車輛電氣化是交通運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)減排的途徑

本文概述了重型車輛電動(dòng)化方面的電力電子技術(shù)詳情，通過(guò)研究由能源生成、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和消耗構(gòu)成的價(jià)值鏈，可幫助減低交通運(yùn)輸領(lǐng)域的碳排放，如圖1所示。

【導(dǎo)讀】本文概述了重型車輛電動(dòng)化方面的電力電子技術(shù)詳情，通過(guò)研究由能源生成、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和消耗構(gòu)成的價(jià)值鏈，可幫助減低交通運(yùn)輸領(lǐng)域的碳排放，如圖1所示。

圖1：基于清潔的可再生能源的

電動(dòng)化交通運(yùn)輸

1. 簡(jiǎn)介

卡車、公交車和工程車輛亦稱為重型車輛，據(jù)估算這些車輛的碳排放占據(jù)了交通運(yùn)輸領(lǐng)域排放量的25%，在歐洲總體溫室氣體排放量中占據(jù)了6%。

由于線上業(yè)務(wù)活動(dòng)蓬勃發(fā)展，可以觀察到跨越各大洲的長(zhǎng)途交通運(yùn)輸業(yè)務(wù)出現(xiàn)相應(yīng)的大幅增長(zhǎng)，以及城市內(nèi)的物品配送運(yùn)營(yíng)活動(dòng)不斷增加，這種狀況并不限于歐盟地區(qū)。根據(jù)美國(guó)交通局公布數(shù)據(jù)[2]，在美國(guó)卡車車輛每年行駛里程大約為2960億公里，燃燒了1130億升汽油，進(jìn)而產(chǎn)生多達(dá)2.94億公噸的二氧化碳量。

在法規(guī)和更嚴(yán)格的排放要求推動(dòng)下，車隊(duì)運(yùn)營(yíng)商越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向使用零排放車輛。業(yè)界認(rèn)為在全球范圍所有主要城市中，提升公共交通以減少私家車數(shù)量是減低大都市碳排放的另一個(gè)重要考慮。在這個(gè)方面，使用零排放車輛運(yùn)營(yíng)是目標(biāo)選擇，最好與綠色的可再生能源相結(jié)合。

超過(guò) 3.5 噸級(jí)重型車輛的電動(dòng)化是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的艱巨任務(wù)，也是功率半導(dǎo)體產(chǎn)品面臨的特殊挑戰(zhàn)。與設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間約為 8000 小時(shí)的典型客用車相比，卡車或公交車的使用壽命則要長(zhǎng)得多(包括使用壽命和正常運(yùn)行時(shí)間)。通用目標(biāo)要求是一年 360 天、每天8 到 10 小時(shí)運(yùn)行時(shí)間。預(yù)計(jì)這些車輛每天行駛多達(dá) 400 公里，在 15 年使用壽命期間總計(jì)行駛里程超過(guò) 200 萬(wàn)公里。在這方面，城市交通中使用的公交車同樣面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈儐稳招枰旭?200-300公里。而且，這些公交車輛固有的啟停模式(start-stop-mode)帶來(lái)了更多的難題。

全電動(dòng)重型車輛包含了眾多子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)需要使用非?？煽康慕鉀Q方案。圖 2 以電力電子器件為重點(diǎn)進(jìn)行了深入的剖析。

圖2：“重型車輛”應(yīng)用概述

經(jīng)過(guò)十年來(lái)的電池技術(shù)發(fā)展，車輛電池成為了一個(gè)可行的解決方案，甚至對(duì)于電動(dòng)重型車輛亦然。在過(guò)去十年中，每度電的價(jià)格已經(jīng)下降了大約88%[3]。由于業(yè)界開(kāi)發(fā)新的材料和生產(chǎn)工藝，以及制造能力不斷增加，預(yù)計(jì)電價(jià)還將會(huì)進(jìn)一步下降。同時(shí)，電池的能量密度持續(xù)增加，媒體不斷報(bào)道有關(guān)技術(shù)突破的新聞。

電池可支持的充電循環(huán)次數(shù)是決定性參數(shù)，這代表著電池的使用壽命，因而非常重要。先前的凝膠式鉛酸電池技術(shù)可提供幾百次充電循環(huán)，而現(xiàn)代的鋰電子電池則可以達(dá)到幾千次充電循環(huán)。全球范圍的電池制造商都在努力實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改善，并且已經(jīng)公布了可實(shí)現(xiàn)超過(guò)10,000次循環(huán)和高達(dá)1 kWh/kg能量密度技術(shù)[4]。

