关于电动交通你需要知道的事

未来是属于电动交通的时代:这项技术可推动清洁、安静和高效汽车的应用。要想充分发挥出电动动力传动系统的众多优势,仍有一些挑战需要克服。但重大突破就在眼前。

面对气候变化、石油短缺和空气污染,未来的交通急需解决的就是如何实现二氧化碳中和。相比内燃机汽车,电动汽车和混合动力汽车排放的废气可谓少之又少。因此,只要所用电能是源自可再生能源,电动交通就是实现碳中和目标的重要方式之一。据波士顿咨询集团(Boston Consulting Group)预测,到2030年,电动汽车的市场份额将达到50%。然而,电动化交通转型究竟意味着什么呢,它将带来哪些影响呢?

何为电动交通?

电动交通是指使用电动汽车,以及电动自行车或脚踏车、电动摩托车、电动巴士及电动卡车。它们有三个共同点:(1)完全或部分使用电力驱动;(2)拥有车载储能装置;(3)主要从电网获取能量。电动汽车噪音小、高效、排放少,目前主要在城市里使用,适合用于递送服务或用作出租车和共享汽车。

混合动力汽车融合了两种动力系统技术。短途旅行通常可以依靠电力驱动,而长途旅行因为有内燃机也不成问题。混合动力汽车不仅能使用在车辆滑行或制动时回收的电能,还能插入插座充电,因此也被称之为“插电式混合动力汽车”。混合动力汽车被视为纯电动汽车时代到来之前的一种过渡技术。

电动交通目前为何如此重要?

排放对气候和环境有严重影响:越来越多二氧化碳被排放到大气中,导致地球变得越来越暖。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)开展的调查,在全球的二氧化碳排放总量中,23%来自于交通。电动汽车可提供应对之道:与汽油车和柴油车不同,它们在行驶过程中不排放任何二氧化碳。然而:从真正意义上来说,只有电池生产和驱动电能生产来自可再生能源,电动汽车才能实现二氧化碳中和。

低排放汽车也意味着更好的空气质量,进而对人的健康产生积极影响——尤其是城市人口。在城市生活的人口数量将不断增长:联合国《2014年世界城市化展望》报告得出的结论是,到2050年,全球几乎70%的人口将生活在城市地区。

用于生产汽油和柴油的石油等化石燃料属于有限资源,所以以此为燃料的内燃机即将被淘汰。至于这些资源还能维持多久尚无定论。据《2017年世界能源统计回顾》,按照目前的消耗水平推算,全球目前已探明的石油储量还能维持将近50年。为了让替代动力系统能站稳脚跟,许多国家出台激励措施鼓励购买电动汽车——比如,挪威大力补贴电动车。

电动汽车的工作原理

电动汽车的设计

电能储存在充电电池中。被称之为逆变器的装置将电池的直流电转变成驱动电机的交流电。转换效率越高,电池充满电时汽车的续航里程越长。最后,电机将电能转变成机械能:电机获取这种能量产生磁场。它们的吸引力和排斥力产生旋转运动。

电动汽车的其它核心组件还有DC-DC转换器。它能将电池的高压电(100-400伏以上)高效地转变成适用于电子组件的低压电(12或(如适用)48伏)。

电动汽车如何充电——需要多长时间?

电动汽车必须通过插座充电才能获得移动的电能。根据德国联邦电动车协会的调研,80%的车主是通过家里的插座给电动车充电。充电时间至少为8小时,具体时长取决于车型和电池。但是,不是每个插座都能容许大量电能长时间流过。在家中安装充电盒可解决这个问题,它能将充电速度提升四倍左右。在公用交流(AC)充电站充电也需要很长时间,但在直流(DC)快速充电站只需一小时就能充满电。其原因是电动汽车中的电池必须充入直流电,但来自公共电网的电能是交流电。它首先必须通过车载逆变器转变成直流电。这就是为什么在AC充电站充电需要的时间长于DC充电站。后者在充电之前就将电能转变成可以直接输送给汽车电池的直流电。这些快速DC充电站充电效率更高,但因为成本高昂目前还较为稀少。使用这两种充电站都需要专用电缆。凭借超高功率充电桩和改良电池等高效技术,电动汽车所需的充电时间不久将能缩短到20分钟甚至更短。

电动汽车需要消耗多少电能?

