搭上電動車 新興技術重塑汽車產業

作者 : Philip Lessner,KEMET資深副總裁兼技術長

續航里程不長和無法進行快速充電被認為是消費者不願意轉向純電動車的兩個原因。毫無疑問地,汽車產業和公共部門必須克服這種不情願性。透過將電池、燃料電池和超級電容器結合使用,每種技術就都有可能在需要的時間和地點提供能量...

內燃機(ICE)正進入衰退期。現在,許多政策制定者都針對銷售僅以ICE驅動的新車實施法律限制。因此,業界圍繞著混合動力系統展開了大量活動,即將ICE與某種形式的電力輔助進行結合。在輕度混合動力車中,所使用的電池通常可以透過來自ICE的能量進行充電。這種所謂的自充電混合動力車可幫助消費者轉向電動車(EV),同時又能避免為了充電而尋找電源插座的問題。

來自電池的電量與來自ICE的電量之間如何取得平衡,決定了混合動力的「輕微」程度。更大的電池與更大功率的馬達相結合,將會使指針更偏向於天平的純電動一側。純電動車(BEV)當中沒有ICE,而是完全依靠電網獲取能量。還有其他與此相關的問題,例如必須建立公共充電基礎設施而為支援純電動車用戶體驗提供支援。但對於純電動車,除了插電之外別無其他選擇。

其他形式的替代能源也還在開發中。最有前途的方法之一是在燃料電池中使用氫氣——將儲存在氫氣中的能量轉化為電能。這種應用將會促進燃料電池電動車(FCEV)的發展。雖然能量在BEV和FCEV中的儲存方式不同,但二者都能產生用於為馬達供電的電能。另一項正在開發的技術涉及使用超級電容器來儲存電能。超級電容器類似於電池,可以反覆充電和放電,但兩者內部差異很大。超級電容器可以快速充電和放電,也即能夠提供比電池更高的功率,但儲存的總能量更少。

這些技術中的每一種都有其局限性。電池充電需要時間,燃料電池釋放能量緩慢,超級電容器則儲能能力較低。但它們都能發電,這是電動車所需的基本「燃料」。也許,在不久的將來,「混合動力」一詞可能會演變為用來描述結合所有三種技術而能提供適當用戶體驗的車輛。

續航里程不長和無法進行快速充電被認為是消費者不願意轉向純電動車的兩個原因。毫無疑問地,汽車產業和公共部門必須克服這種不情願性。透過將電池、燃料電池和超級電容器結合使用,每種技術就都有可能在需要的時間和地點提供能量。例如,可以透過將燃料電池技術與快速充電超級電容器相結合來提供良好的加速,從而解決里程問題。

雖然今天還沒有看到這種潛在新混合類別的例子,但是這是產業未來可以追求的一個方向,並且能以目前存在的技術為基礎。

汽車無線化

儲能並不是汽車產業唯一的創新領域。汽車與通用基礎設施及其車載系統之間的聯繫變得越來越密切。總的來說,車輛產生的資料量正呈指數級成長。無線技術避免了支援這種互連所需的佈線成比例增加。

電線既貴又重,而且佔空間。另一方面,無線連接實際上則是無重量的,但是其確實需要進行精心設計,而天線則是系統中最關鍵的方面之一。隨著汽車製造商在從MHz級的低頻到GHz級的高頻範圍內採用更多類型的無線連接,天線設計和位置變得越來越重要。隨著5G連接能力進入車輛,據此提供V2X和自動駕駛等關鍵任務連接,這些設計考慮將變得更加重要。支援全自動駕駛所需的資料基礎設施將嚴重依賴於無線技術,包括Wi-Fi和5G。

