混合动力汽车大热,技术成本门槛仍高

分享到:

 


汽车的节能减排已成为汽车电子发展的原动力,随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧,电动车这种以电能为动力的交通工具凭借其节能、环保的优点日渐成为业界关注的焦点。然而,纵使电动汽车有很多优点,但它一时间却无法取代传统的燃气动力模式,所以混合动力汽车是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型。但是,电池、成本、可靠性、寿命、更复杂的环境、对高压功率器件的要求等诸多问题成为汽车厂商面临的众多难题。


英飞凌科技(中国)有限公司汽车电子业务部高级市场工程师曹洪宇(图)指出:目前混合动力汽车的主要挑战来自两个方面:一个是传统动力系统和电动系统之间的协调工作;另一个是需要在成本可控的条件下,满足汽车电子在复杂应用环境下的可靠性要求。 






飞兆半导体全球汽车市场部高级经理Hans-Peter Hoenes则认为,混合动力汽车的主要设计挑战,是以极低的成本创建一个非常复杂却又高度可靠的系统。


“电动汽车大致可以分为三类:混合动力、燃料电池和电动车。电动汽车存在着一个通用性的问题——电池,由于目前存在的电池方面的种种问题,未来能够实现量产的可能性最大的就是混合动力车。混合动力与传统发动机相比在技术领域增加了三部分,一是整车控制,二是电池管理,三是电机控制。”飞思卡尔中国区汽车电子工程经理康晓敦表示。




康晓敦:电池技术是混合动力汽车的关键所在,电池的成本也占到了整车的1/3以上。


混合动力汽车又分为轻(微)混与完全混合动力汽车,它们面临的挑战各有不同。


轻混与全混面临的不同挑战


曹洪宇分析道,微混系统和全混合系统在系统结构上有很大区别,它不仅仅是电机系统占总功率百分比的数值差异,重要的是量变引起的车辆结构的变化。微混合系统一般实现起停功能,全混合系统则要求车辆在没有发动机动力的情况下依然具有一定的续航能力。由于系统的耦合度大大增加,全混合系统结构更为复杂,对设计带来更多挑战。


Hans-Peter Hoenes则分析道,对于轻度混合动力的汽车来说,底盘 (其基本设计)仍是传统的汽车设计,通常是在一辆普通汽车上集成混合动力特性。由于底盘(其基本设计)设计已定,额外需要的所有系统都必须能作出配合。不过,这并非总是最佳技术方案,迄今这方面最大的挑战是机电一体化集成。换言之,需要空间要求最低的设计。至于完全采用混合动力的汽车,整个设计都需要改变,不仅动力传动,甚至底盘都不得不针对混合推进而优化。一个好的设计应该是围绕动力传动来设计汽车,而传统方案则是设计汽车,只是把引擎放置在“某处”。这是一个彻底的设计思维观念的转变,因为驱动系统决定了、或至少大大影响了汽车的形状和外观。


“设计工作面临的最大挑战是,缺乏在高压下大功率电动传动(高压驱动大功率电机)方面拥有丰富经验的汽车工程师。由于工作条件与传统汽车不同,所以即使是在工业驱动领域富有经验的资深顾问,所能够提供的帮助也很有限。” Hoenes表示。飞兆半导体不仅拥有分立式功率技术,还有栅极驱动器IC等集成电路。这不但适用于低电压,还能涵盖高达1200V 的全部电压范围。这种模块集成能力可让客户获得经全面测试的最优化功率级,能够解决众多有关寄生和器件交互作用的设计问题。