用千瓦时(kWh)/100公里衡量电动汽车的耗电量。轻量化的小型电动汽车耗电量低,不到7 kWh/100公里。其它亚紧凑型车和紧凑型车的耗电量大概为11-13 kWh/100公里。高档电动汽车耗电量有时可达18 kWh。但是,因为拥有特别大的电池,它们的续航里程最长可达600公里。

电动交通的发展历史

电动交通被认为是当今时代的一大潮流,但准确的说,它并非我们这个时代的发明成果。早在1867年内燃机出现之前,维尔纳·冯·西门子(Werner von Siemens)就在巴黎的世界博览会上展出他根据电机发电原理发明的发电机。该发明在各个场合实现了低成本和灵活的发电,也为日常生活、工业界和汽车的电气化提供了可能。

19世纪末,第一台搭载电机的汽车问世。比利时人Camille Jenatzy甚至凭它在1899年创造出新的速度纪录:它是所有车型中第一个达到100 km时速的汽车。从19世纪末开始,火车和电车开始通过高架电线或轨道电缆获取能量。从来自1900年的数据中可以看出,电动汽车在20世纪初仍然普遍存在:在美国公路上,22%的汽车为内燃机车,40%由蒸汽驱动,另外38%为电力驱动。内燃机在那时有一个缺点:起动困难。直到1911年电动起动机发明时,汽油驱动才开始取代其它类型的动力系统。

从那时起,电动汽车沦落为利基产品,虽然它们从未完全消失过。到了20世纪90年代中期,丰田在市场上推出普锐斯(Prius)混合动力车型。2008年, Californian Roadster成为首款适合高速公路长途旅行的电动车。

你知道吗?人类历史上的第一辆汽车是电动汽车!

你知道吗?人类历史上的第一辆汽车是电动汽车!

1881年,法国工程师Gustave Trouvé发明了世界上第一辆装有电机和电池的三轮车。它可达到10 km/h的速度——这在当时算是相当危险的速度了。直到1886年,第一辆奔驰内燃机车才问世。

电动汽车如今能跑多快?

因为没有变速箱,所以相比汽油车或柴油车,电动汽车加速更平稳、更快速。但它们能达到的最大速度是多少呢?小型电动汽车最高可达到120 km/h。美国的跑车最高可加速到200 km/h。目前,世界上最快的电动汽车是来自克罗地亚汽车制造商Rimac:它的 C_Two车型“ roars”在公路上可达到400 km/h的时速。

电动汽车目前能跑多远?

当前,大多数电动汽车充一次电可以续航150-350公里,因此更适合在城市里使用。只有高档车型目前可以续航500公里以上。然而,许多因素都会影响续航里程:外部温度过高或过低会、使用无线电或空调系统、不断地加速和制动都会加快电力消耗,使续航里程缩短。

电动汽车的使用情况如何?

电动汽车在全球范围内可谓遍地开花。根据德国汽车管理中心(CAM)的调研,2017年,德国共售出5.4万辆电动汽车和插电式混合动力汽车。这意味着德国电动汽车销量达到世界第四的位置。名列榜首的中国2017年共售出77.7万辆电动汽车和插电式混合动力汽车。中国希望通过严格的法规推动电动汽车发展,从而确保到2020年公路上至少能有500万辆电动汽车。中国将从2019年开始实施生产配额制,目标是:一开始只要求每10辆新车中必须有一辆是电动车;但从2020年开始,电动车的比例必须上升到12%。美国和挪威在电动汽车销量上分别占据第二和第三的位置。但这个北欧国家的电动汽车销量占比为世界第一。

挪威:先行者

挪威:先行者

挪威是推广电动汽车的典范国家:2017年,得益于政府的大力补贴政策,该国电动和混合动力汽车的注册量首超内燃机车。挪威政府对传统汽车征收重税,但购买清洁汽车无需缴税。此外,挪威还对电动汽车实行减税优惠,并免收使用收费公路和国营轮渡的费用。从2025年开始,在挪威只能销售零排放汽车。

越来越多制造商不仅推出电动汽车,还推出适合日常使用的电动商务车——梅赛德斯e-Vito和雷诺Master Z.E.将在2018年上市。 DHL已成为首屈一指的电动货车制造商之一:由它开发的5,000台“StreetScooters”电动车已在德国市内投入使用,长期目标是让公司的所有货车都变成电动车。

电动交通的优势

电动汽车正在改变我们的出行方式——不仅仅是因为它们更加环保。电动汽车的成本高于同类的汽油车或柴油车——这主要是因为电池生产成本高,虽然它的价格在过去几年已有下降。但是,电比化石燃料便宜。而且,电动汽车的维修保养需求较少。电动汽车无需更换机油和滤清器,也不存在排气系统、正时皮带或 V型皮带。内燃机有大约2,500个组件需要制造和组装,但电机只有250个。电动汽车可通过空中软件升级(SOTA)进行快速升级。但是,这也适用于所有联网汽车,即,能访问互联网的汽车。

