【導讀】本文概述了重型車輛電動化方麵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：基於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you於yu線xian上shang業ye務wu活huo動dong蓬peng勃bo發fa展zhan，可ke以yi觀guan察cha到dao跨kua越yue各ge大da洲zhou的de長chang途tu交jiao通tong運yun輸shu業ye務wu出chu現xian相xiang應ying的de大da幅fu增zeng長chang，以yi及ji城cheng市shi內nei的de物wu品pin配pei送song運yun營ying活huo動dong不bu斷duan增zeng加jia，這zhe種zhong狀zhuang況kuang並bing不bu限xian於yu歐ou盟meng地di區qu。根gen據ju美mei國guo交jiao通tong局ju公gong布bu數shu據ju[2]，在美國卡車車輛每年行駛裏程大約為2960億公裏，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(zai)法(fa)規(gui)和(he)更(geng)嚴(yan)格(ge)的(de)排(pai)放(fang)要(yao)求(qiu)推(tui)動(dong)下(xia)，車(che)隊(dui)運(yun)營(ying)商(shang)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)轉(zhuan)向(xiang)使(shi)用(yong)零(ling)排(pai)放(fang)車(che)輛(liang)。業(ye)界(jie)認(ren)為(wei)在(zai)全(quan)球(qiu)範(fan)圍(wei)所(suo)有(you)主(zhu)要(yao)城(cheng)市(shi)中(zhong)，提(ti)升(sheng)公(gong)共(gong)交(jiao)通(tong)以(yi)減(jian)少(shao)私(si)家(jia)車(che)數(shu)量(liang)是(shi)減(jian)低(di)大(da)都(dou)市(shi)碳(tan)排(pai)放(fang)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)考(kao)慮(lv)。在(zai)這(zhe)個(ge)方(fang)麵(mian)，使(shi)用(yong)零(ling)排(pai)放(fang)車(che)輛(liang)運(yun)營(ying)是(shi)目(mu)標(biao)選(xuan)擇(ze)

，最(zui)好(hao)與(yu)綠(lv)色(se)的(de)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)相(xiang)結(jie)合(he)。

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麵臨的特殊挑戰。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 公裏，在 15 年使用壽命期間總計行駛裏程超過 200 萬公裏。在這方麵，城市交通中使用的公交車同樣麵臨挑戰，因為它們單日需要行駛 200-300公裏。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係統，這些子係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(jing)過(guo)十(shi)年(nian)來(lai)的(de)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)，車(che)輛(liang)電(dian)池(chi)成(cheng)為(wei)了(le)一(yi)個(ge)可(ke)行(xing)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，甚(shen)至(zhi)對(dui)於(yu)電(dian)動(dong)重(zhong)型(xing)車(che)輛(liang)亦(yi)然(ran)。在(zai)過(guo)去(qu)十(shi)年(nian)中(zhong)，每(mei)度(du)電(dian)的(de)價(jia)格(ge)已(yi)經(jing)下(xia)降(jiang)了(le)大(da)約(yue)88%[3]。youyuyejiekaifaxindecailiaoheshengchangongyi，yijizhizaonenglibuduanzengjia，yujidianjiahaijianghuijinyibuxiajiang。tongshi，dianchidenengliangmiduchixuzengjia，meitibuduanbaodaoyouguanjishutupodexinwen。

dianchikezhichidechongdianxunhuancishushijuedingxingcanshu，zhedaibiaozhedianchideshiyongshouming，yinerfeichangzhongyao。xianqiandeningjiaoshiqiansuandianchijishuketigongjibaicichongdianxunhuan
，erxiandaidelidianzidianchizekeyidadaojiqiancichongdianxunhuan。quanqiufanweidedianchizhizaoshangdouzainulishixianjinyibudegaishan，bingqieyijinggongbulekeshixianchaoguo10,000次循環和高達1 kWh/kg能量密度技術[4]。

所suo有you這zhe些xie因yin素su使shi得de車che輛liang電dian池chi方fang案an變bian得de越yue來lai越yue有you吸xi引yin力li，甚shen至zhi對dui於yu長chang距ju離li車che輛liang運yun營ying亦yi如ru此ci。接jie下xia來lai的de挑tiao戰zhan是shi在zai合he理li時shi間jian內nei為wei車che輛liang充chong電dian，而er所suo謂wei的de合he理li與yu否fou，很hen大da程cheng度du上shang取qu決jue於yu車che輛liang的de使shi用yong情qing況kuang。

