電動(dòng)汽車早在 100 年前就已風(fēng)行一時(shí)。電動(dòng)汽車安靜、可靠，而且無需費(fèi)力轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸或換擋。一次充電后可以行駛 35 至 50 公里，有些車型能跑 100 公里以上。與汽油動(dòng)力車相比，電動(dòng)車更笨重、更緩慢、造價(jià)更高。電起動(dòng)器和廉價(jià)汽油的出現(xiàn)將電動(dòng)汽車擠出市場(chǎng)，直到最近，電動(dòng)汽車才又重見曙光。

由于高油價(jià)、環(huán)保理念以及政府的支持，電動(dòng)汽車又一次成為了市場(chǎng)熱門產(chǎn)品。“電動(dòng)運(yùn)輸協(xié)會(huì)”的數(shù)據(jù)顯示，2012 年，美國共銷售了 487,480 輛電動(dòng)車/混合動(dòng)力汽車，占國內(nèi)汽車總銷量的 3.38%。A.T. Kearney 的分析師預(yù)計(jì)，至 2020 年，全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)價(jià)值將飆升到 $3400 億美元，占整個(gè)汽車市場(chǎng)的 10%-15%。

A.T. Kearney 認(rèn)為，對(duì)污染的擔(dān)憂、能源獨(dú)立目標(biāo)和高企的油價(jià)是電動(dòng)汽車市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素，而這一市場(chǎng)能否進(jìn)一步發(fā)展，則在很大程度上取決于汽車電子產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新步伐。

踩下油門后

當(dāng)司機(jī)踩下汽車的油門后，很清楚會(huì)發(fā)生什么。那么，當(dāng)司機(jī)踩下電動(dòng)汽車的油門時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？這取決于電動(dòng)汽車的類型：

· 電動(dòng)汽車（EV - 又名蓄電池電動(dòng)汽車 (BEV)），代表產(chǎn)品包括日產(chǎn) Leaf,、福特 Focus EV以及特斯拉 S 型，這些都是純電動(dòng)汽車。

· 混合動(dòng)力汽車 (HEV – 又名插電式電動(dòng)汽車 (PHEV)），代表產(chǎn)品包括豐田 Prius 和雪佛蘭 Volt，這些汽車同時(shí)依靠電動(dòng)機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)獲得動(dòng)力。通用汽車將 Volt 稱為增程型電動(dòng)車 (EREV)，即首先依靠電力來驅(qū)動(dòng)，當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)切換到燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)給電池充電。

電動(dòng)機(jī)在汽車發(fā)動(dòng)時(shí)達(dá)到最大扭矩，隨著車輛速度提升，扭矩呈線性下降。而燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)僅在車輛高速行駛時(shí)達(dá)到高扭矩。為了在高速公路行駛時(shí)也能獲得靈敏的響應(yīng)，將電動(dòng)機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合起來不失為一種好辦法。

以下是混合動(dòng)力汽車的兩種主要形式：

· 串行混合動(dòng)力汽車，如雪佛蘭 Volt；

· 動(dòng)力分配式或串行-并行混合動(dòng)力車，如，豐田 Prius。

在串行混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（見圖 1）中，電動(dòng)機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)是串行工作的。就雪佛蘭 Volt 而言，汽車首先依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直至電池電量低于某個(gè)水平，此時(shí)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，為電機(jī)/發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)汽車。一般情況下，發(fā)電機(jī)僅用于為蓄電池組充電。在 Volt 中踩下油門后，會(huì)有大量電力輸送到牽引電動(dòng)機(jī)，而牽引電動(dòng)機(jī)就成為了前 35 英里左右的唯一動(dòng)力來源。

圖1：串行混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

Volt 采用 GM VoltecTM動(dòng)力系統(tǒng)，包括一個(gè)小型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、一個(gè)大型電動(dòng)機(jī)和一個(gè)行星齒輪組（將動(dòng)力從電機(jī)輸送到車輪，必要時(shí)將動(dòng)力從電機(jī)/發(fā)電機(jī)輸送到車輪）。三個(gè)離合器根據(jù)需要將電機(jī)、發(fā)電機(jī)或兩者連接到行星齒輪。

采用動(dòng)力分配式或串行-并行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（見圖 2）時(shí)，電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)都可以驅(qū)動(dòng)汽車，在配合良好的情況下，兩者可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車。和 Volt 一樣，Prius 以電動(dòng)汽車模式發(fā)動(dòng)，直至達(dá)到 25 mph 或 1 英里，此時(shí)轉(zhuǎn)換為常規(guī)模式，即發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)協(xié)同工作。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)為傳動(dòng)軸提供動(dòng)力時(shí)，發(fā)電機(jī)會(huì)為電池充電，并為電機(jī)持續(xù)供電。

