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电动汽车获得牵引力,但仍然存在挑战

预计30%的汽车将由2030年全电动,通过对技术的大规模投资来推动。

受欢迎程度

电池供电的电动车预计将在2019年出货量方面达到里程碑,但该技术面临着几个重要的障碍,以获得市场上更广泛的采用。

有限的驾驶范围,高成本,电池问题以及多点充电基础设施是电池电动车(BEV)的主要挑战。此外,有各种功率半导体和其他设备存在问题。

这有助于解释为什么在电池和汽油上​​运行的混合动力车,今天更受电池电动汽车更受欢迎。但是,在中国和其他地方快速增长,加工商和几家中国供应商正在加快贝夫市场的努力。根据IHS Markit的数据,全球电池电动车的生产预计将达到2019年的200万标志,而2018年生产的139万辆。根据国际能源机构的说法,到2030年,预计所有汽车的约占电动汽车的约占电动机。

这听起来很令人印象深刻,但电动汽车今天只占所有乘用车的1%至3%。“这绝对脱离了高复合年增长率,但它来自一个非常小的基础,”电力产品高级总监Moxey May Moxey说狼甜。“仍然,电池电动车的一部分与制造的车辆的总数相比非常小。”

一些地区的生长率比其他地区更快。例如,由于环境问题,中国全球最大的电火车市场制定了各种国家政策。根据Frost&Sullivan的数据,中国2019年中国电力汽车市场的份额预计2019年将达到57%,从2018年的55.5%。“如果您走出深圳的机场,例如,占地90%的出租车是电动汽车。到2021年,这是不遥远的,中国的每辆车都需要纯粹的电气,“Moxey说。“中国可以通过政府立法来实现方向。在欧洲或北美方面不容易做到。“

尽管如此,贝夫斯仍面临几项挑战,以在所有地区获得更多牵引力。“虽然它们可能是可持续性和对环境影响的较低,但有一些权衡涉及,”TechItnsights的分析师Jim Hines表示。“对于大多数人来说,当他们想到电池电动车时,他们正在思考短的范围,高成本,也许我需要在我家中安装充电站。有预概念可能会阻止某些消费者甚至考虑电动车。“

其中一些看法是错误的,而另一些则不是。不过,与传统汽车一样,纯电动汽车制造商也面临着许多技术和成本方面的挑战。“在可靠性、资格和功能安全方面,还有一些很高的障碍需要克服。而且还有一些相对较高的成本压力。”

所有人都告诉,BEV和基础设施必须改善。否则,它将仍将成为利基市场。即使是市场领导者Tesla也在成本,质量和盈利问题中面临着一些逆风。


图1:汽车市场的增长。来源:IHS.

电池,充电问题
BEV已经存在了几十年。第一辆现代电动车于1996年出现,当时通用汽车推出了2002年的eV1。1997年,丰田推出了普锐斯,一个混合。

随着时间的推移,电动汽车已经进化,今天的消费者有多种选择。宝马(BMW)、戴姆勒(Daimler)、福特(Ford)、通用汽车(GM)、日产汽车(Nissan)、特斯拉(Tesla)、丰田汽车(Toyota)、大众汽车(VW)等公司正在向电动汽车领域投资数十亿美元,并在扩大市场规模。比如,特斯拉(Telsa)最近推出了Y型SUV,这款SUV的售价为3.9万美元,续航里程为230英里,续航里程为300英里,售价4.7万美元。

Bevs与传统汽车不同,由内燃机(冰)提供动力。由锂离子电池供电,BEV由三个主电源块 - 一个板载充电器,DC-DC转换器和牵引逆变器。


图2:电池电动汽车内部。来源:罗门哈斯

牵引逆变器将电池的能量转换为牵引电机,从而推动车辆。车载充电器从电网为电池充电。一个DC-to-DC转换器降低功率以降低电压。这是用来控制门,加热器和窗户。

电动机比冰更有效,但这不是BEV的大卖点。“一个关键因素是消费者接受”,IHS Markit的分析师Ian Fletcher说。“这倾向于被其他因素喂养,例如技术的进入成本,没有补贴或对EVS的一定程度的优先待遇使它们具有吸引力。该技术呈现的限制也仍然是许多客户的关注,不仅具有范围,而且在需要时为EV充电的时间以及一些市场中的仍然稀疏的充电基础设施。“

