关于电动汽车各项技术分析以及电动汽车创新之路分享

电动汽车早在 100 年前就已风行一时。电动汽车安静、可靠，而且无需费力转动曲轴或换挡。一次充电后可以行驶 35 至 50 公里，有些车型能跑 100 公里以上。与汽油动力车相比，电动车更笨重、更缓慢、造价更高。电起动器和廉价汽油的出现将电动汽车挤出市场，直到最近，电动汽车才又重见曙光。

由于高油价、环保理念以及政府的支持，电动汽车又一次成为了市场热门产品。“电动运输协会”的数据显示，2012 年，美国共销售了 487,480 辆电动车/混合动力汽车，占国内汽车总销量的 3.38%。A.T. Kearney 的分析师预计，至 2020 年，全球电动汽车市场价值将飙升到 $3400 亿美元，占整个汽车市场的 10%-15%。

A.T. Kearney 认为，对污染的担忧、能源独立目标和高企的油价是电动汽车市场的主要驱动因素，而这一市场能否进一步发展，则在很大程度上取决于汽车电子产业的创新步伐。

踩下油门后

当司机踩下汽车的油门后，很清楚会发生什么。那么，当司机踩下电动汽车的油门时会发生什么呢？这取决于电动汽车的类型：

· 电动汽车（EV - 又名蓄电池电动汽车 (BEV)），代表产品包括日产 Leaf,、福特 Focus EV以及特斯拉 S 型，这些都是纯电动汽车。

· 混合动力汽车 (HEV – 又名插电式电动汽车 (PHEV)），代表产品包括丰田 Prius 和雪佛兰 Volt，这些汽车同时依靠电动机和燃气发动机获得动力。通用汽车将 Volt 称为增程型电动车 (EREV)，即首先依靠电力来驱动，当蓄电池电量不足时切换到燃气发动机给电池充电。

电动机在汽车发动时达到最大扭矩，随着车辆速度提升，扭矩呈线性下降。而燃气发动机仅在车辆高速行驶时达到高扭矩。为了在高速公路行驶时也能获得灵敏的响应，将电动机和燃气发动机结合起来不失为一种好办法。

以下是混合动力汽车的两种主要形式：

· 串行混合动力汽车，如雪佛兰 Volt；

· 动力分配式或串行-并行混合动力车，如，丰田 Prius。

在串行混合动力驱动系统（见图 1）中，电动机和燃气发动机是串行工作的。就雪佛兰 Volt 而言，汽车首先依靠电机驱动，直至电池电量低于某个水平，此时燃气发动机启动，为电机/发电机提供动力，从而驱动汽车。一般情况下，发电机仅用于为蓄电池组充电。在 Volt 中踩下油门后，会有大量电力输送到牵引电动机，而牵引电动机就成为了前 35 英里左右的唯一动力来源。

图1：串行混合动力驱动系统

Volt 采用 GM VoltecTM动力系统，包括一个小型燃气发动机、一个大型电动机和一个行星齿轮组（将动力从电机输送到车轮，必要时将动力从电机/发电机输送到车轮）。三个离合器根据需要将电机、发电机或两者连接到行星齿轮。

采用动力分配式或串行-并行驱动系统（见图 2）时，电机或发动机都可以驱动汽车，在配合良好的情况下，两者可以同时驱动汽车。和 Volt 一样，Prius 以电动汽车模式发动，直至达到 25 mph 或 1 英里，此时转换为常规模式，即发动机与电机协同工作。当发动机为传动轴提供动力时，发电机会为电池充电，并为电机持续供电。

图2：串行-并行驱动系统

丰田的混合动力协同驱动 (HSD) 系统使 Prius 能够完全依靠电机驱动，除非需要为发动机增压。它将电机和发动机同时连接到取代了标准变速箱的电子无级变速器 (e-CVT)。多个传感器使电子控制单元 (ECU) 能够在任何车速和载荷条件下以最高效率运行系统。

就 Volt 和 Prius 而言，由于电机所发挥的作用，使汽车得以采用更小、更节油的发动机。

电动机技术

高扭矩电动汽车的启动速度极快。Tesla Roadster 从零加速至 60 mph 仅需不到 4 秒——可与保时捷 911 Turbo GT2 相媲美。

电动汽车采用各种各样的电动机驱动。电机类型因汽车品牌和车型而各异。例如，Tesla Roadster 的两款车型采用了 3 相 4 极 BLDC 电机，而最大的车型则采用了 3 相 4 极 AC 感应电机。Volt 和 Prius 采用的是同步永磁 (PM) 电机。

分析公司IDTechEx认为，2013 年电动汽车用电机的市场规模将达到 640 亿美元。占据整个市场 60% 份额的是永磁同步电机（带异步 AC 感应电机），既可驱动大型汽车，也可为高尔夫球车等小型设备提供动力（见图 3）。由于成本低廉，许多厂商开始在大型汽车上改用异步电机。用于公路电动汽车/混合动力汽车的同步 PM 电动机则以性能、重量和尺寸取胜，而且由于其成本仅占汽车总价的 2% 至 10%，因此成本也不算大问题。

类别	子类	首选电机
重型和 大型汽车	重型工业设备，如重型起重机	异步。非磁性电机正在增加市场份额
军用设备
大型客车
同步 永磁 AC PMAC 或密切相关的无刷 DC BLDC 正在增加市场份额
轻型商业/工业	大型卡车
小型和 轻型汽车	较小型车辆
飞机和其它设备
海事
轿车	大型轿车
小型轿车
小型客车
高尔夫球车和电动球童车
同步 无刷永磁 DC 正在减少市场份额
大型双轮及类似车辆，即摩托车和三轮车
小型双轮及类似车辆，即电动自行车
残疾人士车辆

