一文读懂:汽车电气化的昨天、今天和明天

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-车辆二氧化碳排放法规已由多国政府监管者实施多年,并非新生事物。但最近各国目标变得更为严格,为汽车电气化趋势带来了新的动力。

 

1、法规驱动,汽车电气化加速
 
拥有全球最大汽车市场的中国最近承诺,其将禁止化石燃料动力汽车。挪威希望到2025年出售的所有乘用车均为零排放,而荷兰的目标是到2025年实现50%。印度希望2030年实现仅销售电动汽车。而这些可能只是全球各国法规发展的一个开端。 
 
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从上图可以看出,欧盟将在21世纪20年代中期完成目前的二氧化碳排放目标,而未来的限值预计将符合趋势轨迹的走势。这些目标对内燃机设计提出了挑战,如果不采用电动传动部件进行混动设计或使用非化石燃料来源,将别无他法。
 
但挑战不仅仅是化石燃料的消耗以及由此产生的二氧化碳排放。柴油机和大排量汽油发动机等直喷式内燃机产生的氮氧化物排放和颗粒物也会引起健康问题。城市化地区无法接受此类问题,因此导致城市进一步加强立法——伦敦和巴黎等大城市正在禁止车辆进入市中心,而中国城市则采用特定时间限行的方式限制车辆。  
 
各大汽车厂商正努力应对挑战—— 沃尔沃、戴姆勒、福特等公司已公开宣布对混合动力汽车和电动汽车开发项目进行大规模投资,所有企业均积极计划在最近几年内推出多种型号的电动汽车。
 
车辆的电气化迫在眉睫,但市场接纳速度如何?下图汇总显示了电气化动力的快速增长,而内燃机动力占比的下降则较慢。例如,到2032年,50%的汽车将实现电机辅助传动,而直到2045年装配内燃机的汽车数量才下降到50%。诚然,未来混合动力或电动汽车的确切数量取决于许多经济和社会因素,例如: 
-汽柴油与用电价格差异
-技术持续进步——规模效应、电池成本改善、电池化学性能改善提高能量密度(从而提高续航能力)、充电设施建设
-对于环境和气候变化的担忧日益增加
-消费者行为以及对于车辆购置态度的转变,以及对于电动汽车技术的接受程度
-燃油经济性、二氧化碳排放和污染方面的法规
 
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从上图中还可以看出,电动车辆形式多样,其范围按照电动机驱动行程占比递增可分为轻度混合动力车(MHEV)、全混合动力车(FHEV)、插电式混合动力车(PHEV)、纯电池电动汽车(BEV)。每辆车中至少有一台电动机驱动车轮辅助内燃机工作(针对有内燃机车辆),电动行程占比越高,二氧化碳排放则越低。
 
传统内燃机需要在多种驾驶条件下运行,因此在某些地区的效率受到影响,尤其是在低速/高扭矩情况下。电机能够实现低速下最大扭矩输出,因此是内燃机的好帮手,让内燃机在更适合的工况下优化其性能。
 
 
 
 
2、汽车电气化的历程
 
最初的混动车属于FHEV类型,从1997年推出的丰田普锐斯开始大行其道,而普锐斯目前仍是最为畅销的混动车。自普锐斯上市以来,混动技术已取得多项进步,其中最引人注目的便是利用插电式方式为电池充电的PHEV。在纯电动模式下,PHEV仅支持20至30公里左右的短距离行驶。
 
FHEV和PHEV的运行电压水平较为相似,都在400伏左右。最新的FHEV和PHEV车辆已经拥有两台电动机,其中一台用于将制动所产生的能量回收并对电池的充电。而另一台则具备推动车辆前进的更强扭矩和功率。由于电机低速下功率十分强大,内燃机容积可相应减小,或采用阿特金森循环等更具燃油效率的控制策略。在这种模式下,当活塞向上移动进行压缩时,进气门保持打开时间更长,使活塞向上移动的摩擦力更小并且使发动机效率增加但速度降低。另一种方式则是增程式电动车——利用一个小型内燃机对电池进行充电,但不驱动车轮。 
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最近对于FHEV的创新型替代品是48伏MHEV。此类电动车采用中型锂电池和可逆电机辅助内燃机动力总成,其作用是在低速时协助加速,刹车时对电池充电。与传统的12伏相比,48伏系统满足了在低成本和低容量下提供更多电功率的需求。高压混动车能够降低约20-30%的二氧化碳排放(CO2/km),而48伏的MHEV据说能够实现最多10-20%的减排。因此,MHEV能够以20-30%的成本带来PHEV 70%的二氧化碳减排效果。此外,48伏系统能够轻松集成至现有的汽车动力总成和架构中。 
 