圖2：串行-并行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

豐田的混合動(dòng)力協(xié)同驅(qū)動(dòng) (HSD) 系統(tǒng)使 Prius 能夠完全依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，除非需要為發(fā)動(dòng)機(jī)增壓。它將電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)連接到取代了標(biāo)準(zhǔn)變速箱的電子無級(jí)變速器 (e-CVT)。多個(gè)傳感器使電子控制單元 (ECU) 能夠在任何車速和載荷條件下以最高效率運(yùn)行系統(tǒng)。

就 Volt 和 Prius 而言，由于電機(jī)所發(fā)揮的作用，使汽車得以采用更小、更節(jié)油的發(fā)動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)技術(shù)

高扭矩電動(dòng)汽車的啟動(dòng)速度極快。Tesla Roadster 從零加速至 60 mph 僅需不到 4 秒——可與保時(shí)捷 911 Turbo GT2 相媲美。

電動(dòng)汽車采用各種各樣的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)類型因汽車品牌和車型而各異。例如，Tesla Roadster 的兩款車型采用了 3 相 4 極 BLDC 電機(jī)，而最大的車型則采用了 3 相 4 極 AC 感應(yīng)電機(jī)。Volt 和 Prius 采用的是同步永磁 (PM) 電機(jī)。

分析公司IDTechEx認(rèn)為，2013 年電動(dòng)汽車用電機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 640 億美元。占據(jù)整個(gè)市場(chǎng) 60% 份額的是永磁同步電機(jī)（帶異步 AC 感應(yīng)電機(jī)），既可驅(qū)動(dòng)大型汽車，也可為高爾夫球車等小型設(shè)備提供動(dòng)力（見圖 3）。由于成本低廉，許多廠商開始在大型汽車上改用異步電機(jī)。用于公路電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車的同步 PM 電動(dòng)機(jī)則以性能、重量和尺寸取勝，而且由于其成本僅占汽車總價(jià)的 2% 至 10%，因此成本也不算大問題。

圖3：按車輛類型劃分的牽引電機(jī)技術(shù)（數(shù)據(jù)來源：IDTechEx）

在各種溫度條件和嘈雜環(huán)境下精確地驅(qū)動(dòng)高扭矩 PM 電機(jī)是一大挑戰(zhàn)。圖 1 和圖 2 中所示的轉(zhuǎn)換器一般包含一個(gè)主逆變器（帶 IGBT 或功率 MOSFET，用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)）、一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器（用于將電池組的高電壓降為 12V），以及小型逆變器（用于驅(qū)動(dòng) HVAC）。

Infineon FS75507N2E4EconoPACKTM2 IGBT 模塊包括六個(gè) IGBT，其額定 VCES為650V，ICnom為75A，ICRM為150A。這些模塊用于驅(qū)動(dòng)大型 PM 電機(jī)，額定溫度為 150°C，具備高短路能力和自限制短路電流。

STMicroelectronicsTD350E高級(jí) IGBT/MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的流出和吸入柵極驅(qū)動(dòng)電流分別為 1.5A 和 2.3A，提供 2 kV等級(jí)的 ESD 保護(hù)。其米勒箝位功能無需負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)，可調(diào)式雙級(jí)關(guān)閉功能可防止在關(guān)閉時(shí)因過電流或短路情況而導(dǎo)致過壓太大。

Texas Instruments 公司的TMS570LS Series MCU是高性能汽車級(jí)微控制器，適合對(duì)安全性有極高要求的應(yīng)用。這些微控制器基于 ARM CortexTM-R4F，最高頻率為 160 MHz，包含三個(gè) CAN 控制器、一個(gè)雙通道FlexRay控制器和兩個(gè) UART (SCI) 接口（支持 LIN 2.0）。所有部件均經(jīng)過 SIL3 認(rèn)證，可用于汽車應(yīng)用。

放開油門后

如果司機(jī)把腳從油門上移開會(huì)怎樣？當(dāng)司機(jī)把腳從油門上移開或踩下剎車踏板時(shí)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)將暫時(shí)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，為電池組進(jìn)行部分充電。在這一模式中，電機(jī)對(duì)前輪產(chǎn)生阻力，使汽車減速，但并非完全停止。在汽車減速時(shí)，再生制動(dòng)效應(yīng)逐漸消失，然后摩擦制動(dòng)器使汽車完全停止。

