如果你是汽车电子工程师,你准备好面临这些挑战了吗?

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电动汽车已经从一个“新生儿”逐渐长大成人,并且有成为主流应用的趋势。

 

根据彭博新能源财经对2019年的电动汽车市场的观察,在2010年,全球仅有数千辆电动汽车被售出,但是到了2018年,电动车的销量突破了200多万辆。

 

 

彭博新能源财经的分析师预测,这种上升趋势将变得越来越明显,分析师认为,2025年年度乘用车销量将增至1000万辆,2030年达到2800万辆,到2040年达到5000万辆。彭博新能源财经报告称,到2040年,预计所有乘用车销量的57%将是电动车。

 

但是也有报告表明,电动车并没有那么受欢迎。《消费者报告》联合美国忧思科学家联盟,发布了一份名为《Electric Vehicle Survey Findings and Methodology(电动汽车调查的成果及其方法论)》的报告,报告显示,约有三分之一(31%)的美国潜在购车者会考虑购买电动车,而肯定在未来两年内购买电动汽车的比例仅为5%。

 

 

可以看到,大部分美国人对与电动汽车还是持保守态度,价格高昂、续航里程短等问题仍然是目前电动汽车普及的阻碍,那么要解决这些问题,到底需要工程师去做些什么,这又给工程师们带来了哪些难题?笔者将从电动汽车的“三电(电机电控电池)”,车联网、仿真测试等角度出发,浅析电动汽车给工程师们带来的挑战。

 

电池

电池可谓是电动汽车的“心脏”,与传统的燃油车不同,电动汽车依赖电池提供动力,无论是驱动电机,还是为车内的娱乐系统提供电源,电动汽车内所有和电有关的东西,都离不开电池的驱动,但是目前的电池续航仍然有点“捉急”,电动汽车的续航里程从200km~600km不等均有系列车型,而电动汽车的续航里程最高的则是特斯拉的Model S,为660km。

 

 

下面来看锂电池和燃料电池的组成:

锂电池

锂电池主要是指在电极材料中使用了锂元素作为主要活性物质的一类电池,主要包括锂金属电池和锂离子电池两大类。

 

锂离子电池是一种二次电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作,是可以充放电的电池。锂离子电池的结构主要包括正极、隔膜、负极、电解液和电池外壳。

 

正极:一般为锰酸锂或者钴酸锂,镍钴锰酸锂材料(俗称三元),纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。

 

隔膜:为一种经特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔结构,可以让锂离子自由通过,而电子不能通过。

 

负极:一般为石墨,或近似石墨结构的碳。

 

电解液:是电池中离子传输的载体,一般由锂盐和有机溶剂组成,主要作用是在锂电池正、负极之间传导锂离子。

 

电池外壳:分为钢壳(方型很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池使用)、铝塑膜(软包装)等,主要用来保护电池用。

 

锂离子电池根据正极材料分主要包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元锂、磷酸铁锂等,目前在车用方面较为成熟的为磷酸铁锂电池和三元锂电池,前者的代表是比亚迪,后者为特斯拉。

 

燃料电池

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,又称电化学发电器。

 

它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应。

 

燃料电池主要由三部分组成,电极、电解质和外部电路。

 

燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所,主要包括阳极和阴极,厚度一般为200-500mm,其结构与一般电池的平板电极不同为多孔结构,目的是提高燃料电池的实际工作电流密度。

 

电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。

 

外部电路一般有双极板构成,双极板具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等作用,其性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。

 

常用的燃料电池按其电解质不同,可以分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和碱性燃料电池(AFC)。

 

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有多种性能优势,包括电池操作温度低、启动速度快等,是目前应用较为成熟和广泛的燃料电池,在全球出货量和出货兆瓦数方面占据主导地位。

 

燃料电池的燃料主要是氢气、甲醇等碳氢化合物。

 

在电动汽车中,锂电池是现阶段最为成熟、性能较为稳定、应用最为广泛的动力电池,此外,

燃料电池也在不断发展,行业内已经形成了初步的共识,新能源汽车未来将是以锂电池作为主动力电池的新能源汽车和以燃料电池为主动力电池新能源汽车共存的局面。

 

