【導(dǎo)讀】本文概述了重型車輛電動化方面的電力電子技術(shù)詳情，通過研究由能源生成、存儲、運輸和消耗構(gòu)成的價值鏈，可幫助減低交通運輸領(lǐng)域的碳排放，如圖1所示。
圖1：基于清潔的可再生能源的
電動化交通運輸
1. 簡介
卡車、公交車和工程車輛亦稱為重型車輛，據(jù)估算這些車輛的碳排放占據(jù)了交通運輸領(lǐng)域排放量的25%，在歐洲總體溫室氣體排放量中占據(jù)了6%。
由于線上業(yè)務(wù)活動蓬勃發(fā)展，可以觀察到跨越各大洲的長途交通運輸業(yè)務(wù)出現(xiàn)相應(yīng)的大幅增長，以及城市內(nèi)的物品配送運營活動不斷增加，這種狀況并不限于歐盟地區(qū)。根據(jù)美國交通局公布數(shù)據(jù)[2]，在美國卡車車輛每年行駛里程大約為2960億公里，燃燒了1130億升汽油，進而產(chǎn)生多達2.94億公噸的二氧化碳量。
在法規(guī)和更嚴(yán)格的排放要求推動下，車隊運營商越來越多地轉(zhuǎn)向使用零排放車輛。業(yè)界認(rèn)為在全球范圍所有主要城市中，提升公共交通以減少私家車數(shù)量是減低大都市碳排放的另一個重要考慮。在這個方面，使用零排放車輛運營是目標(biāo)選擇，最好與綠色的可再生能源相結(jié)合。
超過 3.5 噸級重型車輛的電動化是一項涉及多學(xué)科的艱巨任務(wù)，也是功率半導(dǎo)體產(chǎn)品面臨的特殊挑戰(zhàn)。與設(shè)計運行時間約為 8000 小時的典型客用車相比，卡車或公交車的使用壽命則要長得多(包括使用壽命和正常運行時間)。通用目標(biāo)要求是一年 360 天、每天8 到 10 小時運行時間。預(yù)計這些車輛每天行駛多達 400 公里，在 15 年使用壽命期間總計行駛里程超過 200 萬公里。在這方面，城市交通中使用的公交車同樣面臨挑戰(zhàn)，因為它們單日需要行駛 200-300公里。而且，這些公交車輛固有的啟停模式(start-stop-mode)帶來了更多的難題。
全電動重型車輛包含了眾多子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)需要使用非?？煽康慕鉀Q方案。圖 2 以電力電子器件為重點進行了深入的剖析。
圖2：“重型車輛”應(yīng)用概述
經(jīng)過十年來的電池技術(shù)發(fā)展，車輛電池成為了一個可行的解決方案，甚至對于電動重型車輛亦然。在過去十年中，每度電的價格已經(jīng)下降了大約88%[3]。由于業(yè)界開發(fā)新的材料和生產(chǎn)工藝，以及制造能力不斷增加，預(yù)計電價還將會進一步下降。同時，電池的能量密度持續(xù)增加，媒體不斷報道有關(guān)技術(shù)突破的新聞。
電池可支持的充電循環(huán)次數(shù)是決定性參數(shù)，這代表著電池的使用壽命，因而非常重要。先前的凝膠式鉛酸電池技術(shù)可提供幾百次充電循環(huán)，而現(xiàn)代的鋰電子電池則可以達到幾千次充電循環(huán)。全球范圍的電池制造商都在努力實現(xiàn)進一步的改善，并且已經(jīng)公布了可實現(xiàn)超過10,000次循環(huán)和高達1 kWh/kg能量密度技術(shù)[4]。
所有這些因素使得車輛電池方案變得越來越有吸引力，甚至對于長距離車輛運營亦如此。接下來的挑戰(zhàn)是在合理時間內(nèi)為車輛充電，而所謂的合理與否，很大程度上取決于車輛的使用情況。
