电动重型汽车面临哪些挑战?

经济和气候问题正推动汽车工业向电气化方向发展。一般来说，汽车电气化带来了一些挑战，如高价格、低行驶里程和缺少充电器。在本文中，我们将集中讨论与电动中型和重型汽车(MHDVs)有关的技术挑战和趋势。

大电流SiC提高效率和功率密度

一辆电动汽车将储存在电池中的大约60%的电能转化为车轮上的动力。在这种低效率水平下，系统的冷却要求可能会很高，特别是在处理高功率系统时，如电动重型车辆。

eCascadia是一家制造大型电动钻机的公司，目前正在南加州进行试点测试。图片由纽约时报

为了解决热管理问题，MHDV制造商不能采用传统的IGBT解决方案，需要在传动系统中采用更高效的半导体开关，如碳化硅(SiC)器件。

典型的SiC器件可以在200°C左右的高温下工作，峰值温度超过600°C。这样，再加上更低的功率损耗，使得基于sic的解决方案的热管理更容易，并使一个更小更便宜的散热器成为可能。

SiC器件可以提高系统功率密度的另一个原因是这些器件可以在更高的开关频率下工作。这减少了电容和电感等无源元件的尺寸。

下面的图对比了丰田基于sic的动力控制部门只有硅的设计。

左为硅功率半导体的PCU，右为SiC功率半导体的PCU。图片由丰田

在这种情况下，SiC技术将功率控制单元的尺寸减小了约80%。从效率的角度来看，碳化硅工艺可以改善某些块体的性能，比如逆变器，与基于igbt的设计相比，提高了约77%。

SiC似乎是未来电动汽车的主要电源开关技术之一。然而，高电流SiC器件需要开发用于电动MHDV应用。目前，SiC开关可在相对较低的电流下使用，而MHDV通电需要200 A器件，额定结温为175°C。

基于pm和非基于pm的汽车

电动汽车应用的电动机应价格合理，并在零转速下提供高扭矩、高效率和高功率密度。

牵引电机的选择在很大程度上取决于应用要求。例如，感应电动机可能适用于可靠性和可负担性是关键因素的应用，而永磁同步电动机可能适用于通常需要巨大电涌的矿用卡车应用。

尽管应用程序的要求决定电机类型，一些一般趋势是可以观察到的:电动机的MHDV应用程序要么是基于pm或非pm的。基于pmv的电机通常提供最高的效率和功率密度，但由于磁铁的脆性，它们的成本很高，而且存在可靠性问题，特别是在MHDV应用的恶劣环境中。

非互调电机不能提供互调电机的效率和功率密度，但它们可以比互调电机的解决方案更经济和可靠。下表将基于pm的电机与其他常见技术进行了比较，包括直流电机、感应电机(IMs)和开关磁阻电机(SRMs)。

电力推进系统的评估。图片(改编)由Mounir Zeraoulia等

由于效率和功率密度，许多电动MHDVs目前都使用基于pm的电机。然而，考虑到粉末材料的可用性问题，研究人员正在尝试开发非粉末基电机，以更合理的价格提供粉末基电机的效率和功率密度。

电池成本的挑战

电动卡车的一个主要挑战是隐藏所需锂离子电池的成本。目前，电池组的成本估计为每千瓦时200美元。即使是每千瓦时100美元，一个500千瓦时的电池组也要5万美元。这大约是一辆传统卡车成本的30% !

值得一提的是，虽然研究人员试图通过创新技术逐步降低电池成本，但某些关键元素的可用性问题，如钴、镍和锂，可能是未来的问题，并影响电池价格。

这就是为什么研究人员正在寻找无钴锂离子电池以更实惠的价格提供高性能。