电机控制面临的挑战


在电机控制方面,曹洪宇指出主要的难度是必须达到汽车级别可靠性要求,同时需要考虑合适的成本实现。另外需要考虑大功率驱动系统带来的电磁干扰和噪声的影响。如果使用工业级的器件虽然在使用初期没有什么大问题,但随着时间的推移,伴随着注定产生的器件失效,会给厂商的品牌形象和口碑带来无法估量的损失,“所以我们推荐使用汽车级的器件,能有效保证在车辆的生命周期内系统的可靠运行。”他说道。“作为全球领先的功率器件供应商,英飞凌拥有深厚的系统经验和众多专家团队,这能更好的理解客户的具体需求,甚至帮助客户发现那些隐藏在系统应用之下的细节要求。”


英飞凌提供业界领先的高功率密度汽车级模块HP1 (hybrid pack 1) & HP2 (hybrid pack 2),以超小的体积,最切合汽车系统空间的局限性。HP1 重485g (72x140x17mm) 3半桥合一的设计,650V 400A最大驱动能力,适用于20-30KW以内电机应用。HP2 (106.5x48.5x20.5mm) 重量1250g, 更是以特别的直接水冷式散热设计,以650V 800A模块满足80-100KW的电机应用。


Microchip汽车产品组汽车市场经理陈颂恩则认为:“在混合动力汽车中,电机控制对于转向控制和电池冷却等关键子系统非常关键。无刷直流(BLDC)电机由于体积小、可控性和高效率而得到普遍使用。无刷直流电机越来越多地得到使用,以消除皮带和液压系统,提供额外功能和改善行驶里程。磁铁成本持续下降和控制直流无刷电机所需的电子器件不断减少,导致其被越来越多的汽车所采用,功率水平也不断提高。”


陈颂恩接着解释,直流无刷电机通常与一个或多个转子位置传感器一起使用,因为它们的电气励磁必须与转子位置同步。出于成本、可靠性和机械包装方面的原因,特别是如果电机需要浸没在流体之中,最好在无传感器的情况下运行无刷直流电机——即无传感器运行。无传感器电机的成本较低,因为不需要传感器,但驱动情况更加复杂。无传感器电机在混合动力汽车电池冷却系统等方面具有出色表现,此时电机不需要启动和停止。“汽车系统嵌入设计师面临不断变化的环境,需要开发出具有成本效益和环境友好的解决方案。低功耗微控制器是满足苛刻要求的重要器件,它可以较低的成本增加系统的可靠性,采用小型封装适应较小的电路板空间,而且无需外部元件。此外,可具备插座、软件和外设兼容性的微控制器架构,为设计师提供了出色的灵活性,使他们能够缩短开发时间和降低成本。微芯科技提供多种微控制器和DSC,对于面临混合动力汽车电子需求挑战的设计师来说是最佳的解决方案。”


在动力总成系统方面,曹洪宇认为最大挑战是如何协调电机系统和传统动力系统的运行,带给用户更好的驾乘感受。整个系统效率的提高主要从以下几个方面入手:提高电机系统运行效率,制动能量的回馈比率,减少发动机在低效率转速区间的运行等。


对于电机控制,飞思卡尔的康晓敦表示,“飞思卡尔是电子汽油发动机管理领域的全球领导者。我们提供先进的嵌入式控制器、传感器技术、动力管理组件和动力制动器驱动,使新车辆更加经济,并保护环境。我们还在不断把发动机控制技术引入到电动车控制和管理中,并基于Power Architecture的飞思卡尔处理器MPC55/56xx系列提供许多最先进的发动机控制、整车管理、电机驱动、电池管理等解决方案。”


电池管理面临着最大挑战


在(完全)混合动力的汽车中,电池是最昂贵的,同时也是最精细脆弱的部件。虽然锂电池具有大功率密度的优势,但在开发适用于混合动力汽车的电池方面,仍有大量工作要做。在此情况下,未来数年间,镍氢 (NiMH) 电池的运用仍将越来越广泛。


