混合動(dòng)力汽車(chē)的最大挑戰(zhàn)是電池

2009年11月10日8:28:30

汽車(chē)的節(jié)能減排已成為汽車(chē)電子發(fā)展的原動(dòng)力，隨著石油供應(yīng)的日趨緊缺和環(huán)境污染的日益加劇，電動(dòng)車(chē)這種以電能為動(dòng)力的交通工具憑借其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)日漸成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，縱使電動(dòng)汽車(chē)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它一時(shí)間卻無(wú)法取代傳統(tǒng)的燃?xì)鈩?dòng)力模式，所以混合動(dòng)力汽車(chē)是目前新型清潔動(dòng)力汽車(chē)中最具有產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化前景的車(chē)型。但是，電池、成本、可靠性、壽命、更復(fù)雜的環(huán)境、對(duì)高壓功率器件的要求等諸多問(wèn)題成為汽車(chē)廠(chǎng)商面臨的眾多難題。

　　英飛凌科技(中國(guó))有限公司汽車(chē)電子業(yè)務(wù)部高級(jí)市場(chǎng)工程師曹洪宇指出：目前混合動(dòng)力汽車(chē)的主要挑戰(zhàn)來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：一個(gè)是傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)和電動(dòng)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作；另一個(gè)是需要在成本可控的條件下，滿(mǎn)足汽車(chē)電子在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下的可靠性要求。

　　曹洪宇：混合動(dòng)力汽車(chē)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)和電動(dòng)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作。

　　飛兆半導(dǎo)體全球汽車(chē)市場(chǎng)部高級(jí)經(jīng)理Hans-PeterHoenes則認(rèn)為，混合動(dòng)力汽車(chē)的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，是以極低的成本創(chuàng)建一個(gè)非常復(fù)雜卻又高度可靠的系統(tǒng)。

　　“電動(dòng)汽車(chē)大致可以分為三類(lèi)：混合動(dòng)力、燃料電池和電動(dòng)車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)存在著一個(gè)通用性的問(wèn)題——電池，由于目前存在的電池方面的種種問(wèn)題，未來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)的可能性最大的就是混合動(dòng)力車(chē)?；旌蟿?dòng)力與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比在技術(shù)領(lǐng)域增加了三部分，一是整車(chē)控制，二是電池管理，三是電機(jī)控制?！憋w思卡爾中國(guó)區(qū)汽車(chē)電子工程經(jīng)理康曉敦表示。

　　康曉敦：電池技術(shù)是混合動(dòng)力汽車(chē)的關(guān)鍵所在，電池的成本也占到了整車(chē)的1/3以上。

　　混合動(dòng)力汽車(chē)又分為輕(微)混與完全混合動(dòng)力汽車(chē)，它們面臨的挑戰(zhàn)各有不同。

　　輕混與全混面臨的不同挑戰(zhàn)

　　曹洪宇分析道，微混系統(tǒng)和全混合系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別，它不僅僅是電機(jī)系統(tǒng)占總功率百分比的數(shù)值差異，重要的是量變引起的車(chē)輛結(jié)構(gòu)的變化。微混合系統(tǒng)一般實(shí)現(xiàn)起停功能，全混合系統(tǒng)則要求車(chē)輛在沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的情況下依然具有一定的續(xù)航能力。由于系統(tǒng)的耦合度大大增加，全混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。

　　Hans-PeterHoenes則分析道，對(duì)于輕度混合動(dòng)力的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，底盤(pán)(其基本設(shè)計(jì))仍是傳統(tǒng)的汽車(chē)設(shè)計(jì)，通常是在一輛普通汽車(chē)上集成混合動(dòng)力特性。由于底盤(pán)(其基本設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)已定，額外需要的所有系統(tǒng)都必須能作出配合。不過(guò)，這并非總是最佳技術(shù)方案，迄今這方面最大的挑戰(zhàn)是機(jī)電一體化集成。換言之，需要空間要求最低的設(shè)計(jì)。至于完全采用混合動(dòng)力的汽車(chē)，整個(gè)設(shè)計(jì)都需要改變，不僅動(dòng)力傳動(dòng)，甚至底盤(pán)都不得不針對(duì)混合推進(jìn)而優(yōu)化。一個(gè)好的設(shè)計(jì)應(yīng)該是圍繞動(dòng)力傳動(dòng)來(lái)設(shè)計(jì)汽車(chē)，而傳統(tǒng)方案則是設(shè)計(jì)汽車(chē)，只是把引擎放置在“某處”。這是一個(gè)徹底的設(shè)計(jì)思維觀(guān)念的轉(zhuǎn)變，因?yàn)轵?qū)動(dòng)系統(tǒng)決定了、或至少大大影響了汽車(chē)的形狀和外觀(guān)。

