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先进技术加速电动汽车发展

先进技术加速电动汽车发展

2022/8/24 15:28:34

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电动汽车的障碍和解决方案

虽然有着来自各国政府的激励措施以及驾驶电动汽车 (EV)本身具有的优势,但电动汽车在过去几年增长得相当缓慢。此外,COVID-19 疫情进一步加剧了这种情况,导致消费者对电动汽车的需求达到新高的时候却遇到了没有库存的窘境。造成供应急剧下滑的原因有很多,但影响电动汽车销售的四个主要因素是高成本、里程限制、基础设施不足和充电时间过长。

以前电动汽车的价格是传统汽油或柴油汽车的 2 至 2.5 倍,而随着乌克兰危机带来的基本金属和稀土价格走高,导致成本进一步上涨。然而这些可以通过增加产量、政府提供激励措施和税收抵免给电动汽车买家,以及改善电池技术加以弥补。

提到生产,在今年年初通用汽车公司和福特汽车公司都宣布要提高美国电动汽车产量的计划。为了大幅扩大电池制造和电动卡车的产能,通用汽车宣布在密歇根州的 4 个制造基地投资超过 70 亿美元。福特则透露计划在 2026 年斥资 500 亿美元生产超过 200 万辆电动汽车,约占全球福特年度预期产量的三分之一。同时特斯拉在得克萨斯州和柏林的超级工厂已准备好在今年提升产量。

与美国的主要汽车制造商一样,欧洲也计划提高电动汽车产量并在 2030 年前达到全电动汽车。随着电动汽车销量的增长,欧洲的电动汽车的价格越来越接近传统的内燃机汽车。

续航力是另一个让人却步的问题。虽然几年前的续航力有限,但现在的车型每次充电可行驶 300 多英里。Edmunds 的最新报告显示,2022 款梅赛德斯-奔驰 EQS 的续航力为 450 英里,EPA 的预估为 350 英里。同样的,排名第二的2021 年特斯拉 Model 3 的续航力为 345 英里,EPA 的预估为 353 英里。

Edmunds 的电动汽车续航力排行榜上总共列出了 32 种电动汽车车型。榜上第32名是 2022 Mazda MX-30,可行驶 114 英里,EPA 的评鉴为 100 英里。汽车制造商一直致力于提高每次充电的续航里程。近期Lucid Motor 的第一款电动汽车 Lucid Air 是硅谷设计、亚利桑那州生产,使用专有的动力总成技术展现出行业领先的 500 多英里的续航里程。在性能和续航力方面,Lucid Air 赢得了 MotorTrends 「2022 年度最佳汽车大奖」。Lucid Air 内置的Wunderbox 是一款超快电池充电器,采用 900 V+ 架构,仅需约 20 分钟即可充满 300 英里的电量。 除了充电快速以外,它还兼容全国几乎所有的公共充电站并即将提供双向充电的功能。

福特也以新型的 F-150 Lightning 电动汽车朝双向充电迈出了下一步。最近在德克萨斯州休斯敦举行的 2022年CERAweek上,福特和 PG&E 宣布合作研究福特的F-150 Lightning的双向充电功能如何连接电网来为 PG&E 的客户提供可靠的电力。PG&E 首席执行官Patti Poppe表示:「与福特等汽车制造商合作,我们能够一起创新,为所有人创造一个更清洁、更安全、更光明的未来。」通过这样的电动汽车充电基础设施的计划,PG&E 正帮助解决选择电动汽车面临的最大障碍之一,也就是缺乏随处可用的充电桩。

为了让大多数用户觉得电动汽车实用且有吸引力,就需要一个更大的充电站和充电桩网络。根据研究分析公司 Statista 的数据,截至 2022 年 1 月美国有近 113,600 个充电桩,其中 36% 在加利福尼亚州。此外,拜登总统宣布在美国投资 75 亿美元来建设电动汽车充电设施网络。中国被视为电动汽车消费的领先市场并不奇怪,因为中国有扎实的基础设施,全国上下有大约 800,000 个充电站。

