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電動汽車給汽車工程師帶來了哪些開發難題?

2019-08-05 17:00:21 來源:EEFOCUS
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電動汽車已經從一個“新生兒”逐漸長大成人,并且有成為主流應用的趨勢。

 

根據彭博新能源財經對2019年的電動汽車市場的觀察,在2010年,全球僅有數千輛電動汽車被售出,但是到了2018年,電動車的銷量突破了200多萬輛。

 

 

彭博新能源財經的分析師預測,這種上升趨勢將變得越來越明顯,分析師認為,2025年年度乘用車銷量將增至1000萬輛,2030年達到2800萬輛,到2040年達到5000萬輛。彭博新能源財經報告稱,到2040年,預計所有乘用車銷量的57%將是電動車。

 

但是也有報告表明,電動車并沒有那么受歡迎。《消費者報告》聯合美國憂思科學家聯盟,發布了一份名為《Electric Vehicle Survey Findings and Methodology(電動汽車調查的成果及其方法論)》的報告,報告顯示,約有三分之一(31%)的美國潛在購車者會考慮購買電動車,而肯定在未來兩年內購買電動汽車的比例僅為5%。

 

 

可以看到,大部分美國人對與電動汽車還是持保守態度,價格高昂、續航里程短等問題仍然是目前電動汽車普及的阻礙,那么要解決這些問題,到底需要工程師去做些什么,這又給工程師們帶來了哪些難題?筆者將從電動汽車的“三電(電機電控電池)”,車聯網、仿真測試等角度出發,淺析電動汽車給工程師們帶來的挑戰。

 

電池

電池可謂是電動汽車的“心臟”,與傳統的燃油車不同,電動汽車依賴電池提供動力,無論是驅動電機,還是為車內的娛樂系統提供電源,電動汽車內所有和電有關的東西,都離不開電池的驅動,但是目前的電池續航仍然有點“捉急”,電動汽車的續航里程從200km~600km不等均有系列車型,而電動汽車的續航里程最高的則是特斯拉的Model S,為660km。

 

 

下面來看鋰電池和燃料電池的組成:

鋰電池

鋰電池主要是指在電極材料中使用了鋰元素作為主要活性物質的一類電池,主要包括鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類。

 

鋰離子電池是一種二次電池,它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作,是可以充放電的電池。鋰離子電池的結構主要包括正極、隔膜、負極、電解液和電池外殼。

 

正極:一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰,鎳鈷錳酸鋰材料(俗稱三元),純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。

 

隔膜:為一種經特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔結構,可以讓鋰離子自由通過,而電子不能通過。

 

負極:一般為石墨,或近似石墨結構的碳。

 

電解液:是電池中離子傳輸的載體,一般由鋰鹽和有機溶劑組成,主要作用是在鋰電池正、負極之間傳導鋰離子。

 

電池外殼:分為鋼殼(方型很少使用)、鋁殼、鍍鎳鐵殼(圓柱電池使用)、鋁塑膜(軟包裝)等,主要用來保護電池用。

 

鋰離子電池根據正極材料分主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰等,目前在車用方面較為成熟的為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池,前者的代表是比亞迪,后者為特斯拉。

 

燃料電池

燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置,又稱電化學發電器。

 

它是按電化學原理,即原電池工作原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能,因而實際過程是氧化還原反應。

 

燃料電池主要由三部分組成,電極、電解質和外部電路。

 

燃料電池的電極是燃料發生氧化反應與氧化劑發生還原反應的電化學反應場所,主要包括陽極和陰極,厚度一般為200-500mm,其結構與一般電池的平板電極不同為多孔結構,目的是提高燃料電池的實際工作電流密度。

 

電解質起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導致電池內短路,電解質通常為致密結構。

 

外部電路一般有雙極板構成,雙極板具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導反應氣體等作用,其性能主要取決于其材料特性、流場設計及其加工技術。

 

常用的燃料電池按其電解質不同,可以分為質子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸燃料電池(PAFC)和堿性燃料電池(AFC)。

 

質子交換膜燃料電池(PEMFC)由于具有多種性能優勢,包括電池操作溫度低、啟動速度快等,是目前應用較為成熟和廣泛的燃料電池,在全球出貨量和出貨兆瓦數方面占據主導地位。

 

燃料電池的燃料主要是氫氣、甲醇等碳氫化合物。

 

在電動汽車中,鋰電池是現階段最為成熟、性能較為穩定、應用最為廣泛的動力電池,此外,

燃料電池也在不斷發展,行業內已經形成了初步的共識,新能源汽車未來將是以鋰電池作為主動力電池的新能源汽車和以燃料電池為主動力電池新能源汽車共存的局面。

 

