电动汽车如何进行能量转换?

近日ADI和Rimac举行了一场虚拟讨论，主题涉及电动汽车（EV）如何进入主流并帮助汽车行业减少碳排放，以及ADI的技术如何帮助Rimac在2021年推出完全电动的C_Two超级跑车。

在世界迈向更可持续、更电气化未来的进程中，电动汽车处于核心地位。目前，电动汽车至少需要三种类型的电子元件来进行能量转换：

1.DC/DC转换器，通常从高电压到12v为低压电子元件供电;直流/交流牵引逆变器驱动电动机，通常为车轮提供电力

2. DC/AC牵引逆变器驱动电动机，典型的三相电动机为车轮提供动力

3.AC/DC变流器，用于在制动能量回收和从标准住宅或大功率充电站（用于快速充电）给汽车电池充电。

根据世界经济论坛的数据，到2030年，将有2.15亿辆电动乘用车在路上行驶。随着电动汽车在未来十年的快速普及，对配套技术的需求将继续增加。

这场讨论由电动汽车影响者、电动汽车展望（Electric Vehicles Outlook）创始人Roger Atkins主持。小组成员包括Analog Devices汽车、通信、航天与国防高级副总裁Greg Henderson;Patrick Morgan， Analog Devices汽车业务副总裁;以及Rimac的零部件研发总监Matija Gracin。

Henderson强调了过去几年电动汽车市场的巨大变化。他们已经从一种具有可持续性利益的新技术转变为汽车市场真正的性能领导者，从纯电动汽车和传统OEM在该领域的巨额投资就可以证明，这也导致了汽车制造商和供应商关系的转变。

Henderson指出：“变化的速度，以及电动汽车所需的新解决方案和创新，将改变原始设备制造商和技术供应商之间的传统线性关系。OEM现在的工作更加直接，与科技公司的合作会更加紧密。”

在电动和混合动力汽车中，为了提高能量转换效率，设计师们的目标是配备高热可靠性电力电子模块的紧凑封装和组装，同时减少开关损耗。设计参数不同，涉及车辆动力总成系统的功率级别、转换效率、工作温度、散热能力、系统封装等。

电动汽车设计中的性能关键是电池和推进系统。“真正关键的是要有一个电池管理系统（BMS），可以准确监测充电状态，并以非常有效的方式将能量从电池转移到推进系统。”

正如Atkins所指出的：没有控制就什么也不是。他补充说，“现在所有的关键部件，无论是互联的、自主的还是共享的，都需要大量的能量，以确保其高效、稳健地工作。”就采用而言，电气化技术将逐步淘汰内燃机。但我们需要思考加速采用这种技术仍然存在的障碍，并找到解决方案。”

市场正在继续加速电气化。Gracin指出，但有三个方面需要考虑。第一个是能量存储，这是由电池组的密度决定。第二个是效率，这不仅与电池组有关，还与低电压和高电压转换和管理的方方面面有关。第三个是对大众市场客户采用至关重要的基础设施：充电站、维修站和服务站。

正如Morgan所提到的，疫情对汽车行业产生了重大影响。这一流行病大大加快了技术的发展。“良好的驾驶体验已经成为当务之急。不仅是行驶方式，还有你在车里的感觉。例如身临其境的3D音效、麦克风阵列和语音识别等功能已经成为必备功能。

Morgan：“电动汽车的机舱非常安静，你会注意到更多的道路噪音。所以我们开发了一项技术，可以消除道路噪音，为司机提供一个真正身临其境和愉快的体验。”

另一个需要考虑的方面是电动汽车的行驶里程，即每次充电可以行驶的距离。Morgan指出，这不仅是通过电池本身实现，还通过控制电池的电子设备实现。“这些由BMS控制的电子设备必须非常精确，这样电池才会充满电，每一点电都被有效地提取出来，从而降低整体能源消耗。这对消费者和电网都有好处。”

