從賽道到道路的旅程

Dave Priscak

半導(dǎo)體制造商如何通過電動方程式，設(shè)計(jì)出性能更好、能效更高的汽車器件，用于整個(gè)動力總成？

歷年來，那些為高性能、大預(yù)算的一級方程式（Formula 1）賽場開發(fā)的技術(shù)，后來都轉(zhuǎn)用到了批量乘用車上，這樣的“知識遷移”可支持我們今天所駕駛的汽車向更好、更安全、更高效的方向發(fā)展。

如今，電動方程式（Formula E）擁有相同的潛力，也可作為日常電動汽車（EV）的試驗(yàn)場，例如，圍繞電池技術(shù)、電源管理、充電和再生制動的創(chuàng)新等都可遷移。

作為Formula E技術(shù)和商業(yè)運(yùn)營的參與者，安森美半導(dǎo)體對從賽道轉(zhuǎn)向道路的技術(shù)可能性有著非常明確而廣博的見解，并可為主流電動汽車設(shè)計(jì)與制造元器件及系統(tǒng)解決方案，本文則主要講述了從Formula E技術(shù)遷移到電動汽車的機(jī)會、潛在好處及局限性等。

消費(fèi)者對電動汽車僅依靠電池能行駛多遠(yuǎn)感到擔(dān)憂，這是阻礙大規(guī)模采用電動汽車的一大主要原因，被稱為“里程焦慮”，擔(dān)心充一次電不能到達(dá)目的地。但其實(shí)仔細(xì)想想，大多數(shù)旅程能有多遠(yuǎn)？

得益于現(xiàn)代電池技術(shù)和先進(jìn)高效的動力傳動系統(tǒng)，很多電動汽車充滿電后的續(xù)航里程都已超過200英里，這個(gè)距離對大部分日常出行，如上下學(xué)、通勤、本地購物之旅都沒問題。可話雖如此，但我們?nèi)杂泻艽罂臻g和強(qiáng)烈的愿望去進(jìn)一步改進(jìn)電池性能。

因?yàn)殡姵卦O(shè)計(jì)是一門電化學(xué)，所以電池性質(zhì)可能很不穩(wěn)定。Formula E與一些專注于設(shè)計(jì)高功率密度電池的公司進(jìn)行合作，并使這些電池能在惡劣的賽車環(huán)境中安全使用。擁有標(biāo)準(zhǔn)化的電池系統(tǒng)可最大程度地減少極端加速/再生條件下的危險(xiǎn)，并確保在發(fā)生碰撞時(shí)安全斷開連接。另外，賽車設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還有一個(gè)公平的賽場，具有已知的電池阻抗和充電/放電特征曲線。不過，動力總成卻沒有強(qiáng)制的規(guī)范。各車隊(duì)都添加“秘方”以最大化加速度，提高再生能效和管理功率預(yù)算，以確保賽車完成比賽。各車隊(duì)還可專注于機(jī)電動力總成，借鑒Formula 1的機(jī)械設(shè)計(jì)和所用的動能回收系統(tǒng)。

由于Formula E的極端特性，賽車隊(duì)使用的嵌入式組件要比當(dāng)前批量生產(chǎn)的電動汽車多得多，以便監(jiān)控、控制和優(yōu)化飛馳的賽車。在比賽中，設(shè)備會將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖疫M(jìn)行處理和分析。記錄的數(shù)據(jù)如功率傳輸效率、溫度上升、再利用的能量百分比等，使車隊(duì)能夠改進(jìn)從電池到車輪的動力總成運(yùn)行軟件。

比賽結(jié)束后，車隊(duì)與行業(yè)合作伙伴分享此數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步優(yōu)化動力總成的運(yùn)行方式并提高性能。這類數(shù)據(jù)還有助于新產(chǎn)品開發(fā)，進(jìn)而提高用于未來動力總成設(shè)計(jì)的組件的性能，而這種持續(xù)的改進(jìn)過程不僅會使賽車隊(duì)合作伙伴在賽道上保持競爭優(yōu)勢，而且還會使電動汽車的設(shè)計(jì)從不斷提高的專知水平和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)中受益。然后，半導(dǎo)體制造商也可以從中設(shè)計(jì)出性能更好、能效更高和更可靠的器件，用于整個(gè)動力總成。

如今，硬件和軟件形式的電子產(chǎn)品都主導(dǎo)著新車創(chuàng)新，而軟件現(xiàn)已成為動力總成解決方案的重要組成部分。在當(dāng)今電動汽車中，已運(yùn)行著許多軟件配置，如牽引控制算法可調(diào)節(jié)和平衡車輪的驅(qū)動力，以確保在結(jié)冰的路面上安全行駛，或者在您踩下油門踏板時(shí)觸發(fā)再生制動?，F(xiàn)代電動汽車變得越來越復(fù)雜，包含更多的驅(qū)動馬達(dá)和提供更高的自動駕駛水平。駕駛員可選擇自己喜歡的駕駛模式，如選擇日常通勤的里程，或者在越野或寒冷天氣條件下選擇全輪驅(qū)動（AWD）。