就目前而言,電動汽車電池的能量密度并不是很大,鋰電池相比燃料電池而言,相差非常大,此外,公共和貨物運輸等高利用率的車輛是有害排放的主要來源。因此,他們更傾向于使用電動車,這就涉及到充電效率問題,此外,不僅僅是公共和貨物運輸領域,家用汽車平常加油也就三到五分鐘,如果電動汽車需要長時間充電才能上路,那在便利性上電動汽車與傳統燃油車根本沒法比。所以,電動汽車如何快速充電是一大難題。而已知的是快速充電會加速電池劣化,引起電池燃燒等安全問題,并對電網造成壓力。所以,工程師必須要平衡快速充電時間,并保證電池的安全性和可靠性,才能使電動汽車更為大眾接受。

 

電機電控

作為傳統發動機和變速箱功能的替代,電機和電控的性能直接決定了電動汽車的爬坡、加速、最高速度等主要性能指標,因此,電機、電控系統在電動汽車中的地位僅次于動力電池。

 

一個典型的電控系統-圖片來源NXP

 

而電機和電控也需要滿足這些場景的需求:頻繁起停、加減速,低速/爬坡時的高轉矩,高速行駛時的低轉矩和較大變速范圍,混合動力車還需要處理電機啟動、電機發電、制動能量回饋等特殊功能。

 

因此,電動汽車驅動系統需要滿足如下技術需求:

 

第一,驅動電機要有更高的能效,實現輕量化、低成本,適應有限的車內空間,同時要具有能量回饋能力,降低整車能耗;

 

第二,驅動電機同時具備高速寬調速和低速大扭矩,以提供高啟動速度、爬坡性能和高速加速性能;

 

第三,電控系統要有高控制精度、高動態響應速率,并同時提供高安全性和可靠性。

 

電機方面,電機的繞組、電機的轉子、發熱等都是工程師需要面對的難題,具體來說,電機繞組的排布和磁場能量轉換有關。優化的繞組可以降低損耗,提高效率,減少發熱;傳統電機轉子已經不再適用于電動汽車電機,尋找可以有效增大轉矩,減小電動機體積的轉子也是難題之一;電機過熱是電機安全和可靠性能的天敵,因為電力電子器件比傳統汽車部件更容易受熱損壞,因而發熱問題也是難點之一。

 

電控方面,汽車在轉向電氣化后增加了電池組、驅動電機、變速箱(減速器)、動能回收系統等等,而如果再加上自動駕駛和增程式系統的話,電控系統所要承擔的責任就更多了,因此實現高控制精度、高動態響應速度,同時具有安全性和可靠性,電控系統也是一大難題。

 

車聯網

車聯網這個概念雖不是因電動汽車而誕生的,但是車聯網卻和電動汽車有著密不可分的關系。車聯網提出的初衷是為車與車之間的間距提供保障,降低車輛發生碰撞事故的幾率;幫助車主實時導航,并通過與其它車輛和網絡系統的通信,提高交通運行的效率。

 

據統計,到2020年,全球至少有2.2億輛配置50個傳感器的車輛,在汽車領域聯網的傳感器總數將至少達到110億,而這些傳感器可能每天傳輸多達1.5TB的數據。而很多人設想著通過這些大數據,可以減少交通事故并改善導航和擁堵。

 

 

這也是難點所在,對大數據的需求意味著車輛越來越需要連接,OTA固件更新也變得更加重要,這些數據的復雜性之高,以及數據量之多,處理起來也將是個大麻煩。如何正確處理這些大數據,以及如何保障連接安全可靠,這些都是對工程師們提出的難題。

 

仿真測試

在電動汽車的仿真測試中,傳統的驗證技術也還保持著生命力,常用的整車試驗驗證方式 整車道路(公路)試驗、場地道路試驗、整車臺架試驗、 整車動/靜態主觀評價試驗和虛擬數據和計算機仿真驗證分析等。

 

這里需要工程師做的便是找出公路運輸,電力系統和電網內集成的最佳解決方案,工程師通過仿真軟件,可以在施工階段之前測試不同的設計決策,大量的仿真數據也會給工程師們帶來處理的難題。

 

結語

想要讓電動汽車更大規模地普及,當然不止筆者上述提到的這些難題,還有大量的開發工作等著工程師們去做,如果你是汽車電子工程師,你準備好面臨這些挑戰了嗎?

 

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作者簡介
錢玉鋒
錢玉鋒

與非網編輯,電科專業出身。愿與大家一起分享自己對電子圈的見解,拋磚引玉,還原最真實的電子圈。

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