汽车功能电子化革命进入新时代

作者：安森美汽车系统工程技术营销工程师Marc Bracken

电动车(EV)革命正在引领汽车行业进入新时代。由于技术和发电方面的进步，电动动力总成将会作为新车的一个配置选项或配备为标准产品。汽车制造商正在为他们的阵容增加更多的电动车，同时为碳中和和大胆的电气化战略设定目标。许多政府正在制定限制措施，以帮助减少交通领域的二氧化碳排放量，使动力总成的电气化成为所有汽车原始设备制造商(OEMs)的首要关注点。

这些已颁布的法律和对《巴黎协议》的普遍承诺所带来的势头正在推动变革。这一承诺将限制全球平均温度的上升，目标是保持比工业化前的水平高出不到2℃。这只有在减少二氧化碳总排放量的情况下才能实现，而转向电动车是这努力的主要部分。

这历史性的关键时刻涉及很多方面。这一系列的文章将涵盖用于EV的各种方案，但起点需要是电池电动车(BEV)，也被称为零排放汽车(ZEV)。

在美国，平均每天的通勤距离不到30英里，或往返48公里。今天，BEV的典型续航能力因汽车的大小和市场地位而不同，豪华车往往比非豪华车型的续航能力高。环境温度也会影响续航能力，大多数汽车在炎热的夏季比寒冷的冬季续航更远。

在许多用例中，消费者转向BEV方案是有意义的。BEV的平均续航里程约为200英里，或320公里，每周一次充电就能轻松应对日常通勤和周末休闲活动。这里最大的吸引力是，为BEV充电的费用比为内燃机(ICE)汽车加油的费用低得多。BEV对环保的主要益处是，每周通勤不会排放二氧化碳，而ICE汽车平均每通勤30英里会产生12公斤，或近28磅的二氧化碳。

根据美国环境保护局(EPA，2021年)的数据，平均每辆乘用车一年向环境排放4.6公吨二氧化碳。如果考虑到全世界道路上的车辆数量，这相当于每年释放超过64亿公吨的二氧化碳。各国正在制定限制措施，以帮助减少运输部门的二氧化碳排放，使动力总成的电气化成为所有汽车原始设备制造商(OEMs)的首要关注点。从这个角度来看，根据EPA的估计，汽车二氧化碳年排放量相当于1000个发电厂的二氧化碳年排放量。

2026年，BEV将占所有电动车产量的35%左右(Strategic Analytics，2020)。一辆BEV涉及一个全新的动力总成，它取代了发动机、变速箱，甚至车轴上的差动齿轮。电动动力总成用一个或几个提供主驱力的电动机取代了这些系统，而且在大多数情况下，不需要额外的变速箱。

在ICE动力总成中，需要复杂的机械系统将发动机的高速旋转降低到应用于车轮的低得多但高扭矩的驱动力。BEV支持使用控制电子装置进行更精细的操作，从而驱动电机。即使在低转数时也能获得扭矩，而且电机能够以非常高的速度旋转，通常不需要额外的变速箱。BEV用电动动力总成取代ICE，用锂离子电池组取代化石燃料，并通过从配电网为电池组充电来补充燃料。

图1. 2026年EV电气化分类(燃料电池电动车

FCEV=1%，未显示)

当然，电动机的这种灵活性也有一些条件，即在系统内分配电力的形式。BEV的电池电压很高，在400 V到800 V直流电的范围内。需要高功率的电子方案来为这种高电压的电池组充电，并为BEV的主驱供电。

为电池组充电需要使用车载充电器(OBC)或车外直流快速充电器。OBC必须将交流输入(可能来自单相或三相电源)转换为高压直流输出，为电池充电。OBC还必须采用功率因子校正(PFC)，以最小化从交流电网中提取的无功功率。另一种为BEV电池组充电的方法是使用直流快速充电器。直流快速充电器是商业能源基础设施安装的一部分，是不在车辆上的独立装置。直流快速充电器的功率比OBC高得多，可以绕过OBC直接为电池充电。然而，直流快速充电器仍然具有相同的基本功能，即把交流输入源转换为高电压直流输出，同时采用功率因子校正。

BEV中的主驱电机通常是交流感应式的，高压直流电池源不能直接驱动。主驱逆变器模块，可能需要外部升压或集成升压功能，必须采取高压直流源，并向电动机提供3相或6相正弦驱动波形。这些驱动波形被控制以增加主驱电机的扭矩和速度。主驱逆变器电子装置的另一个重要功能是在滑行或制动时进行能量回收。当车辆处于运动状态，并且没有来自驾驶员的主动加速输入时，主驱电机的行为就像一个发电机。车辆的动量使主驱电机旋转，而主驱逆变器电子装置则反向提供能量回馈给高压电池组。

车辆电气化并不新鲜，但各汽车制造商对大规模采用的重视程度却从未如此之高。这是一个快速变化和发展的行业，新技术一直在开发。虽然有一些挑战需要解决，但在电子能效、充电时间、电池化学、充电基础设施和锂资源提取方面都在不断改进。以BEV的可充电电池为形式的能量储存，是个主要的研究领域。电池设计和成本结构的进步将决定BEV的平均售价将如何大势下降，而设计的改进将提高存储容量。

增加存储容量将提高续航能力，但要实现电池的全部存储能力，不能忽视对更高系统能效的需要。在考虑BEV动力总成的能效时，有两个高水平项很明显。电动动力总成必须能使用电池的最大容量，必须能快速为电池充电，且同时要最小化热损耗。

BEV动力总成所需的电力电子器件有助于提高整个系统的能效。如果没有最佳的能效，该系统就会以废热的形式从电池或电网中损失宝贵的能量。有一项技术在这方面被证明是极其重要的。碳化硅(SiC)正在取代或增强标准硅功率半导体，用于主驱逆变器、DC-DC转换器、OBC和直流快速充电器。

汽车行业正在转向，电动车背后的势头很强劲。这将包括所有级别的轻型和商用车。一些人认为，大宗运输和道路物流领域将比市场消费者端更早实现电气化，这是有道理的。大宗运输可将成本分摊到更多的人身上，而最后一英里的运送有特殊的要求，非常适合采用电动动力总成。

以安森美的SiC方案为代表的新技术将加速这一趋势，为其提供更大的动力。续航里程、充电时间、环境影响、拥有成本和消费者满意度方面的进步将推动我们走向电动化的未来。法规提供的全球倡议将进一步激励汽车制造商开发所需的新车以完成过渡。在许多情况下，这已在发生。预计从2021年到2026年，EV/HEV的复合年增长率(CAGR(VOL))将是20.1%，BEV将是29.7%(Strategic Analytics，2020)。

图2. 未来5年的EV/HEV增长

参考文献

U.S. Environmental Protection Agency.(2021, April 28).Greenhouse Gases Equivalencies Calculator-Calculations and References. EPA. https://www.epa.gov/energy/greenhouse-gases-equivalencies-calculator-calculations-and-references

Strategic Analytics.(2020, October).Automotive Sensor Demand 2018-2027.