電動(dòng)汽車如何進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換?

近日ADI和Rimac舉行了一場(chǎng)虛擬討論，主題涉及電動(dòng)汽車（EV）如何進(jìn)入主流并幫助汽車行業(yè)減少碳排放，以及ADI的技術(shù)如何幫助Rimac在2021年推出完全電動(dòng)的C_Two超級(jí)跑車。

在世界邁向更可持續(xù)、更電氣化未來(lái)的進(jìn)程中，電動(dòng)汽車處于核心地位。目前，電動(dòng)汽車至少需要三種類型的電子元件來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換：

1.DC/DC轉(zhuǎn)換器，通常從高電壓到12v為低壓電子元件供電;直流/交流牽引逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通常為車輪提供電力

2. DC/AC牽引逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，典型的三相電動(dòng)機(jī)為車輪提供動(dòng)力

3.AC/DC變流器，用于在制動(dòng)能量回收和從標(biāo)準(zhǔn)住宅或大功率充電站（用于快速充電）給汽車電池充電。

根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇的數(shù)據(jù)，到2030年，將有2.15億輛電動(dòng)乘用車在路上行駛。隨著電動(dòng)汽車在未來(lái)十年的快速普及，對(duì)配套技術(shù)的需求將繼續(xù)增加。

這場(chǎng)討論由電動(dòng)汽車影響者、電動(dòng)汽車展望（Electric Vehicles Outlook）創(chuàng)始人Roger Atkins主持。小組成員包括Analog Devices汽車、通信、航天與國(guó)防高級(jí)副總裁Greg Henderson;Patrick Morgan， Analog Devices汽車業(yè)務(wù)副總裁;以及Rimac的零部件研發(fā)總監(jiān)Matija Gracin。

Henderson強(qiáng)調(diào)了過(guò)去幾年電動(dòng)汽車市場(chǎng)的巨大變化。他們已經(jīng)從一種具有可持續(xù)性利益的新技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槠囀袌?chǎng)真正的性能領(lǐng)導(dǎo)者，從純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)OEM在該領(lǐng)域的巨額投資就可以證明，這也導(dǎo)致了汽車制造商和供應(yīng)商關(guān)系的轉(zhuǎn)變。

Henderson指出：“變化的速度，以及電動(dòng)汽車所需的新解決方案和創(chuàng)新，將改變?cè)荚O(shè)備制造商和技術(shù)供應(yīng)商之間的傳統(tǒng)線性關(guān)系。OEM現(xiàn)在的工作更加直接，與科技公司的合作會(huì)更加緊密?！?/p>

在電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車中，為了提高能量轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)師們的目標(biāo)是配備高熱可靠性電力電子模塊的緊湊封裝和組裝，同時(shí)減少開(kāi)關(guān)損耗。設(shè)計(jì)參數(shù)不同，涉及車輛動(dòng)力總成系統(tǒng)的功率級(jí)別、轉(zhuǎn)換效率、工作溫度、散熱能力、系統(tǒng)封裝等。

電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中的性能關(guān)鍵是電池和推進(jìn)系統(tǒng)?！罢嬲P(guān)鍵的是要有一個(gè)電池管理系統(tǒng)（BMS），可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)充電狀態(tài)，并以非常有效的方式將能量從電池轉(zhuǎn)移到推進(jìn)系統(tǒng)?！?/p>

正如Atkins所指出的：沒(méi)有控制就什么也不是。他補(bǔ)充說(shuō)，“現(xiàn)在所有的關(guān)鍵部件，無(wú)論是互聯(lián)的、自主的還是共享的，都需要大量的能量，以確保其高效、穩(wěn)健地工作?！本筒捎枚?，電氣化技術(shù)將逐步淘汰內(nèi)燃機(jī)。但我們需要思考加速采用這種技術(shù)仍然存在的障礙，并找到解決方案?！?/p>

