從賽道到道路的旅程

Dave Priscak

半導體制造商如何通過電動方程式，設計出性能更好、能效更高的汽車器件，用于整個動力總成？

歷年來，那些為高性能、大預算的一級方程式（Formula 1）賽場開發的技術，后來都轉用到了批量乘用車上，這樣的“知識遷移”可支持我們今天所駕駛的汽車向更好、更安全、更高效的方向發展。

如今，電動方程式（Formula E）擁有相同的潛力，也可作為日常電動汽車（EV）的試驗場，例如，圍繞電池技術、電源管理、充電和再生制動的創新等都可遷移。

作為Formula E技術和商業運營的參與者，安森美半導體對從賽道轉向道路的技術可能性有著非常明確而廣博的見解，并可為主流電動汽車設計與制造元器件及系統解決方案，本文則主要講述了從Formula E技術遷移到電動汽車的機會、潛在好處及局限性等。

消費者對電動汽車僅依靠電池能行駛多遠感到擔憂，這是阻礙大規模采用電動汽車的一大主要原因，被稱為“里程焦慮”，擔心充一次電不能到達目的地。但其實仔細想想，大多數旅程能有多遠？

得益于現代電池技術和先進高效的動力傳動系統，很多電動汽車充滿電后的續航里程都已超過200英里，這個距離對大部分日常出行，如上下學、通勤、本地購物之旅都沒問題。可話雖如此，但我們仍有很大空間和強烈的愿望去進一步改進電池性能。

因為電池設計是一門電化學，所以電池性質可能很不穩定。Formula E與一些專注于設計高功率密度電池的公司進行合作，并使這些電池能在惡劣的賽車環境中安全使用。擁有標準化的電池系統可最大程度地減少極端加速/再生條件下的危險，并確保在發生碰撞時安全斷開連接。另外，賽車設計團隊還有一個公平的賽場，具有已知的電池阻抗和充電/放電特征曲線。不過，動力總成卻沒有強制的規范。各車隊都添加“秘方”以最大化加速度，提高再生能效和管理功率預算，以確保賽車完成比賽。各車隊還可專注于機電動力總成，借鑒Formula 1的機械設計和所用的動能回收系統。

由于Formula E的極端特性，賽車隊使用的嵌入式組件要比當前批量生產的電動汽車多得多，以便監控、控制和優化飛馳的賽車。在比賽中，設備會將實時數據傳輸到控制室進行處理和分析。記錄的數據如功率傳輸效率、溫度上升、再利用的能量百分比等，使車隊能夠改進從電池到車輪的動力總成運行軟件。

比賽結束后，車隊與行業合作伙伴分享此數據，以進一步優化動力總成的運行方式并提高性能。這類數據還有助于新產品開發，進而提高用于未來動力總成設計的組件的性能，而這種持續的改進過程不僅會使賽車隊合作伙伴在賽道上保持競爭優勢，而且還會使電動汽車的設計從不斷提高的專知水平和實際應用經驗中受益。然后，半導體制造商也可以從中設計出性能更好、能效更高和更可靠的器件，用于整個動力總成。

如今，硬件和軟件形式的電子產品都主導著新車創新，而軟件現已成為動力總成解決方案的重要組成部分。在當今電動汽車中，已運行著許多軟件配置，如牽引控制算法可調節和平衡車輪的驅動力，以確保在結冰的路面上安全行駛，或者在您踩下油門踏板時觸發再生制動。現代電動汽車變得越來越復雜，包含更多的驅動馬達和提供更高的自動駕駛水平。駕駛員可選擇自己喜歡的駕駛模式，如選擇日常通勤的里程，或者在越野或寒冷天氣條件下選擇全輪驅動（AWD）。

Formula E賽車最高時速可達174英里/時，但比賽本身僅持續45分鐘，因此優化是針對速度而不是續航里程。而消費類電動汽車的設計要最大化續航里程，且速度更低，不過兩種動力總成應用程序都大同小異。其相似之處在于兩種動力總成都力求最高的功率傳輸效率，并使用再生制動將動力回饋至電池以增加續航里程。此外，他們還使用先進的電機算法，這對于不同的運行模式來說至關重要。

當今，電動汽車的主電源母線通常為400V，800V動力總成還在開發中，且正迅速趨近Formula E的900V母線。其中，高壓、寬禁帶器件如SiC提高了功率密度，并支持使用較小的電動機，這將加快實現和采用高壓母線。

更高的電池電壓也將有助于解決快速充電的伏特/安培問題。但是，對于已安裝的電動汽車充電器底座來說，更改電池電壓可能還會出現其他問題。所以，未來的充電器可能會是數控的，以適應多種電壓。此外，電動汽車的電池充電速度也必須是靈活的，這取決于充電器的輸出能力。在可預見的將來，Formula E賽車和電動汽車都將使用12V母線系統，這是因為12V可為從傳感器到信息娛樂系統和舒適便利性的一切提供電源，但這并不一定意味著需要12V電池，高壓DC-DC轉換器如400V/800V、48V也都可轉換為12V。

越來越有必要在電動汽車中采用48V母線系統，因為許多電動機如驅動泊車輔助系統和電動渦輪增壓（eTurbo）的電動機，需要更高的電壓才能滿足不斷增長的扭矩要求。實現48V的解決方案是使用兩塊12V電池，然后將其升壓到48V。將來，可能會有一塊含多個電壓軌的高壓電池來滿足車輛周圍各電子負載的不同要求。

消費者期待商用電動汽車的充電時間與普通燃油汽車在加油站加油所需的時間相當。盡管第三代Formula E賽車的充電功率為600kW，可在30秒內輸出4kWh，但在可預見的將來是不太可能給消費類的電動汽車提供這類充電速度，因為大多數電網都不是為這樣的大規模電力傳輸而設計的。

限制充電速度的其他因素還包括充電器與電纜的電流容量、電池的阻抗、電池均衡等。由于更高的電壓會減小充電電流和傳輸損耗，因此將來可能會出現更高的電池電壓。我們有理由設想將類似于加油站或與加油站并置的充電站連接到1200V主電源，該電源能夠在數分鐘內為電動汽車充滿電，并帶來與傳統的燃油車加油時間相同的體驗。

Formula E的駕駛風格要求快速加速和超常的急剎車，這是因為賽車行駛路線曲折。由于制動與運行的比值很高，因此該環境非常適合能量回收。然而，急剎車產生能量所花的時間不足以將其存儲回電池中，這是個問題。

使用鋰離子電容器或超級電容器等技術可暫時存儲回收的能量并傳輸到電池中，或在下次加速時消耗掉。但這種方法實施起來可能會成本很高，并且，如果制動與運行的比值很低，從投資回報率來看，是沒有理由支出這筆費用的。不斷研究，這些知識最終將轉化用以實現更高效、更成本優化的消費類電動汽車系統上。

總而言之，賽車環境仍然是消費類汽車開發的寶貴試驗場，所獲得的收益和知識對汽車制造商和元器件開發人員都有幫助。了解器件和系統如何工作的最好途徑就是在現實世界中，而不是在基于實驗室的環境中，當環境像Formula E一樣具有挑戰性和極端性時，學習曲線也會陡峭而迅速。