對(dui)於(yu)作(zuo)為(wei)當(dang)地(di)載(zai)客(ke)工(gong)具(ju)的(de)客(ke)運(yun)公(gong)交(jiao)車(che)，最(zui)常(chang)見(jian)的(de)選(xuan)擇(ze)是(shi)在(zai)輪(lun)班(ban)或(huo)夜(ye)間(jian)的(de)休(xiu)息(xi)時(shi)間(jian)停(ting)靠(kao)在(zai)車(che)站(zhan)裏(li)充(chong)電(dian)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)形(xing)下(xia)，合(he)理(li)時(shi)間(jian)是(shi)指(zhi)公(gong)交(jiao)車(che)閑(xian)置(zhi)在(zai)停(ting)靠(kao)站(zhan)中(zhong)的(de)幾(ji)個(ge)小(xiao)時(shi)。另(ling)一(yi)個(ge)選(xuan)擇(ze)則(ze)是(shi)在(zai)專(zhuan)門(men)的(de)充(chong)電(dian)站(zhan)點(dian)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)。由(you)於(yu)隻(zhi)有(you)幾(ji)分(fen)鍾(zhong)的(de)時(shi)間(jian)，需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)的(de)充(chong)電(dian)功(gong)率(lv)才(cai)能(neng)向(xiang)電(dian)池(chi)注(zhu)入(ru)足(zu)夠(gou)的(de)能(neng)量(liang)。由(you)於(yu)可(ke)在(zai)幾(ji)個(ge)站(zhan)點(dian)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)，可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)與(yu)在(zai)停(ting)靠(kao)站(zhan)充(chong)電(dian)的(de)方(fang)式(shi)相(xiang)結(jie)合(he)。

對(dui)於(yu)用(yong)於(yu)物(wu)流(liu)運(yun)營(ying)的(de)卡(ka)車(che)，就(jiu)無(wu)法(fa)容(rong)忍(ren)花(hua)費(fei)幾(ji)個(ge)小(xiao)時(shi)充(chong)電(dian)的(de)暫(zan)停(ting)作(zuo)業(ye)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，必(bi)須(xu)在(zai)休(xiu)息(xi)時(shi)間(jian)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)，而(er)休(xiu)息(xi)時(shi)間(jian)是(shi)駕(jia)駛(shi)員(yuan)必(bi)須(xu)遵(zun)守(shou)的(de)法(fa)律(lv)規(gui)定(ding)。未(wei)來(lai)沒(mei)有(you)駕(jia)駛(shi)員(yuan)的(de)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)卡(ka)車(che)，甚(shen)至(zhi)不(bu)需(xu)要(yao)休(xiu)息(xi)。最(zui)理(li)想(xiang)的(de)選(xuan)擇(ze)是(shi)在(zai)技(ji)術(shu)上(shang)實(shi)現(xian)最(zui)短(duan)時(shi)間(jian)充(chong)電(dian)。

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

從可再生能源係統的發電到電解
、傳動係統
、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範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：用於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係統。在這個嚴苛的環境中，控製、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產品可以用於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

對於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zai電dian場chang中zhong使shi用yong電dian容rong器qi直zhi接jie能neng量liang儲chu存cun。電dian容rong器qi能neng夠gou以yi非fei常chang高gao的de速su率lv進jin行xing充chong電dian和he放fang電dian，從cong而er提ti供gong極ji高gao的de功gong率lv密mi度du。除chu此ci之zhi外wai，電dian容rong器qi不bu會hui像xiang電dian池chi那na樣yang受shou到dao充chong電dian的de影ying響xiang，可ke以yi輕qing鬆song實shi現xian數shu百bai萬wan次ci充chong電dian循xun環huan。根gen據ju公gong式shiEC=1/2 C·U2，儲存能量由電容器的容量和允許電壓而定義。在技術方麵，高電壓的電容器隻有低電容量，反之亦然。由於電容器以kWh/dm³為單位測量的能量密度低於電池，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.      在化學方麵，能量儲存在電池中。對於給定的電池化學，充放電能力受到化學過程的限製。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。在循環穩定性方麵，目前采用的化學物質可以實現幾千次充放電循環。

