车辆电气化是交通运输行业实现减排的途径

车辆电气化是交通运输业减排的途径

本文总结了重型车辆电气化的电力电子技术细节。通过研究由能源生成、储存、运输和消耗组成的价值链，可以帮助减少运输领域的碳排放，如图1所示。

本文总结了重型车辆电气化的电力电子技术细节。通过研究由能源生成、储存、运输和消耗组成的价值链，可以帮助减少运输领域的碳排放，如图1所示。

图1:基于清洁的可再生能源

电动运输

1. 简介

卡车、公交车和工程车辆也被称为重型车辆。据估计，这些车辆的碳排放量占交通领域的25%，占欧洲温室气体总排放量的6%。

由于在线业务活动的蓬勃发展，我们可以观察到跨大陆的长途运输业务的显著增长，以及城市商品配送和运营活动的增加，这并不局限于欧盟。根据美国交通局公布的数据[2]，美国卡车每年行驶里程约2960亿公里，燃烧汽油1130亿升，然后产生多达20亿升.二氧化碳量94亿公吨。

在法律法规和更严格的排放要求的推动下，越来越多的团队运营商转向使用零排放车辆。该行业认为，在世界上所有主要城市中，增加公共交通和减少私家车数量是减少大都市碳排放的另一个重要考虑因素。在这方面，使用零排放车辆是目标选择，最好与绿色可再生能源相结合。

超过 3.5 吨级重型车辆的电气化是涉及多学科的艰巨任务，也是功率半导体产品面临的特殊挑战。设计运行时间约为 8000 与典型的小时客车相比，卡车或公交车的使用寿命要长得多(包括使用寿命和正常运行时间)。一般目标要求为一年 360 天、每天8 到 10 小时运行时间。预计这些车辆每天行驶多达 400 公里，在 15 总里程超过年使用寿命 200 万公里。在这方面，城市交通中使用的公交车也面临着挑战，因为它们需要每天开车 200-300公里。此外，这些公交车固有的启停模式(start-stop-mode)它带来了更多的问题。

全电动重型车辆包含多个子系统，需要非常可靠的解决方案。 2 以电力电子设备为重点备为重点。

图2:重型车辆应用概述

经过十年的电池技术发展，汽车电池已经成为一种可行的解决方案，甚至是重型电动汽车。在过去的十年里，每千瓦时的电价已经下降了大约88%[3]。随着行业新材料、生产技术的发展和制造能力的不断提高，预计电价将进一步下降。与此同时，电池的能量密度继续增加，媒体不断报道技术突破的消息。

电池支持的充电循环次数是一个决定性的参数，代表了电池的使用寿命，因此非常重要。以往的凝胶铅酸电池技术可以提供数百个充电循环，而现代锂电池可以实现数千个充电循环。全球电池制造商正在努力进一步改进，并宣布可以实现1万多个循环和1000个循环 kWh/kg能量密度技术[4]。

所有这些因素使车辆电池方案变得越来越有吸引力，甚至对于长途车辆操作。下一个挑战是在合理的时间内给车辆充电，而所谓的合理性在很大程度上取决于车辆的使用。

作为当地客运工具的客车，最常见的选择是在轮班或夜间休息时间停在车站充电。在这种情况下，合理的时间是指公交车在停车站闲置几个小时。另一种选择是在专门的充电站充电。向电池注入足够的能量只需要几分钟的时间。由于可以在几个站点充电，可以考虑与停靠站充电相结合。

对于用于物流运营的卡车，就无法容忍花费几个小时充电的暂停作业。在这种情况下，必须在休息时间进行充电，而休息时间是驾驶员必须遵守的法律规定。未来没有驾驶员的自动驾驶卡车，甚至不需要休息。最理想的选择是在技术上实现最短时间充电。

因此，支持要将支持此类车辆运营的基础设施视为价值链的一部分。

2. 电化运输价值链

从可再生能源系统的发电到电解、传动系统、充电器和较小的车载应用，从几瓦到几兆瓦的设计可以在运输价值链上找到。

图3是连接部件的示意图。

图3:用于从发电到电能消耗的各个阶段

Littelfuse功率半导体产品

所有这些应用程序都需要使用高效可靠的电子系统。在这种恶劣的环境下，控制、保护、传感器和电力电子设备可以安全高效地处理能量传输。如图所示，Littelfuse产品可用于构建、运行和维护电动运输环境，采用可靠的部件。

