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計挑戰(zhàn)需要解決。

　　2017年上路的混合動力汽車數(shù)量將達到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，而是使用更加強勁的啟動機/交流發(fā)電機/鉛酸電池組合，在空閑時關(guān)閉機器，當司機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公司預計到2020年全球售出的數(shù)量將達到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格的排放標準和燃油經(jīng)濟要求的優(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準的電子系統(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是全新設計車型，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1000美元。美國能源部的目標是將電池價格降低到250美元/千瓦時。
　　IHS的Gott認為，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，將它放在汽車里有很大的風險，因此一般內(nèi)嵌在外部充電設備中在家庭車庫內(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用目標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，只是針對汽車應用作了一些改進。
　　單獨來說，混合動力汽車要求預驅(qū)動器和控制器電路來驅(qū)動30kW或120kW的電動機。飛思卡爾和富士電機合作設計了使用細長逆變器的部件，這種逆變器可以與機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。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。
　　這樣做成的設計可減少電纜走線，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年前就開始研究電動汽車標準了，現(xiàn)在我們正在針對插電式混合動力汽車修改這些標準，并開始研究燃料電池標準。”Scholer透露，“我們研究SAE標準的時間大約有3年時間了，有些標準正處于實現(xiàn)階段，不過在這些標準上我們準備再花3至5年的時間，直到各方面都趨于完善。”
　　多個標準組織的工作正在與研究演示項目和現(xiàn)場部署齊頭并進，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(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)的不斷進展，肯定還會有變化。”Scholer表示。