电动汽车中使用的锂离子电池使用寿命长,能量密度高,能多次充电。它们只在使用8到10年后才损失一些充电容量,但并不存在缺陷,只是储存的电能减少。如今用于电动汽车的大多数电池都拥有20-60千瓦时的充电容量。

电动汽车中的电池未来还可用于维持智能电网稳定。如果大部分电能是来自风能和太阳能,就会存在一个问题:电能供需可能因气象条件而无法保持平衡。此时,依靠智能汽车充电技术,可以存储阳光充裕时生产出的过剩电能。反之,它也可将汽车不再需要的过剩电能送回电网。通过在家中的屋顶上安装光伏发电系统,电动汽车车主可以减少对外部电源的依赖;而如果再装上充电盒,他们甚至不需要去充电站了。通过家中的额外储能手段,也可收集能量以供阳光不足时使用。

碳化硅和硅之间的比较:电池变小,功率变大

碳化硅和硅之间的比较:电池变小,功率变大

电动汽车中的电子元件必须强大而高效,因为它们对汽车能跑多快和多远都有影响。用碳化硅(SiC)制造的功率半导体将在该领域树立新的标准。相比硅(Si),碳化硅所能承受的载荷及应力都更大,但需要消耗的能量却减少——即使在高温下。由于相比硅元件开关速度提高,且传导功率损耗降低,碳化硅能以更高效、更简练的方式转换电能。损耗降低也意味着电池的冷却需求减少。这可提高能效,并减少电池上面的散热器数量,从而使电池更小巧、更轻量。

电动汽车性能优良,且效率远高于内燃机车:在电动汽车动力系统中,输入的能源与可使用的能源之比大约为90%。而汽油机的这一数字仅为35%,柴油机仅为45%。其它能源都以热量等形式被损失掉。此外,电动汽车还具有下列优势:由于能迅速获得高转矩,电动汽车可更快地从静止状态加速。它们可在逆变器的帮助下在制动时回收能量,并将其送回到电池中。这一效应被称作“能量再生”。电动汽车在有些国家和城市可以享受特殊权利:在德国,电动汽车在汉堡和斯图加特可以免费停车,在多特蒙德可以使用公交车道。而挪威的电动汽车司机还能拥有更多特权。

由于高效的汽车电池仍然非常昂贵,电动汽车价格平均而言仍高于同类的内燃机车。那么哪些人购买电动车更划算呢?德国的应用生态研究所进行了一次抽样计算:假设每年的行驶里程是9,000公里,使用寿命为8年,则电动车的总拥有成本低于传统的内燃机车。你可以登陆研究所的网站,亲自计算一遍。

电动汽车面临的挑战

尽管优势很多,但电动汽车除了目前价格仍然较高之外,还面临着许多其它的挑战。电动汽车噪音很小。这意味着可以大幅降噪,尤其是在市区和主干道上。行人和自行车首先必须适应这一点。然而,在低速行驶时,电动汽车会安静到可能根本听不到它的声音。正因为如此,欧盟才要求自2019年7月起新开发的车型必须装上“车辆声音警示系统(AVAS)”:当车速在20 km/h以下时,它们必须发出类似于汽油车或柴油车的电子噪声。当电动汽车行驶速度较快时,必须能听到由轮胎产生的噪音。自2021年7月起,欧盟的所有新电动汽车和混合动力汽车都必须安装 AVAS。

要想确保电动汽车实现真正意义上的零排放,必须先确保它们所用的电能是来自可再生能源,而非燃煤电厂,与此同时,电池的生产也必须实现二氧化碳中和。使用可再生能源也是德国政府的一项目标:德国政府在一篇有关能源转型的文件中表示,这是让“电动汽车能够完全发挥出环境和气候益处”的唯一途径。据国际清洁交通委员会(ICCT),就气候足迹而言,电动车最多需要三年时间就能超越柴油车或汽油车。该机构称,如果成本高昂、资源密集的电池生产过程能变得更环保,这一优势还会更加明显。

电动汽车的吸引力完全取决于电池:汽车在电池的驱动下能跑多远,电池的成本是多少,电池有多重?电池还有改进的空间。新技术以及用半导体材料碳化硅(SiC)制造的元件,必须具有更高的效率和最佳性能。根据咨询公司德勤(Deloitte)的调研,续航里程短是目前许多人不敢购买电动车的主要原因。然而,我们当中的大多数人如今已经可以放心地利用电动车来完成许多旅行了。德国联邦环境部称,德国人在80%以上的用车时间里行驶的里程平均少于40公里。美国人秋季平均每天行驶31.5英里,冬季26.2英里。挪威人平均每天行驶47.2公里左右。

