混合動力汽車的最大挑戰是電池

2009年11月10日8:28:30

汽車的節能減排已成為汽車電子發展的原動力，隨著石油供應的日趨緊缺和環境污染的日益加劇，電動車這種以電能為動力的交通工具憑借其節能、環保的優點日漸成為業界關注的焦點。然而，縱使電動汽車有很多優點，但它一時間卻無法取代傳統的燃氣動力模式，所以混合動力汽車是目前新型清潔動力汽車中最具有產業化和市場化前景的車型。但是，電池、成本、可靠性、壽命、更復雜的環境、對高壓功率器件的要求等諸多問題成為汽車廠商面臨的眾多難題。

　　英飛凌科技(中國)有限公司汽車電子業務部高級市場工程師曹洪宇指出：目前混合動力汽車的主要挑戰來自兩個方面：一個是傳統動力系統和電動系統之間的協調工作；另一個是需要在成本可控的條件下，滿足汽車電子在復雜應用環境下的可靠性要求。

　　曹洪宇：混合動力汽車的一個主要挑戰是傳統動力系統和電動系統之間的協調工作。

　　飛兆半導體全球汽車市場部高級經理Hans-PeterHoenes則認為，混合動力汽車的主要設計挑戰，是以極低的成本創建一個非常復雜卻又高度可靠的系統。

　　“電動汽車大致可以分為三類：混合動力、燃料電池和電動車。電動汽車存在著一個通用性的問題——電池，由于目前存在的電池方面的種種問題，未來能夠實現量產的可能性最大的就是混合動力車。混合動力與傳統發動機相比在技術領域增加了三部分，一是整車控制，二是電池管理，三是電機控制?！憋w思卡爾中國區汽車電子工程經理康曉敦表示。

　　康曉敦：電池技術是混合動力汽車的關鍵所在，電池的成本也占到了整車的1/3以上。

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

　　輕混與全混面臨的不同挑戰

　　曹洪宇分析道，微混系統和全混合系統在系統結構上有很大區別，它不僅僅是電機系統占總功率百分比的數值差異，重要的是量變引起的車輛結構的變化。微混合系統一般實現起停功能，全混合系統則要求車輛在沒有發動機動力的情況下依然具有一定的續航能力。由于系統的耦合度大大增加，全混合系統結構更為復雜，對設計帶來更多挑戰。

　　Hans-PeterHoenes則分析道，對于輕度混合動力的汽車來說，底盤(其基本設計)仍是傳統的汽車設計，通常是在一輛普通汽車上集成混合動力特性。由于底盤(其基本設計)設計已定，額外需要的所有系統都必須能作出配合。不過，這并非總是最佳技術方案，迄今這方面最大的挑戰是機電一體化集成。換言之，需要空間要求最低的設計。至于完全采用混合動力的汽車，整個設計都需要改變，不僅動力傳動，甚至底盤都不得不針對混合推進而優化。一個好的設計應該是圍繞動力傳動來設計汽車，而傳統方案則是設計汽車，只是把引擎放置在“某處”。這是一個徹底的設計思維觀念的轉變，因為驅動系統決定了、或至少大大影響了汽車的形狀和外觀。

　　“設計工作面臨的最大挑戰是，缺乏在高壓下大功率電動傳動(高壓驅動大功率電機)方面擁有豐富經驗的汽車工程師。由于工作條件與傳統汽車不同，所以即使是在工業驅動領域富有經驗的資深顧問，所能夠提供的幫助也很有限?！盚oenes表示。飛兆半導體不僅擁有分立式功率技術，還有柵極驅動器IC等集成電路。這不但適用于低電壓，還能涵蓋高達1200V的全部電壓范圍。這種模塊集成能力可讓客戶獲得經全面測試的最優化功率級，能夠解決眾多有關寄生和器件交互作用的設計問題。

　　電機控制面臨的挑戰

　　在電機控制方面，曹洪宇指出主要的難度是必須達到汽車級別可靠性要求，同時需要考慮合適的成本實現。另外需要考慮大功率驅動系統帶來的電磁干擾和噪聲的影響。如果使用工業級的器件雖然在使用初期沒有什么大問題，但隨著時間的推移，伴隨著注定產生的器件失效，會給廠商的品牌形象和口碑帶來無法估量的損失，“所以我們推薦使用汽車級的器件，能有效保證在車輛的生命周期內系統的可靠運行?！彼f道?！白鳛槿蝾I先的功率器件供應商，英飛凌擁有深厚的系統經驗和眾多專家團隊，這能更好的理解客戶的具體需求，甚至幫助客戶發現那些隱藏在系統應用之下的細節要求?！?br>
　　英飛凌提供業界領先的高功率密度汽車級模塊HP1(hybridpack1) HP2(hybridpack2)，以超小的體積，最切合汽車系統空間的局限性。HP1重485g(72x140x17mm)3半橋合一的設計，650V400A最大驅動能力，適用于20-30KW以內電機應用。HP2(106.5x48.5x20.5mm)重量1250g,更是以特別的直接水冷式散熱設計，以650V800A模塊滿足80-100KW的電機應用。

