从赛道到道路的旅程

Dave Priscak

半导体制造商如何通过电动方程式，设计出性能更好、能效更高的汽车器件，用于整个动力总成？

历年来，那些为高性能、大预算的一级方程式（Formula 1）赛场开发的技术，后来都转用到了批量乘用车上，这样的“知识迁移”可支持我们今天所驾驶的汽车向更好、更安全、更高效的方向发展。

如今，电动方程式（Formula E）拥有相同的潜力，也可作为日常电动汽车（EV）的试验场，例如，围绕电池技术、电源管理、充电和再生制动的创新等都可迁移。

作为Formula E技术和商业运营的参与者，安森美半导体对从赛道转向道路的技术可能性有着非常明确而广博的见解，并可为主流电动汽车设计与制造元器件及系统解决方案，本文则主要讲述了从Formula E技术迁移到电动汽车的机会、潜在好处及局限性等。

消费者对电动汽车仅依靠电池能行驶多远感到担忧，这是阻碍大规模采用电动汽车的一大主要原因，被称为“里程焦虑”，担心充一次电不能到达目的地。但其实仔细想想，大多数旅程能有多远？

得益于现代电池技术和先进高效的动力传动系统，很多电动汽车充满电后的续航里程都已超过200英里，这个距离对大部分日常出行，如上下学、通勤、本地购物之旅都没问题。可话虽如此，但我们仍有很大空间和强烈的愿望去进一步改进电池性能。

因为电池设计是一门电化学，所以电池性质可能很不稳定。Formula E与一些专注于设计高功率密度电池的公司进行合作，并使这些电池能在恶劣的赛车环境中安全使用。拥有标准化的电池系统可最大程度地减少极端加速/再生条件下的危险，并确保在发生碰撞时安全断开连接。另外，赛车设计团队还有一个公平的赛场，具有已知的电池阻抗和充电/放电特征曲线。不过，动力总成却没有强制的规范。各车队都添加“秘方”以最大化加速度，提高再生能效和管理功率预算，以确保赛车完成比赛。各车队还可专注于机电动力总成，借鉴Formula 1的机械设计和所用的动能回收系统。

由于Formula E的极端特性，赛车队使用的嵌入式组件要比当前批量生產的电动汽车多得多，以便监控、控制和优化飞驰的赛车。在比赛中，设备会将实时数据传输到控制室进行处理和分析。记录的数据如功率传输效率、温度上升、再利用的能量百分比等，使车队能够改进从电池到车轮的动力总成运行软件。

比赛结束后，车队与行业合作伙伴分享此数据，以进一步优化动力总成的运行方式并提高性能。这类数据还有助于新产品开发，进而提高用于未来动力总成设计的组件的性能，而这种持续的改进过程不仅会使赛车队合作伙伴在赛道上保持竞争优势，而且还会使电动汽车的设计从不断提高的专知水平和实际应用经验中受益。然后，半导体制造商也可以从中设计出性能更好、能效更高和更可靠的器件，用于整个动力总成。

如今，硬件和软件形式的电子产品都主导着新车创新，而软件现已成为动力总成解决方案的重要组成部分。在当今电动汽车中，已运行着许多软件配置，如牵引控制算法可调节和平衡车轮的驱动力，以确保在结冰的路面上安全行驶，或者在您踩下油门踏板时触发再生制动。现代电动汽车变得越来越复杂，包含更多的驱动马达和提供更高的自动驾驶水平。驾驶员可选择自己喜欢的驾驶模式，如选择日常通勤的里程，或者在越野或寒冷天气条件下选择全轮驱动（AWD）。

Formula E赛车最高时速可达174英里/时，但比赛本身仅持续45分钟，因此优化是针对速度而不是续航里程。而消费类电动汽车的设计要最大化续航里程，且速度更低，不过两种动力总成应用程序都大同小异。其相似之处在于两种动力总成都力求最高的功率传输效率，并使用再生制动将动力回馈至电池以增加续航里程。此外，他们还使用先进的电机算法，这对于不同的运行模式来说至关重要。

当今，电动汽车的主电源母线通常为400V，800V动力总成还在开发中，且正迅速趋近Formula E的900V母线。其中，高压、宽禁带器件如SiC提高了功率密度，并支持使用较小的电动机，这将加快实现和采用高压母线。

更高的电池电压也将有助于解决快速充电的伏特/安培问题。但是，对于已安装的电动汽车充电器底座来说，更改电池电压可能还会出现其他问题。所以，未来的充电器可能会是数控的，以适应多种电压。此外，电动汽车的电池充电速度也必须是灵活的，这取决于充电器的输出能力。在可预见的将来，Formula E赛车和电动汽车都将使用12V母线系统，这是因为12V可为从传感器到信息娱乐系统和舒适便利性的一切提供电源，但这并不一定意味着需要12V电池，高压DC-DC转换器如400V/800V、48V也都可转换为12V。

越来越有必要在电动汽车中采用48V母线系统，因为许多电动机如驱动泊车辅助系统和电动涡轮增压（eTurbo）的电动机，需要更高的电压才能满足不断增长的扭矩要求。实现48V的解决方案是使用两块12V电池，然后将其升压到48V。将来，可能会有一块含多个电压轨的高压电池来满足车辆周围各电子负载的不同要求。

消费者期待商用电动汽车的充电时间与普通燃油汽车在加油站加油所需的时间相当。尽管第三代Formula E赛车的充电功率为600kW，可在30秒内输出4kWh，但在可预见的将来是不太可能给消费类的电动汽车提供这类充电速度，因为大多数电网都不是为这样的大规模电力传输而设计的。

限制充电速度的其他因素还包括充电器与电缆的电流容量、电池的阻抗、电池均衡等。由于更高的电压会减小充电电流和传输损耗，因此将来可能会出现更高的电池电压。我们有理由设想将类似于加油站或与加油站并置的充电站连接到1200V主电源，该电源能够在数分钟内为电动汽车充满电，并带来与传统的燃油车加油时间相同的体验。

Formula E的驾驶风格要求快速加速和超常的急刹车，这是因为赛车行驶路线曲折。由于制动与运行的比值很高，因此该环境非常适合能量回收。然而，急刹车产生能量所花的时间不足以将其存储回电池中，这是个问题。

使用锂离子电容器或超级电容器等技术可暂时存储回收的能量并传输到电池中，或在下次加速时消耗掉。但这种方法实施起来可能会成本很高，并且，如果制动与运行的比值很低，从投资回报率来看，是没有理由支出这笔费用的。不断研究，这些知识最终将转化用以实现更高效、更成本优化的消费类电动汽车系统上。

总而言之，赛车环境仍然是消费类汽车开发的宝贵试验场，所获得的收益和知识对汽车制造商和元器件开发人员都有帮助。了解器件和系统如何工作的最好途径就是在现实世界中，而不是在基于实验室的环境中，当环境像Formula E一样具有挑战性和极端性时，学习曲线也会陡峭而迅速。