混合动力汽车的最大挑战是电池
2009年11月10日8:28:30
汽车的节能减排已成为汽车电子发展的原动力，随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧，电动车这种以电能为动力的交通工具凭借其节能、环保的优点日渐成为业界关注的焦点。然而，纵使电动汽车有很多优点，但它一时间却无法取代传统的燃气动力模式，所以混合动力汽车是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型。但是，电池、成本、可靠性、寿命、更复杂的环境、对高压功率器件的要求等诸多问题成为汽车厂商面临的众多难题。
英飞凌科技(中国)有限公司汽车电子业务部高级市场工程师曹洪宇指出：目前混合动力汽车的主要挑战来自两个方面：一个是传统动力系统和电动系统之间的协调工作；另一个是需要在成本可控的条件下，满足汽车电子在复杂应用环境下的可靠性要求。
曹洪宇：混合动力汽车的一个主要挑战是传统动力系统和电动系统之间的协调工作。
飞兆半导体全球汽车市场部高级经理Hans-PeterHoenes则认为，混合动力汽车的主要设计挑战，是以极低的成本创建一个非常复杂却又高度可靠的系统。
“电动汽车大致可以分为三类：混合动力、燃料电池和电动车。电动汽车存在着一个通用性的问题——电池，由于目前存在的电池方面的种种问题，未来能够实现量产的可能性最大的就是混合动力车。混合动力与传统发动机相比在技术领域增加了三部分，一是整车控制，二是电池管理，三是电机控制。”飞思卡尔中国区汽车电子工程经理康晓敦表示。
康晓敦：电池技术是混合动力汽车的关键所在，电池的成本也占到了整车的1/3以上。
混合动力汽车又分为轻(微)混与完全混合动力汽车，它们面临的挑战各有不同。
轻混与全混面临的不同挑战
曹洪宇分析道，微混系统和全混合系统在系统结构上有很大区别，它不仅仅是电机系统占总功率百分比的数值差异，重要的是量变引起的车辆结构的变化。微混合系统一般实现起停功能，全混合系统则要求车辆在没有发动机动力的情况下依然具有一定的续航能力。由于系统的耦合度大大增加，全混合系统结构更为复杂，对设计带来更多挑战。
Hans-PeterHoenes则分析道，对于轻度混合动力的汽车来说，底盘(其基本设计)仍是传统的汽车设计，通常是在一辆普通汽车上集成混合动力特性。由于底盘(其基本设计)设计已定，额外需要的所有系统都必须能作出配合。不过，这并非总是最佳技术方案，迄今这方面最大的挑战是机电一体化集成。换言之，需要空间要求最低的设计。至于完全采用混合动力的汽车，整个设计都需要改变，不仅动力传动，甚至底盘都不得不针对混合推进而优化。一个好的设计应该是围绕动力传动来设计汽车，而传统方案则是设计汽车，只是把引擎放置在“某处”。这是一个彻底的设计思维观念的转变，因为驱动系统决定了、或至少大大影响了汽车的形状和外观。
“设计工作面临的最大挑战是，缺乏在高压下大功率电动传动(高压驱动大功率电机)方面拥有丰富经验的汽车工程师。由于工作条件与传统汽车不同，所以即使是在工业驱动领域富有经验的资深顾问，所能够提供的帮助也很有限。”Hoenes表示。飞兆半导体不仅拥有分立式功率技术，还有栅极驱动器IC等集成电路。这不但适用于低电压，还能涵盖高达1200V的全部电压范围。这种模块集成能力可让客户获得经全面测试的最优化功率级，能够解决众多有关寄生和器件交互作用的设计问题。
电机控制面临的挑战
在电机控制方面，曹洪宇指出主要的难度是必须达到汽车级别可靠性要求，同时需要考虑合适的成本实现。另外需要考虑大功率驱动系统带来的电磁干扰和噪声的影响。如果使用工业级的器件虽然在使用初期没有什么大问题，但随着时间的推移，伴随着注定产生的器件失效，会给厂商的品牌形象和口碑带来无法估量的损失，“所以我们推荐使用汽车级的器件，能有效保证在车辆的生命周期内系统的可靠运行。”他说道。“作为全球领先的功率器件供应商，英飞凌拥有深厚的系统经验和众多专家团队，这能更好的理解客户的具体需求，甚至帮助客户发现那些隐藏在系统应用之下的细节要求。”
英飞凌提供业界领先的高功率密度汽车级模块HP1(hybridpack1) HP2(hybridpack2)，以超小的体积，最切合汽车系统空间的局限性。HP1重485g(72x140x17mm)3半桥合一的设计，650V400A最大驱动能力，适用于20-30KW以内电机应用。HP2(106.5x48.5x20.5mm)重量1250g,更是以特别的直接水冷式散热设计，以650V800A模块满足80-100KW的电机应用。