對于作為當(dāng)?shù)剌d客工具的客運公交車，最常見的選擇是在輪班或夜間的休息時間停靠在車站里充電。在這種情形下，合理時間是指公交車閑置在停靠站中的幾個小時。另一個選擇則是在專門的充電站點進行充電。由于只有幾分鐘的時間，需要更高的充電功率才能向電池注入足夠的能量。由于可在幾個站點進行充電，可以考慮與在停靠站充電的方式相結(jié)合。
對于用于物流運營的卡車，就無法容忍花費幾個小時充電的暫停作業(yè)。在這種情況下，必須在休息時間進行充電，而休息時間是駕駛員必須遵守的法律規(guī)定。未來沒有駕駛員的自動駕駛卡車，甚至不需要休息。最理想的選擇是在技術(shù)上實現(xiàn)最短時間充電。
因此，需要將支持這類車輛運營的基礎(chǔ)設(shè)施視為價值鏈的一部分。
2. 電動化交通運輸價值鏈
從可再生能源系統(tǒng)的發(fā)電到電解、傳動系統(tǒng)、充電器和較小的車載應(yīng)用，在交通運輸價值鏈上可以找到功率范圍從幾瓦到幾兆瓦的設(shè)計。
圖3是相互連接部件的示意圖。
圖3：用于從發(fā)電到電能消耗各階段的
Littelfuse功率半導(dǎo)體產(chǎn)品
所有這些應(yīng)用均需要使用高效和可靠的電子子系統(tǒng)。在這個嚴(yán)苛的環(huán)境中，控制、保護、傳感器和電力電子器件無所不在，以安全高效地處理能量傳輸。如圖所示，Littelfuse產(chǎn)品可以用于使用可靠的元器件來構(gòu)建、運營和維護電動化交通運輸環(huán)境。
3. 能量存儲
對于為移動應(yīng)用設(shè)備供電，現(xiàn)有三種主要的儲存電能方法，每種方法各有其優(yōu)缺點。
1. 在電場中使用電容器直接能量儲存。電容器能夠以非常高的速率進行充電和放電，從而提供極高的功率密度。除此之外，電容器不會像電池那樣受到充電的影響，可以輕松實現(xiàn)數(shù)百萬次充電循環(huán)。根據(jù)公式EC=1/2 C·U2，儲存能量由電容器的容量和允許電壓而定義。在技術(shù)方面，高電壓的電容器只有低電容量，反之亦然。由于電容器以kWh/dm3為單位測量的能量密度低于電池，因而可以結(jié)合電容器與電池以提供高峰值功率，而電池充當(dāng)主要的儲能裝置。
2. 在化學(xué)方面，能量儲存在電池中。對于給定的電池化學(xué)，充放電能力受到化學(xué)過程的限制?，F(xiàn)代的鋰離子電池每公斤可以儲存多達0.2到0.3kWh電能，這在目前的大多數(shù)應(yīng)用中受到歡迎。在循環(huán)穩(wěn)定性方面，目前采用的化學(xué)物質(zhì)可以實現(xiàn)幾千次充放電循環(huán)。
3. 從化學(xué)過程中獲取作為能量載體的氫氣，并在第二步中進行純化。通過電解將水分離成氧氣和氫氣，提供了使用可再生能源來支持過程的方法。在所謂的燃料電池中，氫氣和氧氣會依次反應(yīng)并產(chǎn)生電能。今天大多數(shù)可用的氫氣是使用蒸汽重組器從石油和天然氣中提取出來的。
4. 車輛與傳動系統(tǒng)
如圖4框圖所示，重型車輛的傳動系統(tǒng)在技術(shù)上與電動客用車的并沒有太大的區(qū)別。
圖4：電池電動車輛的簡化框圖
重型車輛與客用車相比具有兩項主要的區(qū)別。重型車輛的連續(xù)功率輸出水平超過了客用車，在使用壽命方面也是同樣。通常情況下，如果客用車的使用壽命是6000至8000個工作小時，那么卡車和公交車的使用壽命應(yīng)該是它們的10倍之多。
