綠色汽車(chē)動(dòng)力電池的一些“灰色”小秘密

汽車(chē)制造商正在采取多種方法制造綠色汽車(chē)，包括純電動(dòng)汽車(chē)和各種混合動(dòng)力汽車(chē)及輕度混合動(dòng)力汽車(chē)。但它們都不會(huì )很快變成主流，主要原因是在可預見(jiàn)的未來(lái)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計挑戰需要解決。

2017年上路的混合動(dòng)力汽車(chē)數量將達到150萬(wàn)輛，幾乎是今天87萬(wàn)輛的一倍，但仍然只有全球所有汽車(chē)數量的1.6%，綠色汽車(chē)市場(chǎng)研究公司Pike Research表示。

相比之下，啟停汽車(chē)(在美國幾乎還沒(méi)有引起人們注意的一種汽車(chē))將迅速發(fā)展。這些輕度混合動(dòng)力汽車(chē)沒(méi)有電動(dòng)機，而是使用更加強勁的啟動(dòng)機/交流發(fā)電機/鉛酸電池組合，在空閑時(shí)關(guān)閉機器，當司機踩下油門(mén)時(shí)重新啟動(dòng)。今年，歐洲將購買(mǎi)近300萬(wàn)輛這樣的汽車(chē)，Pike公司預計到2020年全球售出的數量將達到3700萬(wàn)輛。

盡管如此，到2017年純汽油汽車(chē)仍將在所有客車(chē)中占近90%的比例，這家市場(chǎng)研究公司估計。

汽車(chē)制造商正在“廣開(kāi)門(mén)路，但插電式混合動(dòng)力汽車(chē)是滿(mǎn)足最嚴格的排放標準和燃油經(jīng)濟要求的優(yōu)秀解決方案，市場(chǎng)調研公司IHS Automotive的Philip Gott指出。

“我認為混合動(dòng)力汽車(chē)方面還將有很大的變化。市場(chǎng)上有許多不同的需求，因此很難預測人們想要什么。”福特汽車(chē)公司研究混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)標準的電子系統工程師Rich Scholer表示，“福特公司最開(kāi)始推的是普通的內燃機汽車(chē)，接著(zhù)推出了將混合傳動(dòng)系和插電式混合動(dòng)力作為可選項的版本。”

相反，雪佛蘭Volt、日產(chǎn)Leaf和豐田Prius是全新設計車(chē)型，Scholer指出：“但這是一種相當昂貴的做法，而在已有平臺上搭建新車(chē)更具成本效益。”與此同時(shí)，像Coda和Tesla等新創(chuàng )汽車(chē)制造商也在準備推出新車(chē)，包括全電動(dòng)的5座轎車(chē)。

但“一個(gè)成熟的市場(chǎng)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(wèn)題是電池組，這些電池組至少要在汽車(chē)標價(jià)中增加1萬(wàn)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(chē)動(dòng)力電池)每千瓦時(shí)的成本高達1000美元。美國能源部的目標是將電池價(jià)格降低到250美元/千瓦時(shí)。

IHS的Gott認為，這個(gè)價(jià)格要到2020年或者2020年以后才可能實(shí)現。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(huì )勝出還為時(shí)過(guò)早，因為幾乎每天都在發(fā)生變化。”Gott認為，“我無(wú)法指明誰(shuí)勝誰(shuí)輸，即使是鉛酸電池也一樣。”

尚無(wú)批量出貨的電池管理芯片

今天的車(chē)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(gè)小時(shí)的時(shí)間才能給一輛電動(dòng)汽車(chē)充滿(mǎn)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(chē)里有很大的風(fēng)險，因此一般內嵌在外部充電設備中在家庭車(chē)庫內使用，福特的Scholer表示。

為了避免過(guò)熱和起火，大型鋰離子電池組中的每節電池的充電和放電需要被仔細管理。“我們正在尋找這方面的芯片，但目前沒(méi)有正式批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。”飛思卡爾傳動(dòng)系和混合動(dòng)力汽車(chē)組件部門(mén)的營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Cherif Assad表示。

飛思卡爾今年早些時(shí)候宣布的低壓電池控制器的應用目標就是輕度混合動(dòng)力汽車(chē)，或用于再生制動(dòng)，這時(shí)剎車(chē)產(chǎn)生的能量將被用來(lái)充電電池或超級電容。

然而到目前為止，插電式汽車(chē)使用的大多數充電器采用的是現有工業(yè)級器件，只是針對汽車(chē)應用作了一些改進(jìn)。

單獨來(lái)說(shuō)，混合動(dòng)力汽車(chē)要求預驅動(dòng)器和控制器電路來(lái)驅動(dòng)30kW或120kW的電動(dòng)機。飛思卡爾和富士電機合作設計了使用細長(cháng)逆變器的部件，這種逆變器可以與機械模塊及其冷卻系統集成在一起。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(guò)太多的關(guān)注。”飛思卡爾策略與業(yè)務(wù)發(fā)展部總監Dan Viza表示，“最初的實(shí)現使用現成的工業(yè)元件，但我們不久就會(huì )看到首批專(zhuān)門(mén)為逆變器和充電單元開(kāi)發(fā)的半導體產(chǎn)品。”

傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)公司ZF Friedrichshafen和寶馬今年早些時(shí)候啟動(dòng)了一項研究項目，旨在為混合動(dòng)力汽車(chē)組件創(chuàng )建集成的解決方案，目標是集成控制和功率電子器件，以簡(jiǎn)化混合動(dòng)力車(chē)的生產(chǎn)和服務(wù)。英飛凌和無(wú)源器件制造商Kemet也參與了這個(gè)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(dòng)系統中的高溫環(huán)境。

這樣做成的設計可減少電纜走線(xiàn)，簡(jiǎn)化系統接口?；旌蟿?dòng)力或電動(dòng)汽車(chē)的總體電氣架構與已有架構“完全不同”，并且因650V信號和400A開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生EMC兼容性問(wèn)題，飛思卡爾Assad指出。這意味著(zhù)監視電源信號的轉換器、逆變器和控制器需要使用新的高壓接口，他表示。

另外也需要標準、特別是充電器的標準，而對這些標準的研究已經(jīng)成為福特公司Scholer的全職工作。

“我們20年前就開(kāi)始研究電動(dòng)汽車(chē)標準了，現在我們正在針對插電式混合動(dòng)力汽車(chē)修改這些標準，并開(kāi)始研究燃料電池標準。”Scholer透露，“我們研究SAE標準的時(shí)間大約有3年時(shí)間了，有些標準正處于實(shí)現階段，不過(guò)在這些標準上我們準備再花3至5年的時(shí)間，直到各方面都趨于完善。”

多個(gè)標準組織的工作正在與研究演示項目和現場(chǎng)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(guò)電力線(xiàn)將額定值信息傳遞給公用事業(yè)公司的智能能源規范2.0，以及支持通過(guò)直流快速充電的規范。

后者的支持者ECOtality公司據說(shuō)得到了美國能源部的幫助，并準備在加州、俄勒岡州、田納西州、華盛頓州和其它州安裝多達1300個(gè)公用充電站。該計劃包括約350個(gè)快速充電站。

“汽車(chē)制造商知道如何控制車(chē)載充電器，但用車(chē)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準草案目前正在準備初次投票，但一旦系統得到部署，工程師將了解有關(guān)他們行為的更多知識。“隨著(zhù)實(shí)現的不斷進(jìn)展，肯定還會(huì )有變化。”Scholer表示。