其他受访者批判道,充电站网络仍需改进。据杜伊斯堡-埃森大学(University of Duisburg-Essen)的汽车研究中心对“Zeit Online”证实,在德国的50个最大城市中,每11,800个居民只有一个充电站。在挪威首都奥斯陆,每488个居民有一个充电站,而在荷兰首都阿姆斯特丹,每650个居民有一个公用充电站。光奥斯陆就有1,300个充电站,而根据德国联邦网络局统计,整个德国在2018年3月总共只有大约5,000个充电站和不到1万个充电点。但这一数字一直在增长。德国政府希望到2020年全国能有1.5万个充电站。中国的目标更加远大:到2020年在全国建成480万个新充电点——在2017年末拥有大约19万个充电点。

美国的大多数充电点都分布在加州:洛杉矶、旧金山和圣何塞。然而,不同国家的充电基础设施彼此相差甚远,缺乏统一的标准。英飞凌作为会员加入的CharIN Initiative(国际充电标准制定协会)希望改变这一现状:高效的联合充电系统(CCS)将被发展成为唯一的全球标准。

英飞凌对电动交通的贡献

在“清洁、安全和智能”原则的指引下,英飞凌与制造商和供应商携手打造未来的汽车。且看我们所取得的成功:在2017年的10款最畅销纯电动汽车和插电式混合动力汽车中,有8款采用了英飞凌的芯片。英飞凌首席执行官Reinhard Ploss表示:“电动汽车正在以惊人的速度向前发展。从我们的订货簿中就能看出这一点。”

然而,虽然电动汽车和插电式混合动力汽车远比采用传统动力系统的汽车节能,但它们仍有许多地方需要优化,包括必须最大限度降低功率损耗,最大限度实现电能节省,以及提高总体性能。英飞凌提供一系列适用于各种系统的功率半导体组件。它们可压缩驱动与电子元件的成本,同时提高能效。一般而言,如果电动汽车变得越来越普及,市场对半导体的需求就会急剧上升。英飞凌认为,在未来的新开发项目——比如车载充电器、逆变器或 DC-DC转换器等——中,会用到越来越多拥有碳化硅功率半导体的组件。

查看交互式汽车图表,进一步了解英飞凌在电动交通领域的业务细分

主逆变器

它是电动车传动系统中的核心组件,负责控制电池和电机之间的能量流动。该逆变器的功率级旨在最大限度地减少损耗,并提高热效率。电动车的续航里程与逆变器效率密切相关,因为它还能将回收的制动能送回电池。

详细的技术信息

DC/DC转换器

电动车中的电子组件所需的电压水平不同。DC/DC转换器可将高压电池的电压转换成12V供电系统的电压。设计师正致力于最大化该转换过程的效率,并压缩所需的空间。

详细的技术信息

辅助逆变器/转换器

在电动车中,空调、电动助力转向系统、PTC发热体、油泵和冷却泵等均已被电气化,并集成到供电系统中。由于这些辅助系统如今都要依靠来自高压电池的宝贵电能才能运行,设计师正致力于打造“按需供电“解决方案,以期提高它们的能效。

详细的技术信息

车载充电器

电动车中的所有电子系统都需要从电池获取电能。通过车载充电器,司机可以通过任何标准电源插座为电池充电。然而,不同国家的电压和电流水平不同,系统设计师希望能设计出灵活性更高、功率密度更大且体型小巧的充电器。

详细的技术信息

英飞凌与宝马(i3和i8)、现代和中国初创公司蔚来等电动汽车领域的佼佼者建立了密切的合作关系。蔚来在慕尼黑成功打造出最大输出功率为480千瓦的电动汽车ES8。它和许多其它电动汽车中都使用了英飞凌的许多组件。

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在巴伐利亚铸造灵魂的中国SUV

英飞凌为纯电动汽车NIO ES8供应核心组件。

充电速度更快,续航里程更长

市场越来越需要能让电动车充电速度更快、续航里程更长的技术。它们是确保电动汽车能够站稳脚跟的两个重要条件。英飞凌拥有面向汽车内部电源和整个DC充电装置的半导体。新建充电站可以使用英飞凌能将充电时间缩短至20分钟的半导体。基于碳化硅(SiC)的新技术是实现快速充电的关键之所在。到2020年,全欧洲将建成400座Ionity超级充电站。

