電動汽車早在 100 年前就已風行一時。電動汽車安靜、可靠，而且無需費力轉(zhuǎn)動曲軸或換擋。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。與汽油動力車相比，電動車更笨重、更緩慢、造價更高。電起動器和廉價汽油的出現(xiàn)將電動汽車擠出市場，直到最近，電動汽車才又重見曙光。

由于高油價、環(huán)保理念以及政府的支持，電動汽車又一次成為了市場熱門產(chǎn)品。“電動運輸協(xié)會”的數(shù)據(jù)顯示，2012 年，美國共銷售了 487,480 輛電動車/混合動力汽車，占國內(nèi)汽車總銷量的 3.38%。A.T. Kearney 的分析師預計，至 2020 年，全球電動汽車市場價值將飆升到 $3400 億美元，占整個汽車市場的 10%-15%。

A.T. Kearney 認為，對污染的擔憂、能源獨立目標和高企的油價是電動汽車市場的主要驅(qū)動因素，而這一市場能否進一步發(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

當司機踩下汽車的油門后，很清楚會發(fā)生什么。那么，當司機踩下電動汽車的油門時會發(fā)生什么呢？這取決于電動汽車的類型：

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

· 混合動力汽車 (HEV – 又名插電式電動汽車 (PHEV)），代表產(chǎn)品包括豐田 Prius 和雪佛蘭 Volt，這些汽車同時依靠電動機和燃氣發(fā)動機獲得動力。通用汽車將 Volt 稱為增程型電動車 (EREV)，即首先依靠電力來驅(qū)動，當蓄電池電量不足時切換到燃氣發(fā)動機給電池充電。

電動機在汽車發(fā)動時達到最大扭矩，隨著車輛速度提升，扭矩呈線性下降。而燃氣發(fā)動機僅在車輛高速行駛時達到高扭矩。為了在高速公路行駛時也能獲得靈敏的響應(yīng)，將電動機和燃氣發(fā)動機結(jié)合起來不失為一種好辦法。

以下是混合動力汽車的兩種主要形式：

· 串行混合動力汽車，如雪佛蘭 Volt；

· 動力分配式或串行-并行混合動力車，如，豐田 Prius。

在串行混合動力驅(qū)動系統(tǒng)（見圖 1）中，電動機和燃氣發(fā)動機是串行工作的。就雪佛蘭 Volt 而言，汽車首先依靠電機驅(qū)動，直至電池電量低于某個水平，此時燃氣發(fā)動機啟動，為電機/發(fā)電機提供動力，從而驅(qū)動汽車。一般情況下，發(fā)電機僅用于為蓄電池組充電。在 Volt 中踩下油門后，會有大量電力輸送到牽引電動機，而牽引電動機就成為了前 35 英里左右的唯一動力來源。

圖1：串行混合動力驅(qū)動系統(tǒng)

Volt 采用 GM VoltecTM動力系統(tǒng)，包括一個小型燃氣發(fā)動機、一個大型電動機和一個行星齒輪組（將動力從電機輸送到車輪，必要時將動力從電機/發(fā)電機輸送到車輪）。三個離合器根據(jù)需要將電機、發(fā)電機或兩者連接到行星齒輪。

采用動力分配式或串行-并行驅(qū)動系統(tǒng)（見圖 2）時，電機或發(fā)動機都可以驅(qū)動汽車，在配合良好的情況下，兩者可以同時驅(qū)動汽車。和 Volt 一樣，Prius 以電動汽車模式發(fā)動，直至達到 25 mph 或 1 英里，此時轉(zhuǎn)換為常規(guī)模式，即發(fā)動機與電機協(xié)同工作。當發(fā)動機為傳動軸提供動力時，發(fā)電機會為電池充電，并為電機持續(xù)供電。

圖2：串行-并行驅(qū)動系統(tǒng)

豐田的混合動力協(xié)同驅(qū)動 (HSD) 系統(tǒng)使 Prius 能夠完全依靠電機驅(qū)動，除非需要為發(fā)動機增壓。它將電機和發(fā)動機同時連接到取代了標準變速箱的電子無級變速器 (e-CVT)。多個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行系統(tǒng)。

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

電動機技術(shù)

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

電動汽車采用各種各樣的電動機驅(qū)動。電機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，而最大的車型則采用了 3 相 4 極 AC 感應(yīng)電機。Volt 和 Prius 采用的是同步永磁 (PM) 電機。

分析公司IDTechEx認為，2013 年電動汽車用電機的市場規(guī)模將達到 640 億美元。占據(jù)整個市場 60% 份額的是永磁同步電機（帶異步 AC 感應(yīng)電機），既可驅(qū)動大型汽車，也可為高爾夫球車等小型設(shè)備提供動力（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。用于公路電動汽車/混合動力汽車的同步 PM 電動機則以性能、重量和尺寸取勝，而且由于其成本僅占汽車總價的 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)動高扭矩 PM 電機是一大挑戰(zhàn)。圖 1 和圖 2 中所示的轉(zhuǎn)換器一般包含一個主逆變器（帶 IGBT 或功率 MOSFET，用于驅(qū)動電動機）、一個 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 HVAC）。