与此同时,与之前一样,电动汽车面临的最大技术挑战是锂离子电池。今天的锂离子技术已经达到了极限。其他电池技术还在研发中,预计在一段时间内不会出现。

“锂离子电池的能量密度通过材料和设计的进化改进,在市场上的28年存在下几乎四倍,”技术人员的成员Philippe Vereecken说:Imec。“锂离子电池的能量密度目前可以提供400至500公里的有限驾驶范围(249至311英里),而消费者希望驾驶范围为700公里(435英里)或更多。此外,锂离子电池的高成本使得EV昂贵。“

在冰动力汽车中,它是每加仑数英里的衡量。BEV的能量消耗以每100英里(kWh / 100英里)以千瓦时计量。“平均而言,电力距离30千瓦时,可达100英里。罗伊姆的应用工程师Mitch Van Ochten表示,千瓦时,如果您提供1,000瓦,则为1,000瓦,“rohm应用工程师Mitch Van Ochten表示。

Bevs由带锂离子电池的电池组组成。为了延长驾驶范围,OEM正在增加电池组的能量水平。例如,Tesla的型号S有100千瓦时(kWh)电池组,而且一次相比60到70kWh。

“电池的容量是用千瓦时(kWh)来衡量的,这是一种能量度量单位。电池的能量密度增加越多,给定电池的能量容量就越高。”“对于电动汽车来说,电池组的设计受到电池组大小和质量的限制。有一部分是不可能让它变大的,因为我们给飞行器增加了太多的质量。其他性能指标开始受到影响。质量是操纵、加速和刹车的敌人。质量越大,就越难在这些绩效指标上取得好结果。”

还有其他问题。然而,房间里的大象一直是这些复杂的电池组的成本,这导致了凯西帕德真正的分析师Jed Dorsheimer表示,这导致EV贴纸价格有意义地高于传统的ICE-Powered对手。“

分析人士称,电池成本已从2010年的1000美元/千瓦时降至2018年的200美元/千瓦时。“我们的预期是,当锂离子电池的价格普遍接近100美元/千瓦时的门槛时,电动汽车的渗透率将呈指数变化,”Dorsheimer说。

这解决了一个问题。下一个大挑战是充电基础设施。电动汽车的充电分为一级、二级和三级。在第一级,汽车通过车载充电器将汽车插入120伏交流家用插座充电。加通贝祥(Canaccord Genuity)的数据显示,充电一辆车平均需要17个小时。

在2级,车辆将在家中的240伏电源中插入到Home或外部充电站。根据公司的说法,这需要3.5到7个小时。

Level 3涉及一个基于480伏特系统的独立直流快速充电单元。充电时间更快,但这些充电单元不适合家庭安装。相反,消费者必须把车开到一个独立的充电站,就像开车去加油站一样。

在美国,目前没有足够的充电站。根据Canaccord的说法,美国总共有150,000个加油站,与10,000个公共EV充电站相比。

这给消费者带来了一个问题,也带来了一些心理上的影响。该公司战略营销总监卢埃林•沃恩-埃德蒙兹(Llewellyn Vaughan-Edmunds)表示:“基础设施相当重要。应用材料。“现在,有一种焦虑叫”焦虑的里程范围。“有一个偏执狂,电池将耗尽。”

这在一些城市周围的城镇周围不成问题。“我会说60%的人口每天15英里内的电动汽车旅行。“埃德蒙德斯说,你可以每天上班,并每天都有一个收费,”埃德蒙德斯说。

大问题是长途旅行,收费站并不总是可用的。在回应中,特斯拉,私营公司和联盟正在整个美国安装快速充电站,当然,这是巨大的投资。

“每个人都专注于快速充电,试图让那种远程行程的焦虑,”Vaughan-Edmunds说。“通过设置更多支持充电站,他们正试图更快地启用电动车辆采用率。但而不是依靠公用事业或政府委员会在建立电动汽车充电器时,他们正在将自己的举措作为一组或财团建立起来。这个想法是合作,使电动车充电器,并将它们放在正确的位置。这确实是鼓励公众开始购买电动汽车。“

可靠性和效率
电池和充电问题不是唯一的挑战。提高子系统和设备的效率,可靠性和成本也是至关重要的。

确保汽车电子产品的可靠性对所有汽车都至关重要,尤其是电动汽车。“我们如何设计汽车,我们如何与汽车互动,以及汽车如何与其他设备互动,都会影响汽车引擎盖和车内的半导体,”三星营销高级副总裁Steven Liu表示联华电子。“许多新的电气部件正在升级并添加到主要的子系统中,例如ADA,信息娱乐和电力传动系统。”

还有其他可靠性问题。“EVS和混合动力车的最大挑战是微控制器如何优化EV内所有不同组件的功率效率,从高到低端设计,以确保长期设计灵活性,”刘说。“电源转换系统对现代EVS至关重要。集成功率设备的稳健性和可靠性是汽车电力IC设计和制造的关键挑战。此外,片上存储器解决方案需要符合AEC-Q100标准,以满足严格的工作温度规格。“