無線化帶來了許多挑戰,尤其是因為車輛仍然主要使用大型壓製金屬面板製造。雖然金屬很難完全被取代,但這一現實卻正在發生中。汽車設計和製造越來越多地使用玻璃和塑膠。大多數類型的玻璃和許多塑膠對無線電波是可穿透的。這種可穿透性對於開發使用無線連接的電子系統工程師來說是個好消息。這還可以使汽車設計人員探索新的概念。例如,全玻璃車頂變得越來越普遍,這種新穎設計提供了在車頂空間安裝天線的方案,據此得以暢通地到達玻璃孔。

隨著對無線連接需求的增加,這可能會推動更多利用玻璃和塑膠的設計新時代。當然,這也需要與設計更實惠、可維護、可回收車輛的需求相平衡。

一般而言,電動車在機械上比內燃機汽車更簡單。這種簡單性意味著可以將其設計得更持久、更容易維修和維護,並且可實現高度回收。然而,電動車中的電子系統將更加多樣化,並且在自動駕駛的情況下會變得更加複雜。功率消耗、動力和電子系統之間的平衡將發生變化,這也可能對所採用的儲能系統類型產生影響。

自動駕駛所引發的思考

塑造汽車設計、所有權和利用未來的另一個主要趨勢是自動駕駛。所有權和自動駕駛之間的相關性變得越來越強,許多人認為,第一批全自動駕駛車將會是計程車和共乘方案。這一理論可以用經濟學來解釋:自動駕駛電動車的購買成本高昂,但運行成本較低,因此要獲得回報,車主需要提高利用率。

大多數私人擁有的車輛大部份時間都停在某個地方。這意味著每英哩的成本很高。另一方面,計程車和其他服務車輛則大部份時間都在營運中。提高使用率可降低每英哩的成本,如果這一成本得以加成,就像計程車一樣,它就會轉化為正投資報酬率。

在此一個令人振奮的研究領域是自動飛行電動計程車。這聽起來像是科幻小說,但這卻正在發生中。它之所以別具意義是因為許多旅程都很短,而且是在擁擠的城市中。在城市上空飛越可減少道路層面的擁堵。現在已經有幾個試點計劃正在運行,並且已經花費了數百萬美元的研究資金以使其成為現實。在自動駕駛營運方面,進入第三維度很有意義。即使在低空,天空中也沒有道路、建築物或行人。天空給了自動駕駛車很大的自由,唯一的障礙是其他飛行器。

進入第三維度將會提升對可靠無線連接的需求。預設情況下,無線技術是全向的。現代系統更具辨識能力——可以使用相控陣天線和MIMO (多入多出)來引導射頻(RF)能量並盡可能提高可用頻寬。覆蓋範圍也可能是一個考慮因素。城市地區的陸面收發器可能永遠不會離5G基地台或等效基地台很遠,但空中車輛的分佈將會更加廣泛和分散。障礙物越少,無線訊號應能傳播得越遠,其所受到的干擾和多徑失真也會越少。空中車輛也將影響系統的設計方式。

 

支持汽車創新

如今有幾種基礎技術對於汽車產業的創新提供了支援。無線連接和天線設計是其中之一。寬能隙(WBG)半導體開關是另一種技術。這些汽車創新是碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等技術所能產生真正影響力之處。

寬能隙半導體通常比普通矽元件提供更高的效率。其使用對電源系統的設計方式有多種影響。受影響的中央系統包括電池管理系統、車載充電器和車外充電器。電源逆變器用於將來自電池(或同類產品)的直流電(DC)轉換為交流電,進而驅動馬達。這些系統的效率對行駛範圍有直接影響。

開發人員可以透過以更高的開關頻率運行功率元件來實現更高的效率。提高頻率對開關電路中所使用的被動元件和磁性元件具有設計意義:一般來說可以使其更小,無論是規模還是價值。開關元件本身也在縮小尺寸,因為其可以在更高的溫度下工作。因此,就能得到整體體積更小的系統。

這些挑戰在今天都是真實存在的,為了促進汽車產業的發展,現在需要正確且有力的驅動技術,這正是像國巨集團等供應商能夠真正發揮積極影響力之處。

本文原刊登於EDN China網站

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