Infineon FS75507N2E4EconoPACKTM2 IGBT 模塊包括六個 IGBT，其額定 VCES為650V，ICnom為75A，ICRM為150A。這些模塊用于驅(qū)動大型 PM 電機，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 IGBT/MOSFET 驅(qū)動器的流出和吸入柵極驅(qū)動電流分別為 1.5A 和 2.3A，提供 2 kV等級的 ESD 保護。其米勒箝位功能無需負柵極驅(qū)動，可調(diào)式雙級關(guān)閉功能可防止在關(guān)閉時因過電流或短路情況而導致過壓太大。

Texas Instruments 公司的TMS570LS Series MCU是高性能汽車級微控制器，適合對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 CAN 控制器、一個雙通道FlexRay控制器和兩個 UART (SCI) 接口（支持 LIN 2.0）。所有部件均經(jīng)過 SIL3 認證，可用于汽車應(yīng)用。

放開油門后

如果司機把腳從油門上移開會怎樣？當司機把腳從油門上移開或踩下剎車踏板時，主驅(qū)動電機將暫時充當發(fā)電機，為電池組進行部分充電。在這一模式中，電機對前輪產(chǎn)生阻力，使汽車減速，但并非完全停止。在汽車減速時，再生制動效應(yīng)逐漸消失，然后摩擦制動器使汽車完全停止。

根據(jù)通用汽車的測量結(jié)果，Volt 因再生制動而實現(xiàn)的減速量為 0.315g。再生制動系統(tǒng)的效率略低于 75%，而發(fā)電機（充當發(fā)電機為電池組充電）的效率遠高于 90%。在汽車減速時，效率迅速降至 0.1g 以下，這時司機逐漸依靠摩擦制動器來剎車。

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

“胡蘿卜加大棒”政策

美國政府不僅出臺了各種法規(guī)來影響電動汽車的設(shè)計，還針對電動汽車的購買制定了許多激勵措施。這些獎懲合一的政策是電動汽車/混合動力汽車行業(yè)的主要推動因素。就“獎勵”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汽車提供高達 7,500 美元的稅收抵免。加利福尼亞州開展了環(huán)保車補貼項目，購買零排放汽車 (ZEV) 可再獲 2,500 美元的獎勵。

就“懲罰”而言，美國國家公路交通安全管理局 (NHTSA) 和環(huán)境保護署 (EPA) 聯(lián)合制定了國家級標準項目，要求新的客車和輕型卡車在 2025 年之前，將燃油經(jīng)濟性從 2010 年的平均 27.5 mpg 提高至 54.5 mpg。根據(jù)這項要求，這些車輛的燃油經(jīng)濟向?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力電動汽車而采取的強制措施，部分大型皮卡已開始采用這一標準。

對于現(xiàn)代化電動汽車/混合動力汽車而言，上述措施只是冰山一角，今后還會有大量的行業(yè)標準不斷變化發(fā)展，以規(guī)范和限制電動車的設(shè)計。主要的標準機構(gòu)包括：

· 汽車工程師協(xié)會 (SAE)

· 美國國家標準協(xié)會 (ANSI)

· 美國保險商試驗所 (UL)

· 電氣與電子工程師協(xié)會 (IEEE)

· 美國電力研究院 (EPRI)

· 政府實驗室（Argonne、Oak Ridge、PacificNorthwest 等）

還有很多標準會對電動汽車/混合動力汽車的設(shè)計產(chǎn)生影響（見圖 4）。其它標準包括：

· J1772 連接器標準

· J2931 – 電動汽車服務(wù)設(shè)備

· J2836 – 通用信息（應(yīng)用案例）

· J2847 – 電動汽車、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 – 人員保護系統(tǒng)；插頭和插座；電動汽車供電設(shè)備

如果你感到這些標準令人困惑而且彼此重疊，那你的感覺是對的，因為事實的確如此。ANSI 電動汽車標準委員會 (EVSP) 正試圖將這些標準進行分類整理，為電動汽車標準的相互協(xié)調(diào)制定路線圖。如能迅速完成這一目標，將大大促進電動汽車的生產(chǎn)，從而降低車價、提高使用率。

圖4：電動汽車標準（來源：美國能源部）

未來展望

電動汽車并不是一個新穎的概念，從一個開關(guān)加一個變阻器的最初形態(tài)到現(xiàn)在，電動車大大進化，但他們的行駛里程跟百年前相比卻沒有多大變化。電動汽車要想在市場上占有一席之地，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。