绿色汽车动力电池的一些“灰色”小秘密

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汽车制造商正在采取多种方法制造绿色汽车，包括纯电动汽车和各种混合动力汽车及轻度混合动力汽车。但它们都不会很快变成主流，主要原因是在可预见的未来电池仍然太大、太重、太贵和能量不足。此外，功率电子器件也有许多设计挑战需要解决。

2017年上路的混合动力汽车数量将达到150万辆，几乎是今天87万辆的一倍，但仍然只有全球所有汽车数量的1.6%，绿色汽车市场研究公司Pike Research表示。
相比之下，启停汽车(在美国几乎还没有引起人们注意的一种汽车)将迅速发展。这些轻度混合动力汽车没有电动机，而是使用更加强劲的启动机/交流发电机/铅酸电池组合，在空闲时关闭机器，当司机踩下油门时重新启动。今年，欧洲将购买近300万辆这样的汽车，Pike公司预计到2020年全球售出的数量将达到3700万辆。
尽管如此，到2017年纯汽油汽车仍将在所有客车中占近90%的比例，这家市场研究公司估计。
汽车制造商正在“广开门路，但插电式混合动力汽车是满足最严格的排放标准和燃油经济要求的优秀解决方案，市场调研公司IHS Automotive的Philip Gott指出。

“我认为混合动力汽车方面还将有很大的变化。市场上有许多不同的需求，因此很难预测人们想要什么。”福特汽车公司研究混合动力汽车和燃料电池汽车标准的电子系统工程师Rich Scholer表示，“福特公司最开始推的是普通的内燃机汽车，接着推出了将混合传动系和插电式混合动力作为可选项的版本。”
相反，雪佛兰Volt、日产Leaf和丰田Prius是全新设计车型，Scholer指出：“但这是一种相当昂贵的做法，而在已有平台上搭建新车更具成本效益。”与此同时，像Coda和Tesla等新创汽车制造商也在准备推出新车，包括全电动的5座轿车。
但“一个成熟的市场至少需要3到5年的培育期。”这位福特工程师表示。
最令人头疼的问题是电池组，这些电池组至少要在汽车标价中增加1万美元，Pike公司高级分析师John Gartner指出。今天的最佳技术(锂离子汽车动力电池)每千瓦时的成本高达1000美元。美国能源部的目标是将电池价格降低到250美元/千瓦时。
IHS的Gott认为，这个价格要到2020年或者2020年以后才可能实现。Gott至少跟踪分析了4种锂离子电池和几十种亟待突破的其它化学电池。
“判断哪种电池会胜出还为时过早，因为几乎每天都在发生变化。”Gott认为，“我无法指明谁胜谁输，即使是铅酸电池也一样。”

尚无批量出货的电池管理芯片
今天的车载充电器通常只有相对慢速和小型的3.3kW或6.6kW输出功率，它需要几个小时的时间才能给一辆电动汽车充满电。更大的15kW或20kW直流充电器的速度很快，但体积仍然太大，将它放在汽车里有很大的风险，因此一般内嵌在外部充电设备中在家庭车库内使用，福特的Scholer表示。
为了避免过热和起火，大型锂离子电池组中的每节电池的充电和放电需要被仔细管理。“我们正在寻找这方面的芯片，但目前没有正式批量生产的产品。”飞思卡尔传动系和混合动力汽车组件部门的营销经理Cherif Assad表示。
飞思卡尔今年早些时候宣布的低压电池控制器的应用目标就是轻度混合动力汽车，或用于再生制动，这时刹车产生的能量将被用来充电电池或超级电容。
然而到目前为止，插电式汽车使用的大多数充电器采用的是现有工业级器件，只是针对汽车应用作了一些改进。
单独来说，混合动力汽车要求预驱动器和控制器电路来驱动30kW或120kW的电动机。飞思卡尔和富士电机合作设计了使用细长逆变器的部件，这种逆变器可以与机械模块及其冷却系统集成在一起。这些新部件必须将效率从目前的约35%提高到90%以上，Assad表示。
“逆变器在改善性能、尺寸和重量方面从未受到过太多的关注。”飞思卡尔策略与业务发展部总监Dan Viza表示，“最初的实现使用现成的工业元件，但我们不久就会看到首批专门为逆变器和充电单元开发的半导体产品。”
传动专业公司ZF Friedrichshafen和宝马今年早些时候启动了一项研究项目，旨在为混合动力汽车组件创建集成的解决方案，目标是集成控制和功率电子器件，以简化混合动力车的生产和服务。英飞凌和无源器件制造商Kemet也参与了这个项目。
这种集成要求采用新的冷却概念，以便元件能够忍受传动系统中的高温环境。
这样做成的设计可减少电缆走线，简化系统接口。混合动力或电动汽车的总体电气架构与已有架构“完全不同”，并且因650V信号和400A开关而产生EMC兼容性问题，飞思卡尔Assad指出。这意味着监视电源信号的转换器、逆变器和控制器需要使用新的高压接口，他表示。
另外也需要标准、特别是充电器的标准，而对这些标准的研究已经成为福特公司Scholer的全职工作。
“我们20年前就开始研究电动汽车标准了，现在我们正在针对插电式混合动力汽车修改这些标准，并开始研究燃料电池标准。”Scholer透露，“我们研究SAE标准的时间大约有3年时间了，有些标准正处于实现阶段，不过在这些标准上我们准备再花3至5年的时间，直到各方面都趋于完善。”
多个标准组织的工作正在与研究演示项目和现场部署齐头并进，他指出。
研究对象包括各种协议，比如针对通过电力线将额定值信息传递给公用事业公司的智能能源规范2.0，以及支持通过直流快速充电的规范。
后者的支持者ECOtality公司据说得到了美国能源部的帮助，并准备在加州、俄勒冈州、田纳西州、华盛顿州和其它州安装多达1300个公用充电站。该计划包括约350个快速充电站。
“汽车制造商知道如何控制车载充电器，但用车外控制器进行控制还有很多事情要做。”Scholer指出。
针对快速充电器的原始标准草案目前正在准备初次投票，但一旦系统得到部署，工程师将了解有关他们行为的更多知识。“随着实现的不断进展，肯定还会有变化。”Scholer表示。