盡管如此，商用車使用的電機大多數(shù)為永磁同步電機，由二級逆變器控制，如圖5所示。
圖5：電動車輛傳動系統(tǒng)的典型動力部分
圖6所示是將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化為水、熱能和電能的燃料電池作為電源的擴展框圖。大儲槽中裝有氫氣，仍然需要電池在加速期間提供峰值功率，并在恢復(fù)期間儲存能量。
圖6： 使用燃料電池的電動
車輛傳動系統(tǒng)框圖
除此之外，在構(gòu)成燃料電池和電池之間接口的DC-DC轉(zhuǎn)換器中，還需要更多的電子電力器件。
燃料電池傳動系統(tǒng)固有的重要部件是壓縮機，壓縮機驅(qū)動強烈的氣流進入燃料電池中，這些空氣中含有平衡氫氣和氧氣所需要的氧氣。
通過仔細研究燃料電池，可以了解到壓縮機方面的挑戰(zhàn)。圖7是使用氫氣進行能源轉(zhuǎn)換所使用部件示意圖。
圖7：燃料電池能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
根據(jù)燃料電池內(nèi)需要的氣體平衡，可以估算實現(xiàn)150 kW連續(xù)運作所需的氣流：
● 1 kg H2 和8 kg O2生成大約20 kWh電能
● 每小時需要7.5 kg H2 + 60 kg O2
● 1 m2空氣重量為1.2 kg，含有0.24 kg氧氣
由此可見，每小時必須向燃料電池提供250 m3大氣空氣。由于燃料電池的負載可能變化得非常快，壓縮機需要具備快速啟動能力，這往往需要在幾分之一秒內(nèi)從零加速到100%速度。由于這些要求，驅(qū)動壓縮機之逆變器的額定功率通常為20-40 kW。
如要真正將基于燃料電池的車輛作為一項綠色技術(shù)，就必須使用可再生能源來制造氫氣。從石油或天然氣中提取氫氣是一個技術(shù)選項，但這種所謂的“黑氫”(black hydrogen)會出現(xiàn)副產(chǎn)品，也就是導(dǎo)致大量二氧化碳產(chǎn)生。
目前，業(yè)界正在考慮將風(fēng)能和太陽能等可再生能源的電力與電解運作相結(jié)合，從而將水分離成氫氣和氧氣。特別地，如果用于消耗多余的電力，這種做法是支持電網(wǎng)穩(wěn)定性以及生成氫氣作為副產(chǎn)品的很好選項。世界各國紛紛制訂計劃，要將氫氣作為減少溫室氣體排放的基石技術(shù)。
電解是直流電流驅(qū)動的應(yīng)用。單個電解槽的正向電壓低于2V，但在工業(yè)制氫中可能需要數(shù)千安培電流量。圖8中的B12C拓樸結(jié)構(gòu)是最普遍的兆瓦（MW）級整流方案。
圖8：帶有B12C的整流器拓樸結(jié)構(gòu)，也稱為B6C-2P
十二脈沖B12C拓樸結(jié)構(gòu)，也可以視為兩個B6C結(jié)構(gòu)的并聯(lián)，稱為B6C-2P。即使沒有平滑和濾波，也可以在直流側(cè)實現(xiàn)非常低的電壓波紋。單級AC-DC能量轉(zhuǎn)換也可以實現(xiàn)出色的效率。
使用的相關(guān)電子電力器件是采用壓接封裝的晶閘管或 IGBT器件，通常安裝在所謂的器件堆棧中。IGBT的額定電流高達4500 A，晶閘管甚至超過8000 A。這些器件可以輕易滿足高電流要求。此外，壓接封裝的短路故障(short-on-fail)特性帶來了更好的可靠性和系統(tǒng)可用性。
來源：Littelfuse
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