Hans-Peter Hoenes指出,要实现快速充电又不损害(损伤)电池,设计人员需要一种非常精确的电荷(充电)控制技术。虽然在微控制器中集成智能化编程算法基本上是软件解决方案,但飞兆半导体的重点仍然是在硬件上。为避免充电期间电力线的干扰,好的功率因数校正解决方案是必不可少的,在某种程度上甚至是法律规范规定的。飞兆半导体拥有广泛的控制IC产品组合,再结合内置具有软恢复整流器(性能的整流二极管)和低饱和压降 IGBT,就可以提供一个完整的解决方案。


在电池管理方面,曹洪宇认为英飞凌拥有锂电池动态平衡应用专利,能减少相互差异,有效提高电池使用效率和寿命。这项专利的特点是可以在电池充电放电或者空闲的任意时间实施电量平衡,非常适合汽车动力应用这样变化多样的环境和迅速模式切换的需求。


“从目前技术来看,电池技术是混合动力汽车和电动车的关键所在。既使是市场呼声比较高的混合动力汽车,电池的成本也占到了整车的1/3以上。而且还有重量、可靠性、寿命等诸多问题需要解决。磷酸锂铁电池技术应该是解决方案中较好的一种。但涉及的以上问题也还是需要进一步改进。燃料电池是另一种技术,因其技术成熟性、燃料(主要是液态氢)贮存和控制方面的问题,可以说还不能马上成为成熟的量产产品。而对纯电动车的混合动力来讲,电池的成本、重量、可靠性、寿命、包括充电问题将是政府、汽车公司所面临的主要问题。”康晓敦说道,“所以,目前混合动力汽车在欧美国家及日本已形成产业化,而国内还处于起步阶段,没有形成产业化。作为国际领先的汽车半导体厂商,飞思卡尔在致力于对中国本土汽车电子的发展做出贡献。我们对重要客户的支持(如比亚迪等)包括技术交流、产品定价等。”
 

 

 

 
 

 

继续阅读
长得像B-21,用混合动力,美军这种间谍无人机有多难被发现?

美国TheDrive网站《战争地带》专栏3月30发表独家新闻,解密诺斯罗普 格鲁曼公司的XRQ-72”大角猫头鹰”隐身间谍无人机。美国情报界领导了这种非常安静和高效的无人侦察机的研制。

奔驰斥巨资在华打造新能源汽车基地

业内人士指出,在全球汽车行业转型的下半场,尤其是在中国新能源汽车的战场上,奔驰又将与其他世界新老车企展开激烈的竞争,此次奔驰与北汽打造国内首个高端新能源汽车生产基地,依托多年来在中国市场的深耕细作以及在新能源领域的布局,奔驰未来可能在中国的新能源汽车市场实现反超竞争对手。

再堵也不怕,以后上班不迟到全靠“飞天”出租车

[西门子电动飞机项目战略主管OlafOtto对第一财经记者表示:“欧盟在空域政策方面相对严格,未来亚洲可能成为这种‘空中出租车’商业化的首选地”]为了解决拥堵的城市地面路况,人们已经开始把视线转移至空中,发明出了多种外形古怪的飞行器。多维交通时代已经开启,未来打个“飞的”将不再是梦想。

2000亿元电池采购空缺,大众正在华寻找第二家电池供应商

海兹曼表示,“大众汽车第一笔电池订单已经下给了宁德时代,但未来一旦电动车在华正式量产,规模上来后,需求量会很大。所以,至少需要在本土再寻找一家新的电池供应商进行合作”。而至于电池缺口会有多少,则要等电动车规模化生产之后才能有准确评估。

在全电动时代之前,飞机也可以先靠混合动力撑一下

我们距离商用全电力飞机还有不短的路要走,但如果是混合动力的话,或许会比想像中还要更早到来呢!空中客车、劳斯莱斯与西门子正在合作打造第一架混合动力概念飞机,名为「E-Fan X」。它利用了 BAe 146 型飞机(一架有四个引擎的小客机)为基础,将其中一个喷射引擎改成 2MW 功率输出的电动风扇,并由机身内的燃气涡轮发电机和电池供电。