綠色汽車動力電池的一些“灰色”小秘密

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(jì)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(shí)關(guān)閉機(jī)器，當(dāng)司機(jī)踩下油門時(shí)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(jì)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(jì)。

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(xiàng)的版本。”

相反，雪佛蘭Volt、日產(chǎn)Leaf和豐田Prius是全新設(shè)計(jì)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(shí)，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(jià)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(shí)的成本高達(dá)1000美元。美國能源部的目標(biāo)是將電池價(jià)格降低到250美元/千瓦時(shí)。

IHS的Gott認(rèn)為，這個價(jià)格要到2020年或者2020年以后才可能實(shí)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(shí)過早，因?yàn)閹缀趺刻於荚诎l(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(shí)的時(shí)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(xiǎn)，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(shí)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(shí)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(dú)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(jì)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(shí)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(shí)候啟動了一項(xiàng)研究項(xiàng)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(xiàng)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(jì)可減少電纜走線，簡化系統(tǒng)接口?；旌蟿恿螂妱悠嚨目傮w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(shí)間大約有3年時(shí)間了，有些標(biāo)準(zhǔn)正處于實(shí)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(shí)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(xiàng)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(jì)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(shí)現(xiàn)的不斷進(jìn)展，肯定還會有變化。”Scholer表示。