所有這些因素使得車輛電池方案變得越來(lái)越有吸引力，甚至對(duì)于長(zhǎng)距離車輛運(yùn)營(yíng)亦如此。接下來(lái)的挑戰(zhàn)是在合理時(shí)間內(nèi)為車輛充電，而所謂的合理與否，很大程度上取決于車輛的使用情況。

對(duì)于作為當(dāng)?shù)剌d客工具的客運(yùn)公交車，最常見(jiàn)的選擇是在輪班或夜間的休息時(shí)間停靠在車站里充電。在這種情形下，合理時(shí)間是指公交車閑置在?？空局械膸讉€(gè)小時(shí)。另一個(gè)選擇則是在專門的充電站點(diǎn)進(jìn)行充電。由于只有幾分鐘的時(shí)間，需要更高的充電功率才能向電池注入足夠的能量。由于可在幾個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行充電，可以考慮與在停靠站充電的方式相結(jié)合。

對(duì)于用于物流運(yùn)營(yíng)的卡車，就無(wú)法容忍花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)充電的暫停作業(yè)。在這種情況下，必須在休息時(shí)間進(jìn)行充電，而休息時(shí)間是駕駛員必須遵守的法律規(guī)定。未來(lái)沒(méi)有駕駛員的自動(dòng)駕駛卡車，甚至不需要休息。最理想的選擇是在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間充電。

因此，需要將支持這類車輛運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)設(shè)施視為價(jià)值鏈的一部分。

2. 電動(dòng)化交通運(yùn)輸價(jià)值鏈

從可再生能源系統(tǒng)的發(fā)電到電解、傳動(dòng)系統(tǒng)、充電器和較小的車載應(yīng)用，在交通運(yùn)輸價(jià)值鏈上可以找到功率范圍從幾瓦到幾兆瓦的設(shè)計(jì)。

圖3是相互連接部件的示意圖。

圖3：用于從發(fā)電到電能消耗各階段的

Littelfuse功率半導(dǎo)體產(chǎn)品

所有這些應(yīng)用均需要使用高效和可靠的電子子系統(tǒng)。在這個(gè)嚴(yán)苛的環(huán)境中，控制、保護(hù)、傳感器和電力電子器件無(wú)所不在，以安全高效地處理能量傳輸。如圖所示，Littelfuse產(chǎn)品可以用于使用可靠的元器件來(lái)構(gòu)建、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)電動(dòng)化交通運(yùn)輸環(huán)境。

3. 能量存儲(chǔ)

對(duì)于為移動(dòng)應(yīng)用設(shè)備供電，現(xiàn)有三種主要的儲(chǔ)存電能方法，每種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

1. 在電場(chǎng)中使用電容器直接能量?jī)?chǔ)存。電容器能夠以非常高的速率進(jìn)行充電和放電，從而提供極高的功率密度。除此之外，電容器不會(huì)像電池那樣受到充電的影響，可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)次充電循環(huán)。根據(jù)公式EC=1/2 C·U2，儲(chǔ)存能量由電容器的容量和允許電壓而定義。在技術(shù)方面，高電壓的電容器只有低電容量，反之亦然。由于電容器以kWh/dm3為單位測(cè)量的能量密度低于電池，因而可以結(jié)合電容器與電池以提供高峰值功率，而電池充當(dāng)主要的儲(chǔ)能裝置。

2. 在化學(xué)方面，能量?jī)?chǔ)存在電池中。對(duì)于給定的電池化學(xué)，充放電能力受到化學(xué)過(guò)程的限制?，F(xiàn)代的鋰離子電池每公斤可以儲(chǔ)存多達(dá)0.2到0.3kWh電能，這在目前的大多數(shù)應(yīng)用中受到歡迎。在循環(huán)穩(wěn)定性方面，目前采用的化學(xué)物質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)幾千次充放電循環(huán)。

3. 從化學(xué)過(guò)程中獲取作為能量載體的氫氣，并在第二步中進(jìn)行純化。通過(guò)電解將水分離成氧氣和氫氣，提供了使用可再生能源來(lái)支持過(guò)程的方法。在所謂的燃料電池中，氫氣和氧氣會(huì)依次反應(yīng)并產(chǎn)生電能。今天大多數(shù)可用的氫氣是使用蒸汽重組器從石油和天然氣中提取出來(lái)的。

4. 車輛與傳動(dòng)系統(tǒng)

如圖4框圖所示，重型車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)在技術(shù)上與電動(dòng)客用車的并沒(méi)有太大的區(qū)別。