图3：按车辆类型划分的牵引电机技术（数据来源：IDTechEx）

在各种温度条件和嘈杂环境下精确地驱动高扭矩 PM 电机是一大挑战。图 1 和图 2 中所示的转换器一般包含一个主逆变器（带 IGBT 或功率 MOSFET，用于驱动电动机）、一个 DC/DC 转换器（用于将电池组的高电压降为 12V），以及小型逆变器（用于驱动 HVAC）。

Infineon FS75507N2E4EconoPACKTM2 IGBT 模块包括六个 IGBT，其额定 VCES为650V，ICnom为75A，ICRM为150A。这些模块用于驱动大型 PM 电机，额定温度为 150°C，具备高短路能力和自限制短路电流。

STMicroelectronicsTD350E高级 IGBT/MOSFET 驱动器的流出和吸入栅极驱动电流分别为 1.5A 和 2.3A，提供 2 kV等级的 ESD 保护。其米勒箝位功能无需负栅极驱动，可调式双级关闭功能可防止在关闭时因过电流或短路情况而导致过压太大。

Texas Instruments 公司的TMS570LS Series MCU是高性能汽车级微控制器，适合对安全性有极高要求的应用。这些微控制器基于 ARM CortexTM-R4F，最高频率为 160 MHz，包含三个 CAN 控制器、一个双通道FlexRay控制器和两个 UART (SCI) 接口（支持 LIN 2.0）。所有部件均经过 SIL3 认证，可用于汽车应用。

放开油门后

如果司机把脚从油门上移开会怎样？当司机把脚从油门上移开或踩下刹车踏板时，主驱动电机将暂时充当发电机，为电池组进行部分充电。在这一模式中，电机对前轮产生阻力，使汽车减速，但并非完全停止。在汽车减速时，再生制动效应逐渐消失，然后摩擦制动器使汽车完全停止。

根据通用汽车的测量结果，Volt 因再生制动而实现的减速量为 0.315g。再生制动系统的效率略低于 75%，而发电机（充当发电机为电池组充电）的效率远高于 90%。在汽车减速时，效率迅速降至 0.1g 以下，这时司机逐渐依靠摩擦制动器来刹车。

再生制动系统能够有效地将前进动能重新转化为电能，延长了电动汽车的续航里程。在实际应用中效果如何？当汽车沿着长长的山路下山时，再生制动系统可以显著延长续航里程和摩擦制动器的寿命（尽管确切数字很难知晓）；但对于市区走走停停的交通状况而言，再生制动系统效果并不明显。

“胡萝卜加大棒”政策

美国政府不仅出台了各种法规来影响电动汽车的设计，还针对电动汽车的购买制定了许多激励措施。这些奖惩合一的政策是电动汽车/混合动力汽车行业的主要推动因素。就“奖励”而言，2009 年美国清洁能源和安全法案 (ACES) 为新购买的符合条件的插电式电动汽车提供高达 7,500 美元的税收抵免。加利福尼亚州开展了环保车补贴项目，购买零排放汽车 (ZEV) 可再获 2,500 美元的奖励。

就“惩罚”而言，美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 和环境保护署 (EPA) 联合制定了国家级标准项目，要求新的客车和轻型卡车在 2025 年之前，将燃油经济性从 2010 年的平均 27.5 mpg 提高至 54.5 mpg。根据这项要求，这些车辆的燃油经济向将在未来 12 年内提高整整一倍，这是美国政府为推广混合动力电动汽车而采取的强制措施，部分大型皮卡已开始采用这一标准。

对于现代化电动汽车/混合动力汽车而言，上述措施只是冰山一角，今后还会有大量的行业标准不断变化发展，以规范和限制电动车的设计。主要的标准机构包括：

· 汽车工程师协会 (SAE)

· 美国国家标准协会 (ANSI)

· 美国保险商试验所 (UL)

· 电气与电子工程师协会 (IEEE)

· 美国电力研究院 (EPRI)

· 政府实验室（Argonne、Oak Ridge、PacificNorthwest 等）

还有很多标准会对电动汽车/混合动力汽车的设计产生影响（见图 4）。其它标准包括：

· J1772 连接器标准

· J2931 – 电动汽车服务设备

· J2836 – 通用信息（应用案例）

· J2847 – 电动汽车、电力部门、充电站和家庭门户之间的电子通讯。

· J2953 – 互操作

· IEC 62196 – 电气连接器

· UL 2231/2251/2594 – 人员保护系统；插头和插座；电动汽车供电设备

如果你感到这些标准令人困惑而且彼此重叠，那你的感觉是对的，因为事实的确如此。ANSI 电动汽车标准委员会 (EVSP) 正试图将这些标准进行分类整理，为电动汽车标准的相互协调制定路线图。如能迅速完成这一目标，将大大促进电动汽车的生产，从而降低车价、提高使用率。

图4：电动汽车标准（来源：美国能源部）

未来展望

电动汽车并不是一个新颖的概念，从一个开关加一个变阻器的最初形态到现在，电动车大大进化，但他们的行驶里程跟百年前相比却没有多大变化。电动汽车要想在市场上占有一席之地，必须变得更轻便、更快速、成本更低。完成这些挑战需要依靠大量的工程创新，只有这样，汽车行业在今后才能成为能够吸引电气工程师的领域。