市場(chǎng)正在繼續(xù)加速電氣化。Gracin指出，但有三個(gè)方面需要考慮。第一個(gè)是能量存儲(chǔ)，這是由電池組的密度決定。第二個(gè)是效率，這不僅與電池組有關(guān)，還與低電壓和高電壓轉(zhuǎn)換和管理的方方面面有關(guān)。第三個(gè)是對(duì)大眾市場(chǎng)客戶采用至關(guān)重要的基礎(chǔ)設(shè)施：充電站、維修站和服務(wù)站。

正如Morgan所提到的，疫情對(duì)汽車行業(yè)產(chǎn)生了重大影響。這一流行病大大加快了技術(shù)的發(fā)展?！傲己玫鸟{駛體驗(yàn)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。不僅是行駛方式，還有你在車?yán)锏母杏X(jué)。例如身臨其境的3D音效、麥克風(fēng)陣列和語(yǔ)音識(shí)別等功能已經(jīng)成為必備功能。

Morgan：“電動(dòng)汽車的機(jī)艙非常安靜，你會(huì)注意到更多的道路噪音。所以我們開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，可以消除道路噪音，為司機(jī)提供一個(gè)真正身臨其境和愉快的體驗(yàn)?！?/p>

另一個(gè)需要考慮的方面是電動(dòng)汽車的行駛里程，即每次充電可以行駛的距離。Morgan指出，這不僅是通過(guò)電池本身實(shí)現(xiàn)，還通過(guò)控制電池的電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)。“這些由BMS控制的電子設(shè)備必須非常精確，這樣電池才會(huì)充滿電，每一點(diǎn)電都被有效地提取出來(lái)，從而降低整體能源消耗。這對(duì)消費(fèi)者和電網(wǎng)都有好處。”

Atkins對(duì)電動(dòng)汽車的可持續(xù)性提出了疑問(wèn)。電池顯然是這兩類汽車（電動(dòng)汽車和經(jīng)典汽車）之間的主要區(qū)別之一，因?yàn)樗c也與電池過(guò)期后的情況有關(guān)。傳統(tǒng)汽車依靠?jī)?nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用熱量來(lái)驅(qū)動(dòng)自身，同時(shí)也為車載服務(wù)提供動(dòng)力，而電動(dòng)汽車則使用高壓大容量電池組。比較這兩種汽車對(duì)環(huán)境的影響時(shí)，我們需要考慮到二氧化碳的排放，這涵蓋了它們各自生命周期中每個(gè)階段的能源消耗因素：原材料采購(gòu)、生產(chǎn)、使用和回收。

Gracin指出，在設(shè)計(jì)整個(gè)產(chǎn)品中，有許多規(guī)則需要遵守。此外電池回收再利用是一個(gè)很好的趨勢(shì)。

“電池組可以被賦予第二次生命。一旦它們不再滿足汽車使用的性能要求，它們可以被重用到許多其他應(yīng)用程序中。當(dāng)你把汽車電池拆開(kāi)時(shí)，里面還有模塊和電池可以用來(lái)儲(chǔ)存能量。我們看到雷諾-日產(chǎn)等一些大型原始設(shè)備制造商正朝這個(gè)方向發(fā)展?！?/p>

無(wú)線BMS

電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵因素。無(wú)線設(shè)備的加入使它非常具有吸引力，但需要很多的照顧。BMS是一個(gè)電子系統(tǒng)，用于對(duì)所有診斷和安全功能進(jìn)行全面控制，以管理車載高電壓和平衡電荷。

ADI最近為生產(chǎn)電動(dòng)汽車推出了無(wú)線BMS解決方案。其無(wú)線BMS免去了使用傳統(tǒng)線束的必要，節(jié)省了高達(dá)90%的線束和高達(dá)15%的電池組體積，提高了設(shè)計(jì)靈活性和可制造性，同時(shí)不會(huì)影響電池使用壽命內(nèi)的里程數(shù)和精度。。