就目前而言,电动汽车电池的能量密度并不是很大,锂电池相比燃料电池而言,相差非常大,此外,公共和货物运输等高利用率的车辆是有害排放的主要来源。因此,他们更倾向于使用电动车,这就涉及到充电效率问题,此外,不仅仅是公共和货物运输领域,家用汽车平常加油也就三到五分钟,如果电动汽车需要长时间充电才能上路,那在便利性上电动汽车与传统燃油车根本没法比。所以,电动汽车如何快速充电是一大难题。而已知的是快速充电会加速电池劣化,引起电池燃烧等安全问题,并对电网造成压力。所以,工程师必须要平衡快速充电时间,并保证电池的安全性和可靠性,才能使电动汽车更为大众接受。

 

电机电控

作为传统发动机和变速箱功能的替代,电机和电控的性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标,因此,电机、电控系统在电动汽车中的地位仅次于动力电池。

 

一个典型的电控系统-图片来源NXP

 

而电机和电控也需要满足这些场景的需求:频繁起停、加减速,低速/爬坡时的高转矩,高速行驶时的低转矩和较大变速范围,混合动力车还需要处理电机启动、电机发电、制动能量回馈等特殊功能。

 

因此,电动汽车驱动系统需要满足如下技术需求:

 

第一,驱动电机要有更高的能效,实现轻量化、低成本,适应有限的车内空间,同时要具有能量回馈能力,降低整车能耗;

 

第二,驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩,以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能;

 

第三,电控系统要有高控制精度、高动态响应速率,并同时提供高安全性和可靠性。

 

电机方面,电机的绕组、电机的转子、发热等都是工程师需要面对的难题,具体来说,电机绕组的排布和磁场能量转换有关。优化的绕组可以降低损耗,提高效率,减少发热;传统电机转子已经不再适用于电动汽车电机,寻找可以有效增大转矩,减小电动机体积的转子也是难题之一;电机过热是电机安全和可靠性能的天敌,因为电力电子器件比传统汽车部件更容易受热损坏,因而发热问题也是难点之一。

 

电控方面,汽车在转向电气化后增加了电池组、驱动电机、变速箱(减速器)、动能回收系统等等,而如果再加上自动驾驶和增程式系统的话,电控系统所要承担的责任就更多了,因此实现高控制精度、高动态响应速度,同时具有安全性和可靠性,电控系统也是一大难题。

 

车联网

车联网这个概念虽不是因电动汽车而诞生的,但是车联网却和电动汽车有着密不可分的关系。车联网提出的初衷是为车与车之间的间距提供保障,降低车辆发生碰撞事故的几率;帮助车主实时导航,并通过与其它车辆和网络系统的通信,提高交通运行的效率。

 

据统计,到2020年,全球至少有2.2亿辆配置50个传感器的车辆,在汽车领域联网的传感器总数将至少达到110亿,而这些传感器可能每天传输多达1.5TB的数据。而很多人设想着通过这些大数据,可以减少交通事故并改善导航和拥堵。

 

 

这也是难点所在,对大数据的需求意味着车辆越来越需要连接,OTA固件更新也变得更加重要,这些数据的复杂性之高,以及数据量之多,处理起来也将是个大麻烦。如何正确处理这些大数据,以及如何保障连接安全可靠,这些都是对工程师们提出的难题。

 

仿真测试

在电动汽车的仿真测试中,传统的验证技术也还保持着生命力,常用的整车试验验证方式 整车道路(公路)试验、场地道路试验、整车台架试验、 整车动/静态主观评价试验和虚拟数据和计算机仿真验证分析等。

 

这里需要工程师做的便是找出公路运输,电力系统和电网内集成的最佳解决方案,工程师通过仿真软件,可以在施工阶段之前测试不同的设计决策,大量的仿真数据也会给工程师们带来处理的难题。

 

结语

想要让电动汽车更大规模地普及,当然不止笔者上述提到的这些难题,还有大量的开发工作等着工程师们去做,如果你是汽车电子工程师,你准备好面临这些挑战了吗?

 

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