3.      從cong化hua學xue過guo程cheng中zhong獲huo取qu作zuo為wei能neng量liang載zai體ti的de氫qing氣qi，並bing在zai第di二er步bu中zhong進jin行xing純chun化hua。通tong過guo電dian解jie將jiang水shui分fen離li成cheng氧yang氣qi和he氫qing氣qi，提ti供gong了le使shi用yong可ke再zai生sheng能neng源yuan來lai支zhi持chi過guo程cheng的de方fang法fa。在zai所suo謂wei的de燃ran料liao電dian池chi中zhong

，氫qing氣qi和he氧yang氣qi會hui依yi次ci反fan應ying並bing產chan生sheng電dian能neng。今jin天tian大da多duo數shu可ke用yong的de氫qing氣qi是shi使shi用yong蒸zheng汽qi重zhong組zu器qi從cong石shi油you和he天tian然ran氣qi中zhong提ti取qu出chu來lai的de。

4. 車輛與傳動係統

如圖4框圖所示，重型車輛的傳動係統在技術上與電動客用車的並沒有太大的區別。

圖4：電池電動車輛的簡化框圖

重(zhong)型(xing)車(che)輛(liang)與(yu)客(ke)用(yong)車(che)相(xiang)比(bi)具(ju)有(you)兩(liang)項(xiang)主(zhu)要(yao)的(de)區(qu)別(bie)。重(zhong)型(xing)車(che)輛(liang)的(de)連(lian)續(xu)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)水(shui)平(ping)超(chao)過(guo)了(le)客(ke)用(yong)車(che)
，在(zai)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)方(fang)麵(mian)也(ye)是(shi)同(tong)樣(yang)。通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)
，如(ru)果(guo)客(ke)用(yong)車(che)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)是(shi)6000至8000個工作小時，那麼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
，由二級逆變器控製，如圖5所示。

圖5：電動車輛傳動係統的典型動力部分

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，並在恢複期間儲存能量。

圖6： 使用燃料電池的電動

車輛傳動係統框圖

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。

燃料電池傳動係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麵的挑戰。圖7是使用氫氣進行能源轉換所使用部件示意圖。

圖7：燃料電池能量轉換係統

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。由於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。由於這些要求，驅動壓縮機之逆變器的額定功率通常為20-40 kW。

如(ru)要(yao)真(zhen)正(zheng)將(jiang)基(ji)於(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)車(che)輛(liang)作(zuo)為(wei)一(yi)項(xiang)綠(lv)色(se)技(ji)術(shu)

，就(jiu)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)來(lai)製(zhi)造(zao)氫(qing)氣(qi)。從(cong)石(shi)油(you)或(huo)天(tian)然(ran)氣(qi)中(zhong)提(ti)取(qu)氫(qing)氣(qi)是(shi)一(yi)個(ge)技(ji)術(shu)選(xuan)項(xiang)，但(dan)這(zhe)種(zhong)所(suo)謂(wei)的(de)“黑氫”(black hydrogen)會出現副產品
，也就是導致大量二氧化碳產生。

目mu前qian
，業ye界jie正zheng在zai考kao慮lv將jiang風feng能neng和he太tai陽yang能neng等deng可ke再zai生sheng能neng源yuan的de電dian力li與yu電dian解jie運yun作zuo相xiang結jie合he，從cong而er將jiang水shui分fen離li成cheng氫qing氣qi和he氧yang氣qi。特te別bie地di
，如ru果guo用yong於yu消xiao耗hao多duo餘yu的de電dian力li
，這zhe種zhong做zuo法fa是shi支zhi持chi電dian網wang穩wen定ding性xing以yi及ji生sheng成cheng氫qing氣qi作zuo為wei副fu產chan品pin的de很hen好hao選xuan項xiang。世shi界jie各ge國guo紛fen紛fen製zhi訂ding計ji劃hua

，要yao將jiang氫qing氣qi作zuo為wei減jian少shao溫wen室shi氣qi體ti排pai放fang的de基ji石shi技ji術shu。

電解是直流電流驅動的應用。單個電解槽的正向電壓低於2V，但在工業製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

十二脈衝B12C拓樸結構

，也可以視為兩個B6C結構的並聯
，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係統可用性。

來源：Littelfuse

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻
、圖片
、文字如涉及作品版權問題
，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

電路分析中的ZT和DFT

靜電放電保護器件種類與特點

三角脈衝信號的卷積

超寬壓鐵路電源方案的分析與對比

從製造向智造邁進，可編程邏輯控製器方案的設計與實現