ADI公司的無(wú)線BMS將電源、電池管理、射頻通信和系統(tǒng)功能等所有集成電路、硬件和軟件整合在單個(gè)系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品內(nèi)，通過(guò)采用ADI公司經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的業(yè)內(nèi)領(lǐng)先BMS電池電芯測(cè)量技術(shù)，支持ASIL-D安全性和模塊級(jí)安全性。通過(guò)提高車輛使用壽命期間的精度，無(wú)線BMS系統(tǒng)可最大化單個(gè)電芯的能量利用率，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的車輛續(xù)航里程，并支持安全且可持續(xù)的無(wú)鈷電池化學(xué)材料，如磷酸鐵鋰（LFP）。

Morgan：“這項(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)是可持續(xù)發(fā)展，不僅因?yàn)樗怂械木€束，而且降低了所有的制造和相關(guān)的復(fù)雜性。它還使電池組能夠以模塊化、可擴(kuò)展的方式設(shè)計(jì)，你就可以利用這些電池組，根據(jù)特定的應(yīng)用程序匹配它們，然后重新配置。除了重量和靈活性方面的優(yōu)勢(shì)，wBMS還可以采用不同的方式來(lái)設(shè)計(jì)電池組。通過(guò)對(duì)電池和模塊的持續(xù)健康狀態(tài)計(jì)算所獲得的數(shù)據(jù)，可以在電池被重復(fù)利用之時(shí)更準(zhǔn)確地確定電池組的剩余價(jià)值。”

電池

電池是所有電動(dòng)汽車的核心，成本和重量等因素是挑戰(zhàn)。電池和電池相關(guān)技術(shù)的重要性如何？

Gracin指出，目前的電池已經(jīng)達(dá)到了某種極限。未來(lái)的電池要實(shí)現(xiàn)更好的性能以及更加綠色節(jié)能的目標(biāo)。

“回顧過(guò)去10年左右，并沒(méi)有很多事情改變，今天關(guān)于鋰離子和固態(tài)電池的討論與10年前差不多。我們真的把電池里的所有東西都擠了出來(lái)，努力把2毫米的電池塞進(jìn)去，只是為了多放一個(gè)電池。由于性能的關(guān)系，就需要放盡可能多的電池，以釋放更多的電力，但基于目前的設(shè)計(jì)，我們已經(jīng)達(dá)到了極限。因此，要想突破就需要進(jìn)行大量創(chuàng)新?！?/p>

Morgan談到了正在開(kāi)發(fā)的新型電池化學(xué)物質(zhì)，比如磷酸鐵鋰（LFP），它完全不含鈷，一種有毒的稀有礦物。電動(dòng)汽車需要一定類型的電池和較高的能量密度。重點(diǎn)是，這項(xiàng)技術(shù)能夠支持更廣泛的電池。第二點(diǎn)問(wèn)題是每一輛以電池為主的電動(dòng)汽車成本。在未來(lái)2-3年內(nèi)，電動(dòng)汽車的成本將與內(nèi)燃機(jī)的汽車相當(dāng)。

結(jié)論

汽車供應(yīng)鏈，無(wú)論是在電子還是機(jī)械方面，都在經(jīng)歷重大變化。軟件正變得越來(lái)越重要：當(dāng)今典型的高端汽車大約有1億行軟件代碼。由于電池是電動(dòng)汽車最基本關(guān)鍵特性，因此BMS發(fā)揮著更大的作用，因?yàn)榇_保高效的充電管理是電動(dòng)汽車正確運(yùn)行的基本要素。

今天的電池必須具有非常高的能量存儲(chǔ)密度，自損耗電流要接近于零，并且能夠在幾分鐘內(nèi)充電。電動(dòng)汽車的快速增長(zhǎng)將加速降低市場(chǎng)價(jià)格，還會(huì)催生出不同的收費(fèi)系統(tǒng) （如快速充電，需要幾十分鐘完全或幾乎完全充電），并在充電站上得到普及。
責(zé)任編輯:tzh