Microchip汽车产品组汽车市场经理陈颂恩则认为：“在混合动力汽车中，电机控制对于转向控制和电池冷却等关键子系统非常关键。无刷直流(BLDC)电机由于体积小、可控性和高效率而得到普遍使用。无刷直流电机越来越多地得到使用，以消除皮带和液压系统，提供额外功能和改善行驶里程。磁铁成本持续下降和控制直流无刷电机所需的电子器件不断减少，导致其被越来越多的汽车所采用，功率水平也不断提高。”
陈颂恩接着解释，直流无刷电机通常与一个或多个转子位置传感器一起使用，因为它们的电气励磁必须与转子位置同步。出于成本、可靠性和机械包装方面的原因，特别是如果电机需要浸没在流体之中，最好在无传感器的情况下运行无刷直流电机——即无传感器运行。无传感器电机的成本较低，因为不需要传感器，但驱动情况更加复杂。无传感器电机在混合动力汽车电池冷却系统等方面具有出色表现，此时电机不需要启动和停止。“汽车系统嵌入设计师面临不断变化的环境，需要开发出具有成本效益和环境友好的解决方案。低功耗微控制器是满足苛刻要求的重要器件，它可以较低的成本增加系统的可靠性，采用小型封装适应较小的电路板空间，而且无需外部元件。此外，可具备插座、软件和外设兼容性的微控制器架构，为设计师提供了出色的灵活性，使他们能够缩短开发时间和降低成本。微芯科技提供多种微控制器和DSC，对于面临混合动力汽车电子需求挑战的设计师来说是最佳的解决方案。”
在动力总成系统方面，曹洪宇认为最大挑战是如何协调电机系统和传统动力系统的运行，带给用户更好的驾乘感受。整个系统效率的提高主要从以下几个方面入手：提高电机系统运行效率，制动能量的回馈比率，减少发动机在低效率转速区间的运行等。
对于电机控制，飞思卡尔的康晓敦表示，“飞思卡尔是电子汽油发动机管理领域的全球领导者。我们提供先进的嵌入式控制器、传感器技术、动力管理组件和动力制动器驱动，使新车辆更加经济，并保护环境。我们还在不断把发动机控制技术引入到电动车控制和管理中，并基于PowerArchitecture的飞思卡尔处理器MPC55/56xx系列提供许多最先进的发动机控制、整车管理、电机驱动、电池管理等解决方案。”
电池管理面临着最大挑战
在(完全)混合动力的汽车中，电池是最昂贵的，同时也是最精细脆弱的部件。虽然锂电池具有大功率密度的优势，但在开发适用于混合动力汽车的电池方面，仍有大量工作要做。在此情况下，未来数年间，镍氢(NiMH)电池的运用仍将越来越广泛。
Hans-PeterHoenes指出，要实现快速充电又不损害(损伤)电池，设计人员需要一种非常精确的电荷(充电)控制技术。虽然在微控制器中集成智能化编程算法基本上是软件解决方案，但飞兆半导体的重点仍然是在硬件上。为避免充电期间电力线的干扰，好的功率因数校正解决方案是必不可少的，在某种程度上甚至是法律规范规定的。飞兆半导体拥有广泛的控制IC产品组合，再结合内置具有软恢复整流器(性能的整流二极管)和低饱和压降IGBT，就可以提供一个完整的解决方案。
在电池管理方面，曹洪宇认为英飞凌拥有锂电池动态平衡应用专利，能减少相互差异，有效提高电池使用效率和寿命。这项专利的特点是可以在电池充电放电或者空闲的任意时间实施电量平衡，非常适合汽车动力应用这样变化多样的环境和迅速模式切换的需求。
“从目前技术来看，电池技术是混合动力汽车和电动车的关键所在。既使是市场呼声比较高的混合动力汽车，电池的成本也占到了整车的1/3以上。而且还有重量、可靠性、寿命等诸多问题需要解决。磷酸锂铁电池技术应该是解决方案中较好的一种。但涉及的以上问题也还是需要进一步改进。燃料电池是另一种技术，因其技术成熟性、燃料(主要是液态氢)贮存和控制方面的问题，可以说还不能马上成为成熟的量产产品。而对纯电动车的混合动力来讲，电池的成本、重量、可靠性、寿命、包括充电问题将是政府、汽车公司所面临的主要问题。”康晓敦说道，“所以，目前混合动力汽车在欧美国家及日本已形成产业化，而国内还处于起步阶段，没有形成产业化。作为国际领先的汽车半导体厂商，飞思卡尔在致力于对中国本土汽车电子的发展做出贡献。我们对重要客户的支持(如比亚迪等)包括技术交流、产品定价等。”