同时,制造商正在制造超快充电器以缩短充电时间到 20 分钟以内。最近在英国举行的 2022 年未来推进大会 (FPC2022) 上,迈凯轮应用宣布它正在推进第 5 代逆变器平台 (IPG5) 的全面生产,这是一款专为超快充电的 800-V 碳化硅 (SiC) 逆变器,有更高的效率和更长的里程(图 1)。IPG5 是一种可以支持下一代电动汽车的新架构,提供更轻的电缆和超快速充电,同时还能降低动力传动系统的重量和成本。

总之,充电架构在不久的将来会从 400V 转为 800V。在如此高压下,电池管理系统 (BMS) 需要坚固的插头连接,并且必须实时与充电站通信以确保高水平的安全性和可靠性。所有这些都转化为对高性能、高压 AC/DC 转换器和高隔离 DC/DC 转换器的需要。为了这项监控任务,RECOM 开发了 RAC05-xxSK/480 系列 AC/DC 转换器,可处理高达 528 V AC 的输入电压。此外,RECOM 已发布了一系列的1W 隔离DC/DC 转换器用来在电动汽车 BMS中 使用。在这里,监控电子设备在控制器局域网总线提供的浮动电压下运行,而每个电池模块都需要一个单独的 DC/DC 转换器来隔离电子设备。

此外,充电站使用高隔离 DC/DC 转换器来控制功率半导体,例如 IGBT、SiC、Si MOSFET 或 GaN FET。这需要使用能精确提供正负电压的栅极驱动器以控制开关过程并避免误操作。由于电源开关具有高浮动电压,栅极驱动器的电压供应就需要极为有效的隔离。为此,RECOM开发了输出电压 +15V/-9V (IGBT)、+15V/-3V和 +20V/5V (SiC),以及 +6V (GaN) 的非对称输出增强型隔离DC/DC转换器。为了确保系统的使用寿命,转换器提供宽工作温度范围和低隔离电容。

采用固态电池

随着全球的电动汽车技术竞争的持续进行,许多汽车设备制造商 (OEM) 正准备采用固态电池 (SSB),这是传统锂离子 (Li-ion) 电池的替代品。由于SSB 电池的固体导电电极和电解质的重量更轻、能量密度更高、续航里程更远、成本更低,因此取代了锂离子电池的液体或凝胶式的电解质。另外,新兴的 SSB 不含易燃材料因此安全性也更佳。

为了加快 SSB 的发展,汽车 OEM 制造商正将资金和资源投入电池制造技术。例如,德国汽车制造商大众汽车宣布向 QuantumScape Corp. 投资 1 亿美元,这是一家从加利福尼亚州斯坦福大学分出来的 SSB 初创公司。在最近的新闻稿中QuantumScape 表示他们的固态锂电池已完成连续 400 次15 分钟快速充电 (4C) 从10% 到 80% 的电量,同时保持80% 以上的初始容量。该初创公司声称这个成绩是此类电池技术的创举。QuantumScape 在多个温度(25°C 和 45°C)、3.4 个大气压和 100% 放电深度下对商业相关尺寸的单层电池原型进行了测试。去年该公司展示了 10 层电池单元,能够循环至少 800 次,能量保持率大于 80%;在 25°C、3.4 个大气压和 100% 放电深度下达到 1C–1C 的充电和放电率。

QuantumScape 的联合创始人兼首席执行官 Jagdeep Singh 在一份声明中表示:「我们很高兴与大众汽车一起达到了这个技术的里程碑,我们期待共同合作,以将固态锂电池的技术量产化。」首席执行官在去年 12 月接受 Verge 采访时表示 QuantumScape 准备在 2024 年投入生产。

同样地,梅赛德斯-奔驰和台湾 SSB 电池制造商 ProLogium Technology Co. 签署了一项合作协议,将在未来几年生产配备了共同开发的 SSB的测试车辆。此外,福特已向 SSB 开发商 Solid Power 投资了 2000 万美元。这项合作将充分利用 Solid Power 的全自动卷对卷生产设施,而该设施仅于去年开始运营。

SSB 等新技术在生产和实践中都需要高性能、创新的电压转换器,RECOM 已准备好为这种不断进化的电动汽车提供定制和半定制 AC/DC 和 DC/DC 解决方案。

审核编辑(
王静
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