根據(jù)通用汽車的測(cè)量結(jié)果，Volt 因再生制動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的減速量為 0.315g。再生制動(dòng)系統(tǒng)的效率略低于 75%，而發(fā)電機(jī)（充當(dāng)發(fā)電機(jī)為電池組充電）的效率遠(yuǎn)高于 90%。在汽車減速時(shí)，效率迅速降至 0.1g 以下，這時(shí)司機(jī)逐漸依靠摩擦制動(dòng)器來剎車。

再生制動(dòng)系統(tǒng)能夠有效地將前進(jìn)動(dòng)能重新轉(zhuǎn)化為電能，延長了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。在實(shí)際應(yīng)用中效果如何？當(dāng)汽車沿著長長的山路下山時(shí)，再生制動(dòng)系統(tǒng)可以顯著延長續(xù)航里程和摩擦制動(dòng)器的壽命（盡管確切數(shù)字很難知曉）；但對(duì)于市區(qū)走走停停的交通狀況而言，再生制動(dòng)系統(tǒng)效果并不明顯。

“胡蘿卜加大棒”政策

美國政府不僅出臺(tái)了各種法規(guī)來影響電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)，還針對(duì)電動(dòng)汽車的購買制定了許多激勵(lì)措施。這些獎(jiǎng)懲合一的政策是電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車行業(yè)的主要推動(dòng)因素。就“獎(jiǎng)勵(lì)”而言，2009 年美國清潔能源和安全法案 (ACES) 為新購買的符合條件的插電式電動(dòng)汽車提供高達(dá) 7,500 美元的稅收抵免。加利福尼亞州開展了環(huán)保車補(bǔ)貼項(xiàng)目，購買零排放汽車 (ZEV) 可再獲 2,500 美元的獎(jiǎng)勵(lì)。

就“懲罰”而言，美國國家公路交通安全管理局 (NHTSA) 和環(huán)境保護(hù)署 (EPA) 聯(lián)合制定了國家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，要求新的客車和輕型卡車在 2025 年之前，將燃油經(jīng)濟(jì)性從 2010 年的平均 27.5 mpg 提高至 54.5 mpg。根據(jù)這項(xiàng)要求，這些車輛的燃油經(jīng)濟(jì)向?qū)⒃谖磥?12 年內(nèi)提高整整一倍，這是美國政府為推廣混合動(dòng)力電動(dòng)汽車而采取的強(qiáng)制措施，部分大型皮卡已開始采用這一標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于現(xiàn)代化電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車而言，上述措施只是冰山一角，今后還會(huì)有大量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷變化發(fā)展，以規(guī)范和限制電動(dòng)車的設(shè)計(jì)。主要的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)包括：

· 汽車工程師協(xié)會(huì) (SAE)

· 美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ANSI)

· 美國保險(xiǎn)商試驗(yàn)所 (UL)

· 電氣與電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE)

· 美國電力研究院 (EPRI)

· 政府實(shí)驗(yàn)室（Argonne、Oak Ridge、PacificNorthwest 等）

還有很多標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響（見圖 4）。其它標(biāo)準(zhǔn)包括：

· J1772 連接器標(biāo)準(zhǔn)

· J2931 – 電動(dòng)汽車服務(wù)設(shè)備

· J2836 – 通用信息（應(yīng)用案例）

· J2847 – 電動(dòng)汽車、電力部門、充電站和家庭門戶之間的電子通訊。

· J2953 – 互操作

· IEC 62196 – 電氣連接器

· UL 2231/2251/2594 – 人員保護(hù)系統(tǒng)；插頭和插座；電動(dòng)汽車供電設(shè)備

如果你感到這些標(biāo)準(zhǔn)令人困惑而且彼此重疊，那你的感覺是對(duì)的，因?yàn)槭聦?shí)的確如此。ANSI 電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì) (EVSP) 正試圖將這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類整理，為電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)的相互協(xié)調(diào)制定路線圖。如能迅速完成這一目標(biāo)，將大大促進(jìn)電動(dòng)汽車的生產(chǎn)，從而降低車價(jià)、提高使用率。

圖4：電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)（來源：美國能源部）

未來展望

電動(dòng)汽車并不是一個(gè)新穎的概念，從一個(gè)開關(guān)加一個(gè)變阻器的最初形態(tài)到現(xiàn)在，電動(dòng)車大大進(jìn)化，但他們的行駛里程跟百年前相比卻沒有多大變化。電動(dòng)汽車要想在市場(chǎng)上占有一席之地，必須變得更輕便、更快速、成本更低。完成這些挑戰(zhàn)需要依靠大量的工程創(chuàng)新，只有這樣，汽車行業(yè)在今后才能成為能夠吸引電氣工程師的領(lǐng)域。