此外,一些原始设备制造商也在高级节点上集成芯片,这还有其他含义。“当你有几年的时间来调试你的流程时,你自然会有更高的可靠性,”Jay Rathert说,他是战略协作的高级总监克拉。“但是当您在那里放置7nm和10nm零件时,这些过程仍然有很多成熟。仍有很多系统的缺陷和整合挑战尚未调试。“

使汽车更高效也是至关重要的。为此,该行业专注于系统中的三个主电源块 - 车载充电器,DC-DC转换器和牵引逆变器。

oem在电源模块中使用功率半导体和其他组件。功率半导体的设计是为了提高效率和最小化系统中的能量损失。它们是一种特殊的晶体管,可以作为开关,使电源在“开”状态下流动,在“关”状态下停止。

主导功率半导体类型基于硅,即功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。功率MOSFET用于高达900伏的应用。IGBTS,领先的中间功率半导体用于400伏到10千伏的应用。

这两种类型都有一些限制。“当你从600到900伏时,硅MOSFET很好,但他们开始失去一些蒸汽。igbts是良好的沉重升降机,但它们并不快速或效率,“沃尔夫飞行的Moxey说。

这就是为什么该行业对两个宽带隙技术 - 碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)感兴趣。与基于硅的设备相比,GAN和SIC基本电源芯片更快,有助于消除系统中的功率损耗。然而,Gan和SiC的设备更昂贵。

“IGBT是一个开关。碳化硅MOSFET是开关。碳化硅MOSFET可以比IGBT更快地切换批量。关闭和上的过渡是更快的,所以你浪费了更少的力量。所以你得到一个高效的开关。碳化硅是一种宽带间隙材料。这是宽带隙和硅之间的差异。这是交换性能,“Applied的Vaughan-Edmunds说。

在纯电动汽车中,目标是提高电源模块的效率。“所有的街区都消耗电力。它们转化电力,但它们也浪费电力。他们不是100%的有效率。当你有一个电量固定的电池时,你不想浪费任何东西。”“例如,如果你在DC-to-DC转换器或车载充电器中使用碳化硅,它们的效率要比硅高1%到2%。它们不仅更高效,而且在相同的功率等级下,功率密度也更高。他们是小的。对于汽车来说,尺寸和重量是非常重要的。”

基于GAN和SIC的功率器件正在BEV中进行进入,但它们不广泛用于某些电源块。例如,牵引逆变器包含一个功率半导体网络。OEM主要使用IGBts,这在此处具有成本效益的解决方案。

例外是特斯拉的模型3,它正在为牵引逆变器使用SiC MOSFET。其他OEM在这里探索SIC MOSFET,但由于成本考虑而言,大多数人不会跳上潮流。“目前,IGBT在牵引反相器中使用了很多。碳化硅就像高级解决方案。碳化硅会发生什么是成本下降,你会在主流中看到它,“Apply的Vaughan-Edmunds说。

这是一个不同的故事,用于车载充电器。本机具有三个子系统 - 输入级,功率因数校正(PFC)电路和DC-TO-DC转换器。(此转换器与DC-DC转换器电源块不同。)

PFC电路将输入电流形状,然后最大化系统中的功率电平。PFC包含功率半导体,二极管和其他组件。“您从墙壁上拍摄AC源并获得受控的直流电压。您必须将AC和功率因数纠正到DC中。然后,使用DC-TO-DC转换器来调节输出直流电压,“WolfSpeed的Moxey解释说。

对于开关,OEM使用超结件功率MOSFET。这些是膨胀功率MOSFET的这些设备适用于这些任务。然而,OEM在PFC中包含SiC二极管,而不是硅二极管。SiC二极管不会加快充电时间,但它们使充电器更有效并减小组件的大小。

“二极管是一种装置,该装置在一个方向上通过电力并挡住相反方向。该功率因数校正电路中至少有一个或有时涉及两个二极管。您选择的二极管会影响该功率因数校正电路的效率,“Rohm的Van Ochten表示。“从输入到输出没有完美的效率就没有这样的东西。功率因数校正也是如此。如果您想要最好的效率,请使用该功率因数校正电路中的碳化硅二极管。最少95%的人建立PFC电路选择该电路中的碳化硅二极管。只有传统的硅二极管,他们独自会让你获得更好的效率百分比。“