诸如有源电池平衡之类的创新,已将电池容量、续航里程和使用寿命增加了10%以上。但是,还有许多潜在的方法可以提高电动车效率,其中包括:让电池只在需要时才供能,将暖通空调系统设计得尽可能高效。最重要的是,给电动车充电需要灵活的开关结构;毕竟,充电器必须能够适应不同国家的不同电压水平和电流强度。英飞凌拥有种类多样、功能强大且高能效的组件及相应的专业知识,可帮助解决这些类似的需求。

未来的电动汽车

尽管发展前景非常诱人,但电动汽车目前尚处于起步阶段——这不仅是因为它目前的市场份额很低,技术制约也是很关键的一个原因。要想让电动汽车不负所望,必须降低汽车和电池价格,扩大充电站网络,让充电站变得更智能,同时电动汽车还须达到能够投放市场的能效水平。许多东西都在改变,尤其是能效。企业和研究人员不断努力改进电池。用基于水而非锂盐的电解液初步测试电池听上去非常有前途。特殊的盐溶液可使水的电化学稳定性提高一倍。这有可能帮助打造出安全、高效和低成本的新型电池技术。

在明斯特大学物理化学研究所的Martin Winter教授看来,到2020年,电池容量可能增加至现在的250倍。电池越好,电动车的续航里程越长,充电时间越短——这是促使用户选择电动车的两大关键诱因。电动汽车要想站稳脚跟,建立全面的充电站网络也很关键。如果有更多厂商开始生产电动车,并且电池价格也能下降,电动车在几年之内就可能取得突破性成功。正因为如此,物理学家和电动车专家Richard Randoll才大胆地预测:到2022年,全世界每10辆新车中至少有一辆是电动车。

电动车的潜在替代品:氢燃料车

电动车的潜在替代品:氢燃料车

氢燃料车同样是由电机驱动,但它们用燃料电池代替蓄电池。通过氢和氧之间的化学反应产生电能。氢燃料车没有排放物,唯一的副产物是水蒸汽。它目前面临的问题是:自然界中不存在纯态氢气,必须花费很大代价用水和天然气反应来制备。

重要问题和答案一览

电动交通是指使用电动汽车,以及电动自行车或脚踏车、电动摩托车及电动巴士。它们有三个共同点:(1)完全或部分使用电力驱动;(2)拥有车载储能装置;(3)主要从电网获取能量。

电能储存在充电电池中。被称之为逆变器的装置将电池的直流电转变成驱动电机的交流电。转换效率越高,电池充满电时汽车的续航里程越长。最后,电机将电能转变成机械能:电机获取这种能量产生磁场。它们的吸引力和排斥力产生旋转运动。

电动汽车的其它核心组件还有DC-DC转换器。

电动车更环保。如果是用可再生能源生产电池及充电,它们可实现零排放。电动汽车的维修保养需求较少;它们不像内燃机有许多容易磨损的零部件。内燃机有大约2,500个组件需要制造和组装,但电机只有250个。电动汽车还可通过空中软件升级的方式进行快速升级。

电动汽车中使用的锂离子电池使用寿命长,能量密度高,能多次充电。通过在家中的屋顶上安装光伏发电系统,电动汽车车主可以减少对外部电源的依赖;而如果再装上充电盒,他们甚至不需要去充电站了。电动汽车性能优良,且效率远高于内燃机车:在电动汽车动力系统中,输入的能源与可使用的能源之比大约为90%。而汽油机的这一数字仅为35%,柴油机仅为45%。

在低速行驶时,电动汽车会安静到行人和自行车可能根本听不到它的声音。因此,当车速在20 km/h以下时,它们未来必须人为地制造噪音。要想确保电动汽车实现真正意义上的零排放,必须先确保它们所用的电能是来自可再生能源。电动车的续航里程还可进一步增加;电池还未达到理想状态。然而,大多数车主如今已经可以放心地利用电动车来完成许多旅行了:许多国家的车主平均每天的行驶里程不到50公里。另一个问题是,充电站网络仍需改进。市场越来越需要能让电动车充电速度更快、续航里程更长的技术。英飞凌拥有面向汽车内部电源和整个DC充电装置的半导体。新建充电站可以使用英飞凌能极大地缩短充电时间的半导体。

许多人认为内燃机正逐渐被淘汰;鉴于内燃机技术的现状,电动动力系统可能在不久的将来取而代之。但要想实现这个目标,必须降低汽车和电池价格,扩大充电站网络,让充电站变得更智能,同时电动汽车还须达到能够投放市场的能效水平。企业和研究人员不断努力改进电池,以期增加续航里程,缩短充电时间——这是促使用户选择电动车的两大关键诱因。此外,充电站网络也在不断地扩展。

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