　　Microchip汽車產品組汽車市場經理陳頌恩則認為：“在混合動力汽車中，電機控制對于轉向控制和電池冷卻等關鍵子系統非常關鍵。無刷直流(BLDC)電機由于體積小、可控性和高效率而得到普遍使用。無刷直流電機越來越多地得到使用，以消除皮帶和液壓系統，提供額外功能和改善行駛里程。磁鐵成本持續下降和控制直流無刷電機所需的電子器件不斷減少，導致其被越來越多的汽車所采用，功率水平也不斷提高?！?br>
　　陳頌恩接著解釋，直流無刷電機通常與一個或多個轉子位置傳感器一起使用，因為它們的電氣勵磁必須與轉子位置同步。出于成本、可靠性和機械包裝方面的原因，特別是如果電機需要浸沒在流體之中，最好在無傳感器的情況下運行無刷直流電機——即無傳感器運行。無傳感器電機的成本較低，因為不需要傳感器，但驅動情況更加復雜。無傳感器電機在混合動力汽車電池冷卻系統等方面具有出色表現，此時電機不需要啟動和停止。“汽車系統嵌入設計師面臨不斷變化的環境，需要開發出具有成本效益和環境友好的解決方案。低功耗微控制器是滿足苛刻要求的重要器件，它可以較低的成本增加系統的可靠性，采用小型封裝適應較小的電路板空間，而且無需外部元件。此外，可具備插座、軟件和外設兼容性的微控制器架構，為設計師提供了出色的靈活性，使他們能夠縮短開發時間和降低成本。微芯科技提供多種微控制器和DSC，對于面臨混合動力汽車電子需求挑戰的設計師來說是最佳的解決方案?！?br>
　　在動力總成系統方面，曹洪宇認為最大挑戰是如何協調電機系統和傳統動力系統的運行，帶給用戶更好的駕乘感受。整個系統效率的提高主要從以下幾個方面入手：提高電機系統運行效率，制動能量的回饋比率，減少發動機在低效率轉速區間的運行等。

　　對于電機控制，飛思卡爾的康曉敦表示，“飛思卡爾是電子汽油發動機管理領域的全球領導者。我們提供先進的嵌入式控制器、傳感器技術、動力管理組件和動力制動器驅動，使新車輛更加經濟，并保護環境。我們還在不斷把發動機控制技術引入到電動車控制和管理中，并基于PowerArchitecture的飛思卡爾處理器MPC55/56xx系列提供許多最先進的發動機控制、整車管理、電機驅動、電池管理等解決方案。”

　　電池管理面臨著最大挑戰

　　在(完全)混合動力的汽車中，電池是最昂貴的，同時也是最精細脆弱的部件。雖然鋰電池具有大功率密度的優勢，但在開發適用于混合動力汽車的電池方面，仍有大量工作要做。在此情況下，未來數年間，鎳氫(NiMH)電池的運用仍將越來越廣泛。

　　Hans-PeterHoenes指出，要實現快速充電又不損害(損傷)電池，設計人員需要一種非常精確的電荷(充電)控制技術。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，但飛兆半導體的重點仍然是在硬件上。為避免充電期間電力線的干擾，好的功率因數校正解決方案是必不可少的，在某種程度上甚至是法律規范規定的。飛兆半導體擁有廣泛的控制IC產品組合，再結合內置具有軟恢復整流器(性能的整流二極管)和低飽和壓降IGBT，就可以提供一個完整的解決方案。

　　在電池管理方面，曹洪宇認為英飛凌擁有鋰電池動態平衡應用專利，能減少相互差異，有效提高電池使用效率和壽命。這項專利的特點是可以在電池充電放電或者空閑的任意時間實施電量平衡，非常適合汽車動力應用這樣變化多樣的環境和迅速模式切換的需求。

　　“從目前技術來看，電池技術是混合動力汽車和電動車的關鍵所在。既使是市場呼聲比較高的混合動力汽車，電池的成本也占到了整車的1/3以上。而且還有重量、可靠性、壽命等諸多問題需要解決。磷酸鋰鐵電池技術應該是解決方案中較好的一種。但涉及的以上問題也還是需要進一步改進。燃料電池是另一種技術，因其技術成熟性、燃料(主要是液態氫)貯存和控制方面的問題，可以說還不能馬上成為成熟的量產產品。而對純電動車的混合動力來講，電池的成本、重量、可靠性、壽命、包括充電問題將是政府、汽車公司所面臨的主要問題?！笨禃远卣f道，“所以，目前混合動力汽車在歐美國家及日本已形成產業化，而國內還處于起步階段，沒有形成產業化。作為國際領先的汽車半導體廠商，飛思卡爾在致力于對中國本土汽車電子的發展做出貢獻。我們對重要客戶的支持(如比亞迪等)包括技術交流、產品定價等。”