混合动力和电动汽车有何优势?

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混合动力和电动汽车(HEV)近年来受到了广泛的关注,节能减排已经势在必行,化石燃料的储备总是有限的,混合动力和电动汽车(HEV)在现阶段是替代以内燃机为中心的汽车的最佳选择。

汽车的碳排放水平已经通过采用更好的空气管理和热管理机制在一定程度上得到降低。但是很显然,减排的效果已经开始递减,一些很重要的改进技术已经用到极限。如果仍需要保持驾驶的乐趣,控制二氧化碳排放量和发动机小型化的下一个重要步骤,是通过采用更高程度的电气化,降低发动机(带有按需系统)的连续负载,以及通过实现混合动力(引入电动动力总成)来提高整体效率。

汽车中越来越多地使用电气化已经使效率得到显著改善。例如,通过采用电动转向来取代液压动力转向已经可以在某些型号的汽车中降低二氧化碳排放量达5%,其他的泵和流体回路同样也在经历这种转变。混合动力以及电动汽车的更广泛采用将使我们能够超越这些。随着混合动力以及电动汽车的普及程度逐步上升,行业分析公司已经就其未来发展作出非常乐观的预测。例如,Technavio预计混合动力/电动汽车市场从现在到2019年将具有15%以上的复合年均增长率(CAGR)。日本目前在混合动力/电动汽车市场处于领先(每5台新售汽车中就有1台是某种形式的混合动力),欧洲也正为混合动力/电动汽车的长期推广作出巨大贡献。

汽车制造商可以通过多种技术途径来缩小汽车发动机的尺寸,从而达到目前正在实施的强制减排目标。通过结合涡轮增压,他们已经能够优化传统内燃发动机的效率水平,达到较低的二氧化碳/千瓦小时,该值的大小体现了降低碳排放的能力。但是,应该指出的是,与涡轮增压一起出现的主要问题是响应滞后。涡轮增压在每分钟转数(RPM)高于某个阈值后才可以激活,此时才可以实现吸入压缩空气。涡轮增压通过可变几何尺寸能够在较低每分钟转数(转速)下改善滞后性,但电动增压器(electric superchargers)却相反,能够提供一个非常有吸引力的替代或补充方案。采用这种方案,压缩空气是通过采用一个电机(主要工作在发动机较低转数下)来吸入,但不是通过高压排放废气,这大大降低了滞后效应。

尽管人们普遍认为启动/关机系统在不太遥远的将来是汽车中的通用配置,但这个功能自身还不足以能够实现立法路线图所规定的减排,汽车的混合动力化/电气化则潜力巨大。

目前市场上有许多种不同的混合动力/电动汽车类型,包括微型混合动力(micro hybrids)、轻度混合动力(mild hybrids)、完全混合动力(full hybrids)、插电式混合动力(plug-in hybrids)和电动汽车。完全混合动力具有相对较大的电机,可与汽车的内燃机互相补充。在某些情况下,完全混合动力可以降低超过三分之一的汽车内燃机排放。完全混合动力汽车可以支持全电动模式(至少可以达到50公里的基本时速,并受制于可用的电池充电),但汽车必须配备相当沉重和昂贵的大尺寸电池组,以便具有足够高的电力来产生驱动汽车所需的动力。

轻度混合动力汽车现在已经加入完全混合动力汽车和其他HEV车型阵营。轻度混合动力汽车都配备有电动动力系统(electrical powertrain),这些是微型混合动力(或所谓的停止/开始车辆)所欠缺的,但同时他们并不需要完全混合动力汽车的高电压电池阻和高能量存储。轻度混合动力汽车介于微型混合动力和完全混合动力之间,并且具有二者所长。轻度混合动力汽车的电机并不能独立地负责汽车的驱动,驱动是由内燃机完成,电机只是在功率峰值需求时提供附加的转矩,发电机可以在制动过程中使得动能得到储备。这种能量通常存储在一个48V的电池组,可用于电动动力系统,或者驱动高功率负载而无需使内燃机增大负载,或者用于驱动电动增压器从而改善空气管理。通过这种设置,可以实现燃料效率提高10-15%。这意味着汽车制造商仍然需要解决排放问题,实现发动机的小型化,同时还要保持在较高性能水平,使这些车辆在市场上具有吸引力。轻度混合动力在欧洲已经被证明是特别成功的市场。据预测,在未来几年轻度混合动力汽车的销售额有接近50%将来自欧洲。

对于轻度混合动力汽车,由于可以不遵守严格的高压电池隔离标准,可以降低线束的重量和成本。轻度混合动力可能无法达到与完全混合动力汽车相媲美的燃油效率,但它们却能够实现与内燃机汽车相比显著的燃油效率改进,并且还可为消费者带来更具吸引力的价格点。完全混合动力功能将使汽车成本增加3000到6500英镑,但轻度混合动力功能不会导致如此高的成本(通常低于1000英镑)。这主要是由于这些汽车不需要完全混合动力汽车那样大的电池容量。为此IHS汽车部(IHS Automotive)预计,到2020年,所有市场销售的HEV中有大约15%是轻度混合动力汽车。

如果轻度混合动力汽车逆变器组的功率目标是确定通过48V系统实现,相关的峰值电流将需要超过200A,此时的功率损耗会变得非常重要。逆变器硬件的成本投入会非常巨大,这些成本也是轻度混合动力汽车的主要附加成本之一。通过选用具有更低功耗的较小逆变器,可以使混合动力汽车的生产成本不是很昂贵,这些汽车也因此对消费者更具吸引力。因此,由于这些逆变器都需要支持更高功率密度,将对现有的电流检测技术产生巨大冲击。

电流检测用途的电阻器用于检测过电流和电池电量。一直以来在车载和工业设备中的应用较为广泛,但是近年来,随着这些领域的高性能化和电子化发展,电路内的电流量不断增大,从而要求产品能够支持更大的功率。另外,对于可抑制电路功耗的超低阻值化、在过苛温度环境下也可确保优异的电阻温度系数的高精度电阻器的需求日益高涨。

以车载、工业设备为重点领域的ROHM,正在不断强化从电阻器到晶体管、二极管等在电源领域的产品阵容。

总之,逆变器小型化和先进的48V混合动力系统为汽车行业降低二氧化碳排放呈现了一个非常有效技术途径。轻度混合动力汽车市场能够让汽车制造商规避完全混合动力汽车的成本和重量问题,同时仍可以得到燃油效率的改进,但没有以往方案在成本或性能方面的缺点。通过采用更先进的配套电子产品,可以提高电池的功率密度,并可应对更高的工作温度。这样可以允许实现下一代混合动力汽车需要的逆变器小型化设计,也能够降低混合动力汽车的价格以便吸引购车者。

 

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