Formula E賽車最高時(shí)速可達(dá)174英里/時(shí)，但比賽本身僅持續(xù)45分鐘，因此優(yōu)化是針對速度而不是續(xù)航里程。而消費(fèi)類電動汽車的設(shè)計(jì)要最大化續(xù)航里程，且速度更低，不過兩種動力總成應(yīng)用程序都大同小異。其相似之處在于兩種動力總成都力求最高的功率傳輸效率，并使用再生制動將動力回饋至電池以增加續(xù)航里程。此外，他們還使用先進(jìn)的電機(jī)算法，這對于不同的運(yùn)行模式來說至關(guān)重要。

當(dāng)今，電動汽車的主電源母線通常為400V，800V動力總成還在開發(fā)中，且正迅速趨近Formula E的900V母線。其中，高壓、寬禁帶器件如SiC提高了功率密度，并支持使用較小的電動機(jī)，這將加快實(shí)現(xiàn)和采用高壓母線。

更高的電池電壓也將有助于解決快速充電的伏特/安培問題。但是，對于已安裝的電動汽車充電器底座來說，更改電池電壓可能還會出現(xiàn)其他問題。所以，未來的充電器可能會是數(shù)控的，以適應(yīng)多種電壓。此外，電動汽車的電池充電速度也必須是靈活的，這取決于充電器的輸出能力。在可預(yù)見的將來，F(xiàn)ormula E賽車和電動汽車都將使用12V母線系統(tǒng)，這是因?yàn)?2V可為從傳感器到信息娛樂系統(tǒng)和舒適便利性的一切提供電源，但這并不一定意味著需要12V電池，高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器如400V/800V、48V也都可轉(zhuǎn)換為12V。

越來越有必要在電動汽車中采用48V母線系統(tǒng)，因?yàn)樵S多電動機(jī)如驅(qū)動泊車輔助系統(tǒng)和電動渦輪增壓（eTurbo）的電動機(jī)，需要更高的電壓才能滿足不斷增長的扭矩要求。實(shí)現(xiàn)48V的解決方案是使用兩塊12V電池，然后將其升壓到48V。將來，可能會有一塊含多個(gè)電壓軌的高壓電池來滿足車輛周圍各電子負(fù)載的不同要求。

消費(fèi)者期待商用電動汽車的充電時(shí)間與普通燃油汽車在加油站加油所需的時(shí)間相當(dāng)。盡管第三代Formula E賽車的充電功率為600kW，可在30秒內(nèi)輸出4kWh，但在可預(yù)見的將來是不太可能給消費(fèi)類的電動汽車提供這類充電速度，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電網(wǎng)都不是為這樣的大規(guī)模電力傳輸而設(shè)計(jì)的。

限制充電速度的其他因素還包括充電器與電纜的電流容量、電池的阻抗、電池均衡等。由于更高的電壓會減小充電電流和傳輸損耗，因此將來可能會出現(xiàn)更高的電池電壓。我們有理由設(shè)想將類似于加油站或與加油站并置的充電站連接到1200V主電源，該電源能夠在數(shù)分鐘內(nèi)為電動汽車充滿電，并帶來與傳統(tǒng)的燃油車加油時(shí)間相同的體驗(yàn)。

Formula E的駕駛風(fēng)格要求快速加速和超常的急剎車，這是因?yàn)橘愜囆旭偮肪€曲折。由于制動與運(yùn)行的比值很高，因此該環(huán)境非常適合能量回收。然而，急剎車產(chǎn)生能量所花的時(shí)間不足以將其存儲回電池中，這是個(gè)問題。

使用鋰離子電容器或超級電容器等技術(shù)可暫時(shí)存儲回收的能量并傳輸?shù)诫姵刂校蛟谙麓渭铀贂r(shí)消耗掉。但這種方法實(shí)施起來可能會成本很高，并且，如果制動與運(yùn)行的比值很低，從投資回報(bào)率來看，是沒有理由支出這筆費(fèi)用的。不斷研究，這些知識最終將轉(zhuǎn)化用以實(shí)現(xiàn)更高效、更成本優(yōu)化的消費(fèi)類電動汽車系統(tǒng)上。

總而言之，賽車環(huán)境仍然是消費(fèi)類汽車開發(fā)的寶貴試驗(yàn)場，所獲得的收益和知識對汽車制造商和元器件開發(fā)人員都有幫助。了解器件和系統(tǒng)如何工作的最好途徑就是在現(xiàn)實(shí)世界中，而不是在基于實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境像Formula E一樣具有挑戰(zhàn)性和極端性時(shí)，學(xué)習(xí)曲線也會陡峭而迅速。