从那里,DC-DC转换器采用PFC创建的直流电压。“充电器的下半部分采用PFC创建的直流电压,它转换为您正在使用的电池的适当电压。除了将其转换为适当的电压之外,它还将电池及其电路与电源电路分离出来,“Van Ochten表示。“该变压器将车辆从电源中分离出安全目的,并将电压改为适当的电平,无论您有400伏电池还是800伏电池。它通过变压器来实现这一点。“

这是GaN适合的地方,至少对于一些OEM。“即可将电源因数校正的直流快速打开和关闭以驱动变压器。它必须通过变压器进行交流。他说,该交流可能是50千赫尔兹或200千赫兹或甚至是一个兆赫兹,“他说。“在Megahertz上不能驾驶碳化硅或超接线MOSFET,但您可以在该频率下驾驶GAN。这就是人们挑选GaN的东西,所以他们可以使用更高的频率交流来进入该变压器并使用较小的变压器。所以,GaN会驱动变压器的主要。您可以打开和关闭该DC的速度越快,您可以使变换器变小。你可以推到一个megahertz,也许可以超越。“

自驾车?
牵引逆变器和充电器是在BEV的过程中的工作。然后,对于所有汽车,下一个大事是自驾驶汽车和先进的驾驶员辅助系统(ADAS)技术。

自动驾驶汽车还在研发阶段,但ADAS已经在这里了。ADAS涉及汽车的各种安全功能,如自动紧急制动、车道检测和后方物体预警。

在ADAS领域,“1级”是指汽车中一个或多个控制功能的自动化,而“2级”是指两个或多个控制功能的自动化。3级和4级包括更多的自动驾驶能力。“Level 5”是全自动驾驶,方向盘可选。

更先进的汽车是二级。这包括特斯拉的ADAS技术,称为自动驾驶导航。这使得司机可以自己操纵高速公路的交叉路口,不需要确认车道变道,但司机需要保持或监督方向盘。

“这仍然是我将作为下一代驾驶员援助功能的特征,”TechInsights的Hines表示。“它仍然需要司机参与监督能力。我自己经历过。你必须定期触摸车轮,让它知道你在那里。但它基本上一切都很好,特别是在高速公路上。它也将对非高速公路进行。在高速公路和停止和去的交通上,这就是特斯拉所有者喜欢它的地方。“

自动驾驶功能可能吸引一些消费者。连接是BEV的销售点。“WiFi在车内连接基础设施中发挥了重要作用,例如高清视频流,相机,显示共享和软件更新,”UMC的刘说。“蓝牙提供高保真语音和流式音频支持。”

最终,5G将使用Sub-6GHz功能输入图片,然后是MMWAVE。“对于外出的连接,例如5G需要在28GHz的自动级1,38GHz,高速和高带宽通信。在MM波前面,随着CMOS几何形状变小,FMAX变得更高,能够以更好的成本为更高的频率,“Liu补充道。

但对于纯电动汽车,消费者关心的是标价,更不用说续航时间和充电问题了。即使这样也可能不够。什么将有助于推动需求?“这里有几个因素,”TechInsights的海恩斯说。“其中之一是需要开展关于电动汽车的消费者教育和市场宣传。”

尽管如此,BEV仍然会继续进入,尽管可能与许多人那么快。但显然,EVS不再是一个新颖的项目。他们在这里留下来。

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3评论

汉克沃克 说:

另一个因素是充电基础设施的标准化。所有150k加油站都是标准的。各种不同的充电标准意味着任何一个车辆的充电网络小于总数。

Mark Lapedus. 说:

嗨汉克。同意。这是一个重要因素。根据Canaccord真的,有三种不同的DC快速充电插头或端口标准-CCS,Chademo,Tesla。来自GM和BMW的汽车支持CCS端口,而日产和其他人则支持Chademo港口。特斯拉有自己的电荷港口标准。好消息?一组电气化美国是一家独立公司,专注于在美国部署DC快速充电站。“从特斯拉增压器网络的一个关键点,限于特斯拉插头车辆;VW Eightify America Network将不可知为品牌,并建立以使用任何插件格式的所有EV,“根据Canaccord。

狮子座星球 说:

据估计,全球电动汽车市场估计到2020年底的价值为7.1b美元,预计到2028年的价值为172.5亿美元,重大复合年增长率为49.1%。根据经络市场顾问。市场巨头,美国的Tesla全部设定在印度介绍它的电动汽车,从销售开始,然后考虑在需求要求时开始在印度组建。此外,梅赛德斯奔驰正在推出最大的行业挑战之一,其中电池供电的推出:销售小型电动_CARS而无需巨大的利润挤压。由于这种因素,全球电动汽车市场预计将在未来几年目睹大幅增长。

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