　　“設(shè)計(jì)工作面臨的最大挑戰(zhàn)是，缺乏在高壓下大功率電動(dòng)傳動(dòng)(高壓驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī))方面擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的汽車(chē)工程師。由于工作條件與傳統(tǒng)汽車(chē)不同，所以即使是在工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域富有經(jīng)驗(yàn)的資深顧問(wèn)，所能夠提供的幫助也很有限?！盚oenes表示。飛兆半導(dǎo)體不僅擁有分立式功率技術(shù)，還有柵極驅(qū)動(dòng)器IC等集成電路。這不但適用于低電壓，還能涵蓋高達(dá)1200V的全部電壓范圍。這種模塊集成能力可讓客戶(hù)獲得經(jīng)全面測(cè)試的最優(yōu)化功率級(jí)，能夠解決眾多有關(guān)寄生和器件交互作用的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

　　電機(jī)控制面臨的挑戰(zhàn)

　　在電機(jī)控制方面，曹洪宇指出主要的難度是必須達(dá)到汽車(chē)級(jí)別可靠性要求，同時(shí)需要考慮合適的成本實(shí)現(xiàn)。另外需要考慮大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)的電磁干擾和噪聲的影響。如果使用工業(yè)級(jí)的器件雖然在使用初期沒(méi)有什么大問(wèn)題，但隨著時(shí)間的推移，伴隨著注定產(chǎn)生的器件失效，會(huì)給廠(chǎng)商的品牌形象和口碑帶來(lái)無(wú)法估量的損失，“所以我們推薦使用汽車(chē)級(jí)的器件，能有效保證在車(chē)輛的生命周期內(nèi)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。”他說(shuō)道。“作為全球領(lǐng)先的功率器件供應(yīng)商，英飛凌擁有深厚的系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和眾多專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，這能更好的理解客戶(hù)的具體需求，甚至幫助客戶(hù)發(fā)現(xiàn)那些隱藏在系統(tǒng)應(yīng)用之下的細(xì)節(jié)要求?！?br>
　　英飛凌提供業(yè)界領(lǐng)先的高功率密度汽車(chē)級(jí)模塊HP1(hybridpack1) HP2(hybridpack2)，以超小的體積，最切合汽車(chē)系統(tǒng)空間的局限性。HP1重485g(72x140x17mm)3半橋合一的設(shè)計(jì)，650V400A最大驅(qū)動(dòng)能力，適用于20-30KW以?xún)?nèi)電機(jī)應(yīng)用。HP2(106.5x48.5x20.5mm)重量1250g,更是以特別的直接水冷式散熱設(shè)計(jì)，以650V800A模塊滿(mǎn)足80-100KW的電機(jī)應(yīng)用。

　　Microchip汽車(chē)產(chǎn)品組汽車(chē)市場(chǎng)經(jīng)理陳頌恩則認(rèn)為：“在混合動(dòng)力汽車(chē)中，電機(jī)控制對(duì)于轉(zhuǎn)向控制和電池冷卻等關(guān)鍵子系統(tǒng)非常關(guān)鍵。無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)由于體積小、可控性和高效率而得到普遍使用。無(wú)刷直流電機(jī)越來(lái)越多地得到使用，以消除皮帶和液壓系統(tǒng)，提供額外功能和改善行駛里程。磁鐵成本持續(xù)下降和控制直流無(wú)刷電機(jī)所需的電子器件不斷減少，導(dǎo)致其被越來(lái)越多的汽車(chē)所采用，功率水平也不斷提高?！?br>
　　陳頌恩接著解釋?zhuān)?a target="_blank">直流無(wú)刷電機(jī)通常與一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器一起使用，因?yàn)樗鼈兊?a target="_blank">電氣勵(lì)磁必須與轉(zhuǎn)子位置同步。出于成本、可靠性和機(jī)械包裝方面的原因，特別是如果電機(jī)需要浸沒(méi)在流體之中，最好在無(wú)傳感器的情況下運(yùn)行無(wú)刷直流電機(jī)——即無(wú)傳感器運(yùn)行。無(wú)傳感器電機(jī)的成本較低，因?yàn)椴恍枰獋鞲衅?，但?qū)動(dòng)情況更加復(fù)雜。無(wú)傳感器電機(jī)在混合動(dòng)力汽車(chē)電池冷卻系統(tǒng)等方面具有出色表現(xiàn)，此時(shí)電機(jī)不需要啟動(dòng)和停止?！捌?chē)系統(tǒng)嵌入設(shè)計(jì)師面臨不斷變化的環(huán)境，需要開(kāi)發(fā)出具有成本效益和環(huán)境友好的解決方案。低功耗微控制器是滿(mǎn)足苛刻要求的重要器件，它可以較低的成本增加系統(tǒng)的可靠性，采用小型封裝適應(yīng)較小的電路板空間，而且無(wú)需外部元件。此外，可具備插座、軟件和外設(shè)兼容性的微控制器架構(gòu)，為設(shè)計(jì)師提供了出色的靈活性，使他們能夠縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和降低成本。微芯科技提供多種微控制器和DSC，對(duì)于面臨混合動(dòng)力汽車(chē)電子需求挑戰(zhàn)的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是最佳的解決方案?！?br>
　　在動(dòng)力總成系統(tǒng)方面，曹洪宇認(rèn)為最大挑戰(zhàn)是如何協(xié)調(diào)電機(jī)系統(tǒng)和傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行，帶給用戶(hù)更好的駕乘感受。整個(gè)系統(tǒng)效率的提高主要從以下幾個(gè)方面入手：提高電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率，制動(dòng)能量的回饋比率，減少發(fā)動(dòng)機(jī)在低效率轉(zhuǎn)速區(qū)間的運(yùn)行等。