车辆内拥有48伏系统的另一项好处是能够降低内燃机的负荷,将机械负载转化为来自48伏供电系统的电气负载,从而减少二氧化碳排放。空调压缩机、电动涡轮增压器、主动悬架和动力转向系统等持续运行的高功率系统能够从中获得最大效益。与PHEV和FEV中使用的高压系统相比,其另一个优点是电压60伏以下不需要特殊的隔离和保护。
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3、更高的效率,更远的续航
 
BEV能够将来自电网大约60%的电能转换为车轮功率。这一数字可能看上去效率不高,但传统汽油车只能将大约20%的能量转化为车辆动力。
 
为了改善公众对电动汽车的看法并消除大众接纳的障碍,增加两次充电间车辆续航能力是一大关键。增加电池容量是一种办法,但这也会增加重量,从而降低效率。业界需要关注系统的其他方面,例如: 
 
-减少电力驱动系统损耗——虽然电气传动比内燃机更为有效,但仍有16%的能量损失
-广泛采用再生制动——在施加制动时回收能量,车辆的惯性转动电动发电机旋转,产生电能然后存储在电池中
-减少充电损耗——给电池充电时,在将电网的交流电转换为电池的直流电的时会损失能量,克服电池对充电的阻力时也会产生能量损失量,而这一损耗会随着电池达到最大容量而不断增加。
 
为了提高电动传动系统的效率,各项研究正使得电动机科学及其在电动汽车中的应用得到持续发展。例如,BMW i3采用革命性的混合永磁同步磁阻电机降低重量,并且能在高速下提供大功率,多种运行条件下均能保持高效率。电动机变得越来越快,且需要运行在最高效的工作点,其控制方法也变得越来越先进,涉及到的数学模型也日益增加。
 
多相电动机的课题也正在进行重新探讨,目前趋势是发展六相甚至更高的相位数,这可通过纯六相方法或机械安装拥有固定相移的双三相方案实现。使用多相电机能够使每相携带的电流更小,因此可以重新调整元件尺寸,并减少转矩波动,从而可以优化直流电容器的尺寸并改善电池波动,最终实现续航能力的提高。多相控制的另一个好处是冗余,因为在组件发生故障时仍可以在较低的功率下保持系统继续工作。
 
预测模型控制技术可用卡尔曼滤波或状态空间建模来提高内燃机或电动机的瞬时效率。但是,提高动力传动系统效率和整体车辆效率的另一种方法是优化行程各阶段采用何种扭矩源的决策。混合动力控制单元(HCU)在车辆电气架构中处于内燃机控制、电动机控制、电池管理系统和制动控制器之上,决定车辆扭矩和能量策略,具体来说就是决定什么时候使用哪个系统对汽车进行加速或减速。   
 
决策可以在瞬间进行——即决定在当前情况下车辆运行的最佳方式是什么。但随着信息的不断增加,以及决策时间范围包括整个行程, 决策质量也会大大提高。例如,如果车辆精确位置、交通状况、平均路线速度、预计行程持续时间、充电站位置、计划路线上的坡度和驾驶人风格的背景都是已知的,那就可以预测哪里使用内燃机,哪里使用电动机,以及何时利用再生制动为电池充电。利用这一系列车辆数据,结合其他道路使用者的众包数据,可以通过人工智能技术实现数学密集型的控制策略,显著提高车辆效率从而提高续航。研究表明,HCU获得更多预测控制权时——例如预测档位选择(通过GPS获取山地地形信息或摄像机观测交通)和速度——可以实现高达30%的效率节省。
 
 
 
4、高性能计算:电气化的关键
 
只有通过提高车辆的计算性能才能实现潜在的二氧化碳减排。无论是对于驱动系统的精确实时控制,数学密集型的能量优化策略,抑或是不同动力来源的精确同步,都必须通过可用计算性能的阶梯式进步方可实现。
 
为此,恩智浦发布了用于下一代混合动力和全电动汽车的GreenBox开发平台。GreenBox允许汽车制造商和供应商在恩智浦基于Arm Cortex技术的S32汽车处理器多核平台上开始下一代混合动力和电动汽车应用的早期开发。
 
GreenBox电气化开发平台用于在真实的用户环境中对这些控制算法进行开发和测试。随着全球对排放的监管限制和更为严格的燃油经济性目标,传统汽车制造商和新市场进入者都需要利用开发工具来快速设计电动和混合动力汽车。GreenBox可以为今后使用S32电气化微控制器的HEV/EV设计提供简单易用的开发途径。
 
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