車輛電氣化是交通運輸行業實現減排的途徑

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，據估算這些車輛的碳排放占據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了6%。

由于線上業務活動蓬勃發展，可以觀察到跨越各大洲的長途交通運輸業務出現相應的大幅增長，以及城市內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。根據美國交通局公布數據[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，進而產生多達2.94億公噸的二氧化碳量。

在法規和更嚴格的排放要求推動下，車隊運營商越來越多地轉向使用零排放車輛。業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，也是功率半導體產品面臨的特殊挑戰。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，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，這些子系統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

經過十年來的電池技術發展，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，每度電的價格已經下降了大約88%[3]。由于業界開發新的材料和生產工藝，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次數是決定性參數，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，而現代的鋰電子電池則可以達到幾千次充電循環。全球范圍的電池制造商都在努力實現進一步的改善，并且已經公布了可實現超過10,000次循環和高達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。接下來的挑戰是在合理時間內為車輛充電，而所謂的合理與否，很大程度上取決于車輛的使用情況。

對于作為當地載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。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

從可再生能源系統的發電到電解、傳動系統、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：用于從發電到電能消耗各階段的

Littelfuse功率半導體產品

所有這些應用均需要使用高效和可靠的電子子系統。在這個嚴苛的環境中，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產品可以用于使用可靠的元器件來構建、運營和維護電動化交通運輸環境。

3. 能量存儲

對于為移動應用設備供電，現有三種主要的儲存電能方法，每種方法各有其優缺點。

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，可以輕松實現數百萬次充電循環。根據公式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，這在目前的大多數應用中受到歡迎。在循環穩定性方面，目前采用的化學物質可以實現幾千次充放電循環。

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生電能。今天大多數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

如圖4框圖所示，重型車輛的傳動系統在技術上與電動客用車的并沒有太大的區別。

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別。重型車輛的連續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：電動車輛傳動系統的典型動力部分

圖6所示是將氫氣和氧氣轉化為水、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

車輛傳動系統框圖

除此之外，在構成燃料電池和電池之間接口的DC-DC轉換器中，還需要更多的電子電力器件。

燃料電池傳動系統固有的重要部件是壓縮機，壓縮機驅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。圖7是使用氫氣進行能源轉換所使用部件示意圖。

圖7：燃料電池能量轉換系統

根據燃料電池內需要的氣體平衡，可以估算實現150 kW連續運作所需的氣流：

● 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從零加速到100%速度。由于這些要求，驅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)會出現副產品，也就是導致大量二氧化碳產生。

目前，業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穩定性以及生成氫氣作為副產品的很好選項。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。

電解是直流電流驅動的應用。單個電解槽的正向電壓低于2V，但在工業制氫中可能需要數千安培電流量。圖8中的B12C拓樸結構是最普遍的兆瓦（MW）級整流方案。

圖8：帶有B12C的整流器拓樸結構，也稱為B6C-2P

十二脈沖B12C拓樸結構，也可以視為兩個B6C結構的并聯，稱為B6C-2P。即使沒有平滑和濾波，也可以在直流側實現非常低的電壓波紋。單級AC-DC能量轉換也可以實現出色的效率。

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可用性。

審核編輯：湯梓紅