　　對(duì)于電機(jī)控制，飛思卡爾的康曉敦表示，“飛思卡爾是電子汽油發(fā)動(dòng)機(jī)管理領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者。我們提供先進(jìn)的嵌入式控制器、傳感器技術(shù)、動(dòng)力管理組件和動(dòng)力制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，使新車(chē)輛更加經(jīng)濟(jì)，并保護(hù)環(huán)境。我們還在不斷把發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)引入到電動(dòng)車(chē)控制和管理中，并基于PowerArchitecture的飛思卡爾處理器MPC55/56xx系列提供許多最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制、整車(chē)管理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電池管理等解決方案?！?br>
　　電池管理面臨著最大挑戰(zhàn)

　　在(完全)混合動(dòng)力的汽車(chē)中，電池是最昂貴的，同時(shí)也是最精細(xì)脆弱的部件。雖然鋰電池具有大功率密度的優(yōu)勢(shì)，但在開(kāi)發(fā)適用于混合動(dòng)力汽車(chē)的電池方面，仍有大量工作要做。在此情況下，未來(lái)數(shù)年間，鎳氫(NiMH)電池的運(yùn)用仍將越來(lái)越廣泛。

　　Hans-PeterHoenes指出，要實(shí)現(xiàn)快速充電又不損害(損傷)電池，設(shè)計(jì)人員需要一種非常精確的電荷(充電)控制技術(shù)。雖然在微控制器中集成智能化編程算法基本上是軟件解決方案，但飛兆半導(dǎo)體的重點(diǎn)仍然是在硬件上。為避免充電期間電力線(xiàn)的干擾，好的功率因數(shù)校正解決方案是必不可少的，在某種程度上甚至是法律規(guī)范規(guī)定的。飛兆半導(dǎo)體擁有廣泛的控制IC產(chǎn)品組合，再結(jié)合內(nèi)置具有軟恢復(fù)整流器(性能的整流二極管)和低飽和壓降IGBT，就可以提供一個(gè)完整的解決方案。

　　在電池管理方面，曹洪宇認(rèn)為英飛凌擁有鋰電池動(dòng)態(tài)平衡應(yīng)用專(zhuān)利，能減少相互差異，有效提高電池使用效率和壽命。這項(xiàng)專(zhuān)利的特點(diǎn)是可以在電池充電放電或者空閑的任意時(shí)間實(shí)施電量平衡，非常適合汽車(chē)動(dòng)力應(yīng)用這樣變化多樣的環(huán)境和迅速模式切換的需求。

　　“從目前技術(shù)來(lái)看，電池技術(shù)是混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)車(chē)的關(guān)鍵所在。既使是市場(chǎng)呼聲比較高的混合動(dòng)力汽車(chē)，電池的成本也占到了整車(chē)的1/3以上。而且還有重量、可靠性、壽命等諸多問(wèn)題需要解決。磷酸鋰鐵電池技術(shù)應(yīng)該是解決方案中較好的一種。但涉及的以上問(wèn)題也還是需要進(jìn)一步改進(jìn)。燃料電池是另一種技術(shù)，因其技術(shù)成熟性、燃料(主要是液態(tài)氫)貯存和控制方面的問(wèn)題，可以說(shuō)還不能馬上成為成熟的量產(chǎn)產(chǎn)品。而對(duì)純電動(dòng)車(chē)的混合動(dòng)力來(lái)講，電池的成本、重量、可靠性、壽命、包括充電問(wèn)題將是政府、汽車(chē)公司所面臨的主要問(wèn)題?！笨禃远卣f(shuō)道，“所以，目前混合動(dòng)力汽車(chē)在歐美國(guó)家及日本已形成產(chǎn)業(yè)化，而國(guó)內(nèi)還處于起步階段，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化。作為國(guó)際領(lǐng)先的汽車(chē)半導(dǎo)體廠(chǎng)商，飛思卡爾在致力于對(duì)中國(guó)本土汽車(chē)電子的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。我們對(duì)重要客戶(hù)的支持(如比亞迪等)包括技術(shù)交流、產(chǎn)品定價(jià)等。”