赢还太早,因为相关技术的变化速度非常快。我不会先判任何一种技术出局,甚至是铅酸电池。”

芯片厂商所扮演的角色

  在车用电池充电器方面,Ford的Scholer指出,目前的板载充电器方案通常是速度较慢、功率较小的3.3kW或6.6kW装置,得花上几个小时才能将车用电池充满。功率较大的15~20kW直流(DC)充电器速度比较快,但体积太笨重,放置在车内也有风险,适合以外部装置的型态,放在车库内使用。

  为了避免过热与起火,每个大型锂离子电池组内电池芯的充放电,都必须小心监控。飞思卡尔半导体(Freescale Semiconductor)的汽车动力系统与混合动力车辆零件部门市场经理Cherif Assad表示:“我们正在开发这类芯片,但现在尚未有实际产品。”

  飞思卡尔在今年稍早发表了一款锁定微混合动力汽车或再生制动(regenerative braking)应用的低电压电池控制芯片。后者是能将汽车煞停时的动力转成电力,用来为车用电池或是超级电容充电。据了解,到目前为止,大多数被应用在插入式混合动力车用电池充电器的芯片都是采用现成的、修改成汽车应用的工业级元件。

  此外,混合动力车辆需要预驱动(pre-driver)与控制器电路,来驱动30~120kW的电动马达。为此飞思卡尔与富士电机(Fuji Electric)合作,运用纤薄的、能整合到机械模组以及冷却系统的逆变器(inverter),来设计相关元件。Assad指出,新开发的零组件能将省电效率由目前的35%左右,提升到超过九成。

微混合动力系统代表车型Smart fortwo mhd

  飞思卡尔企业策略与业务开发总监Dan Viza表示,逆变器从未在改善充电装置的性能、尺寸与重量方面获得太多关注:“最初的方案都是采用现有的工业级零件,但很快我们就会看到针对逆变器与充电装置设计的半导体元件。”

  变速箱专业厂商ZF Friedrichshafen与车厂BMW在今年稍早也发表了一项研究专案,将为混合式动力车辆零组件开发整合式解决方案,主要目标是结合控制与功率元件,以简化混合动力的生产与服务流程。

  半导体大厂英飞凌(Infineon)与被动元件制造商Kemet也参与了这个研发计划,该计划需要一种全新的冷却技术概念,才能让零组件耐受变速箱中的高温。而该计划所开发出的设计,将可减少汽车内的线缆并简化系统介面。

  飞思卡尔的Assad并指出,混合动力车辆或是电动车的整体电子架构,与现有车辆可说是完全不同,这衍生出650V信号与400A交换器的电磁兼容性(EMC)问题,这意味着需要替转换器、逆变器与控制器等监控电源信号的零件,设计新的高电压介面。

  此外,各种标准──特别是充电器用标准──也是必须的,而推动标准就是Ford的Scholer所全权负责的工作。“我们从20年前的电动车标准着手,现在则是为插入式混合动力车辆推动更新版的标准,并开始订定燃料电池标准。”他表示:“我们已经在美国汽车工程师协会(SAE)标准上努力了三年左右时间,现在有部分已经进入实施阶段。”

  但Scholer也指出,标准化工作还需要3~5年的时间才能大功告成,目前有多个标准工作小组正与研究示范专案与现场布署工作同步进展。相关工作包括透过直流电进行快速充电的通讯协议、技术规格,以及通过电力线传输速率资讯给公用事业机构的Smart Energy Profile 2.0标准。

  有一家公司ECOtality,据说将在美国能源部的协助下,在美国加州、奥勒冈州、田纳西州、华盛顿州等地,布建多达1,300座的公用充电站,其中有350座是采用快速充电技术。Scholar指出:“汽车制造商知道该如何控制电路板上的充电器,但透过板外控制器进行控制,还有许多课题。”

  快速充电器的标准草案现正等待第一轮投票,一旦系统布建完成,工程师们还得多了解其特性。“当我们开始布署的时候,将会有一些改变。”Scholer表示。

 


 

关键字:清洁能源  电动车  混合动力

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0622/article_3917.html
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