3. 能量存储

为移动应用设备供电，存储电能的主要方法有三种，各有优缺点。

1. 电容器直接储存在电场中。电容器可以以非常高的速度充放电，从而提供极高的功率密度。此外，电容器不会像电池那样受到充电的影响，可以轻松实现数百万的充电循环。根据公式EC=1/2 C·U储存能量由电容器的容量和允许电压定义。在技术上，高压电容器只有低容量，反之亦然。因为电容器kWh/dm单位测量的能量密度低于电池，因此电池可以与电容器和电池相结合，提供高峰功率，电池作为主要的储能装置。

2. 在化学方面，能量储存在电池中。对于给定的电池化学，化学过程限制了充放电能力。现代锂离子电池每公斤可储存多达0.2到0.3kWh在目前的大多数应用中，电能很受欢迎。在循环稳定性方面，目前使用的化学物质可以实现数千次充放电循环。

3. 从化学过程中获得氢作为能量载体，并在第二步进行纯化。水通过电解分离成氧和氢，提供了使用可再生能源来支持过程的方法。在所谓的燃料电池中，氢和氧会依次反应并产生电能。今天，大多数可用的氢都是从石油和天然气中提取的蒸汽重组器。

4. 车辆和传动系统

如图4所示，重型车辆的传动系统在技术上与电动客车没有太大区别。

图4：电池电动车简化框图

重型车辆与客用车相比具有两项主要的区别。重型车辆的连续功率输出水平超过了客用车，在使用寿命方面也是同样。通常情况下，如果客用车的使用寿命是6000至8000个工作小时，那么卡车和公交车的使用寿命应该是它们的10倍之多。

尽管如此，商用车使用的电机大多是由二次逆变器控制的永磁同步电机，如图5所示。

图5：电动汽车传动系统的典型动力部分

图6显示了将氢气和氧气转化为水、热能和电能的燃料电池作为电源的扩展框图。大储罐中含有氢气，在加速过程中仍需提供峰值功率，并在恢复过程中储存能量。

图6： 电动使用燃料电池

车辆传动系统框图

此外，构成燃料电池与电池之间接口的DC-DC在转换器中，需要更多的电子电力设备。

压缩机是燃料电池传动系统固有的重要组成部分，它驱动强气流进入燃料电池，其中含有平衡氢气和氧气所需的氧气。

通过对燃料电池的仔细研究，我们可以了解压缩机的挑战。图7显示了氢转换所使用的部件。

图7：燃料电池能量转换系统

根据燃料电池所需的气体平衡，可估计150 kW连续运行所需的气流：

● 1 kg H2 和8 kg O2生成大约20 kWh电能

● 每小时需要7.5 kg H2 60 kg O2

● 1 m2空气重量为1.2 kg，含有0.24 kg氧气

因此，燃料电池必须每小时提供250 m3大气空气。由于燃料电池的负载可能变化很快，压缩机需要快速启动，通常需要在几分之一秒内从零加速到100%。由于这些要求，驱动压缩机逆变器的额定功率通常为20-40 kW。

要真正将基于燃料电池的车辆作为绿色技术，必须使用可再生能源来制造氢气。从石油或天然气中提取氢是一种技术选择，但这种所谓的黑氢(black hydrogen)副产品会出现，导致大量二氧化碳。

目前，该行业正在考虑将风能和太阳能等可再生能源的电力与电解操作相结合，将水分离成氢和氧气。特别是，如果用于消耗额外的电力，这是支持电网稳定性和产生氢作为副产品的好选择。世界各国都制定了将氢作为减少温室气体排放的基石技术的计划。

电解是直流电流驱动的应用。单个电解槽的正电压低于2V，但工业制氢可能需要数千安培电流。B12C拓朴结构是最常见的兆瓦（MW）级整流方案。

图8：带有B12C整流器的拓朴结构，又称B6C-2P

十二脉冲B12C拓朴结构也可视为两种B6C并联结构称为B6C-2P。即使没有光滑和滤波，也可以在直流侧实现非常低的电压波纹。AC-DC能量转换也能达到优异的效率。

相关电子电力器件采用压接封装管或 IGBT器件，通常安装在所谓的器件堆栈中。IGBT的额定电流高达4500 A，晶闸管甚至超过8000 A。这些器件可以轻易满足高电流要求。此外，压接封装的短路故障(short-on-fail)特性带来了更好的可靠性和系统可用性。