圖4：電池電動(dòng)車輛的簡(jiǎn)化框圖

重型車輛與客用車相比具有兩項(xiàng)主要的區(qū)別。重型車輛的連續(xù)功率輸出水平超過(guò)了客用車，在使用壽命方面也是同樣。通常情況下，如果客用車的使用壽命是6000至8000個(gè)工作小時(shí)，那么卡車和公交車的使用壽命應(yīng)該是它們的10倍之多。

盡管如此，商用車使用的電機(jī)大多數(shù)為永磁同步電機(jī)，由二級(jí)逆變器控制，如圖5所示。

圖5：電動(dòng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的典型動(dòng)力部分

圖6所示是將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化為水、熱能和電能的燃料電池作為電源的擴(kuò)展框圖。大儲(chǔ)槽中裝有氫氣，仍然需要電池在加速期間提供峰值功率，并在恢復(fù)期間儲(chǔ)存能量。

圖6： 使用燃料電池的電動(dòng)

車輛傳動(dòng)系統(tǒng)框圖

除此之外，在構(gòu)成燃料電池和電池之間接口的DC-DC轉(zhuǎn)換器中，還需要更多的電子電力器件。

燃料電池傳動(dòng)系統(tǒng)固有的重要部件是壓縮機(jī)，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)烈的氣流進(jìn)入燃料電池中，這些空氣中含有平衡氫氣和氧氣所需要的氧氣。

通過(guò)仔細(xì)研究燃料電池，可以了解到壓縮機(jī)方面的挑戰(zhàn)。圖7是使用氫氣進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換所使用部件示意圖。

圖7：燃料電池能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

根據(jù)燃料電池內(nèi)需要的氣體平衡，可以估算實(shí)現(xiàn)150 kW連續(xù)運(yùn)作所需的氣流：

● 1 kg H2 和8 kg O2生成大約20 kWh電能

● 每小時(shí)需要7.5 kg H2 + 60 kg O2

● 1 m2空氣重量為1.2 kg，含有0.24 kg氧氣

由此可見(jiàn)，每小時(shí)必須向燃料電池提供250 m3大氣空氣。由于燃料電池的負(fù)載可能變化得非?？?，壓縮機(jī)需要具備快速啟動(dòng)能力，這往往需要在幾分之一秒內(nèi)從零加速到100%速度。由于這些要求，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)之逆變器的額定功率通常為20-40 kW。

如要真正將基于燃料電池的車輛作為一項(xiàng)綠色技術(shù)，就必須使用可再生能源來(lái)制造氫氣。從石油或天然氣中提取氫氣是一個(gè)技術(shù)選項(xiàng)，但這種所謂的“黑氫”(black hydrogen)會(huì)出現(xiàn)副產(chǎn)品，也就是導(dǎo)致大量二氧化碳產(chǎn)生。

目前，業(yè)界正在考慮將風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源的電力與電解運(yùn)作相結(jié)合，從而將水分離成氫氣和氧氣。特別地，如果用于消耗多余的電力，這種做法是支持電網(wǎng)穩(wěn)定性以及生成氫氣作為副產(chǎn)品的很好選項(xiàng)。世界各國(guó)紛紛制訂計(jì)劃，要將氫氣作為減少溫室氣體排放的基石技術(shù)。

電解是直流電流驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。單個(gè)電解槽的正向電壓低于2V，但在工業(yè)制氫中可能需要數(shù)千安培電流量。圖8中的B12C拓樸結(jié)構(gòu)是最普遍的兆瓦（MW）級(jí)整流方案。

圖8：帶有B12C的整流器拓樸結(jié)構(gòu)，也稱為B6C-2P

十二脈沖B12C拓樸結(jié)構(gòu)，也可以視為兩個(gè)B6C結(jié)構(gòu)的并聯(lián)，稱為B6C-2P。即使沒(méi)有平滑和濾波，也可以在直流側(cè)實(shí)現(xiàn)非常低的電壓波紋。單級(jí)AC-DC能量轉(zhuǎn)換也可以實(shí)現(xiàn)出色的效率。

使用的相關(guān)電子電力器件是采用壓接封裝的晶閘管或 IGBT器件，通常安裝在所謂的器件堆棧中。IGBT的額定電流高達(dá)4500 A，晶閘管甚至超過(guò)8000 A。這些器件可以輕易滿足高電流要求。此外，壓接封裝的短路故障(short-on-fail)特性帶來(lái)了更好的可靠性和系統(tǒng)可用性。

審核編輯：湯梓紅