車輛電氣化是交通運輸行業(yè)實現(xiàn)減排的途徑

本文概述了重型車輛電動化方面的電力電子技術詳情，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域的碳排放，如圖1所示。

【導讀】本文概述了重型車輛電動化方面的電力電子技術詳情，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)務出現(xiàn)相應的大幅增長，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科的艱巨任務，也是功率半導體產(chǎn)品面臨的特殊挑戰(zhàn)。與設計運行時間約為 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)。通用目標要求是一年 360 天、每天8 到 10 小時運行時間。預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)需要使用非常可靠的解決方案。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”應用概述

經(jīng)過十年來的電池技術發(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，媒體不斷報道有關技術突破的新聞。

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[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?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設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功率半導體產(chǎn)品

所有這些應用均需要使用高效和可靠的電子子系統(tǒng)。在這個嚴苛的環(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

對于為移動應用設備供電，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，而電池充當主要的儲能裝置。

2. 在化學方面，能量儲存在電池中。對于給定的電池化學，充放電能力受到化學過程的限制。現(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)應用中受到歡迎。在循環(huán)穩(wěn)定性方面，目前采用的化學物質(zhì)可以實現(xiàn)幾千次充放電循環(huán)。

3. 從化學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，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選項，但這種所謂的“黑氫”(black hydrogen)會出現(xiàn)副產(chǎn)品，也就是導致大量二氧化碳產(chǎn)生。

目前，業(yè)界正在考慮將風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。

電解是直流電流驅(qū)動的應用。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。

審核編輯：湯梓紅