Atkins对电动汽车的可持续性提出了疑问。电池显然是这两类汽车（电动汽车和经典汽车）之间的主要区别之一，因为它与也与电池过期后的情况有关。传统汽车依靠内燃机驱动，使用热量来驱动自身，同时也为车载服务提供动力，而电动汽车则使用高压大容量电池组。比较这两种汽车对环境的影响时，我们需要考虑到二氧化碳的排放，这涵盖了它们各自生命周期中每个阶段的能源消耗因素：原材料采购、生产、使用和回收。

Gracin指出，在设计整个产品中，有许多规则需要遵守。此外电池回收再利用是一个很好的趋势。

“电池组可以被赋予第二次生命。一旦它们不再满足汽车使用的性能要求，它们可以被重用到许多其他应用程序中。当你把汽车电池拆开时，里面还有模块和电池可以用来储存能量。我们看到雷诺-日产等一些大型原始设备制造商正朝这个方向发展。”

无线BMS

电池管理系统是电动汽车的关键因素。无线设备的加入使它非常具有吸引力，但需要很多的照顾。BMS是一个电子系统，用于对所有诊断和安全功能进行全面控制，以管理车载高电压和平衡电荷。

ADI最近为生产电动汽车推出了无线BMS解决方案。其无线BMS免去了使用传统线束的必要，节省了高达90%的线束和高达15%的电池组体积，提高了设计灵活性和可制造性，同时不会影响电池使用寿命内的里程数和精度。。

ADI公司的无线BMS将电源、电池管理、射频通信和系统功能等所有集成电路、硬件和软件整合在单个系统级产品内，通过采用ADI公司经过验证的业内领先BMS电池电芯测量技术，支持ASIL-D安全性和模块级安全性。通过提高车辆使用寿命期间的精度，无线BMS系统可最大化单个电芯的能量利用率，从而实现优异的车辆续航里程，并支持安全且可持续的无钴电池化学材料，如磷酸铁锂（LFP）。

Morgan：“这项技术的目标是可持续发展，不仅因为它消除了所有的线束，而且降低了所有的制造和相关的复杂性。它还使电池组能够以模块化、可扩展的方式设计，你就可以利用这些电池组，根据特定的应用程序匹配它们，然后重新配置。除了重量和灵活性方面的优势，wBMS还可以采用不同的方式来设计电池组。通过对电池和模块的持续健康状态计算所获得的数据，可以在电池被重复利用之时更准确地确定电池组的剩余价值。”

电池

电池是所有电动汽车的核心，成本和重量等因素是挑战。电池和电池相关技术的重要性如何？

Gracin指出，目前的电池已经达到了某种极限。未来的电池要实现更好的性能以及更加绿色节能的目标。

“回顾过去10年左右，并没有很多事情改变，今天关于锂离子和固态电池的讨论与10年前差不多。我们真的把电池里的所有东西都挤了出来，努力把2毫米的电池塞进去，只是为了多放一个电池。由于性能的关系，就需要放尽可能多的电池，以释放更多的电力，但基于目前的设计，我们已经达到了极限。因此，要想突破就需要进行大量创新。”

Morgan谈到了正在开发的新型电池化学物质，比如磷酸铁锂（LFP），它完全不含钴，一种有毒的稀有矿物。电动汽车需要一定类型的电池和较高的能量密度。重点是，这项技术能够支持更广泛的电池。第二点问题是每一辆以电池为主的电动汽车成本。在未来2-3年内，电动汽车的成本将与内燃机的汽车相当。

结论

汽车供应链，无论是在电子还是机械方面，都在经历重大变化。软件正变得越来越重要：当今典型的高端汽车大约有1亿行软件代码。由于电池是电动汽车最基本关键特性，因此BMS发挥着更大的作用，因为确保高效的充电管理是电动汽车正确运行的基本要素。

今天的电池必须具有非常高的能量存储密度，自损耗电流要接近于零，并且能够在几分钟内充电。电动汽车的快速增长将加速降低市场价格，还会催生出不同的收费系统 （如快速充电，需要几十分钟完全或几乎完全充电），并在充电站上得到普及。
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