電動汽車早在 100 年前就已風行一時。電動汽車安靜、可靠，而且無需費力轉動曲軸或換擋。一次充電后可以行駛 35 至 50 公里，有些車型能跑 100 公里以上。與汽油動力車相比，電動車更笨重、更緩慢、造價更高。電起動器和廉價汽油的出現將電動汽車擠出市場，直到最近，電動汽車才又重見曙光。

由于高油價、環保理念以及政府的支持，電動汽車又一次成為了市場熱門產品。“電動運輸協會”的數據顯示，2012 年，美國共銷售了 487,480 輛電動車/混合動力汽車，占國內汽車總銷量的 3.38%。A.T. Kearney 的分析師預計，至 2020 年，全球電動汽車市場價值將飆升到 $3400 億美元，占整個汽車市場的 10%-15%。

A.T. Kearney 認為，對污染的擔憂、能源獨立目標和高企的油價是電動汽車市場的主要驅動因素，而這一市場能否進一步發展，則在很大程度上取決于汽車電子產業的創新步伐。

踩下油門后

當司機踩下汽車的油門后，很清楚會發生什么。那么，當司機踩下電動汽車的油門時會發生什么呢？這取決于電動汽車的類型：

· 電動汽車（EV - 又名蓄電池電動汽車 (BEV)），代表產品包括日產 Leaf,、福特 Focus EV以及特斯拉 S 型，這些都是純電動汽車。

· 混合動力汽車 (HEV – 又名插電式電動汽車 (PHEV)），代表產品包括豐田 Prius 和雪佛蘭 Volt，這些汽車同時依靠電動機和燃氣發動機獲得動力。通用汽車將 Volt 稱為增程型電動車 (EREV)，即首先依靠電力來驅動，當蓄電池電量不足時切換到燃氣發動機給電池充電。

電動機在汽車發動時達到最大扭矩，隨著車輛速度提升，扭矩呈線性下降。而燃氣發動機僅在車輛高速行駛時達到高扭矩。為了在高速公路行駛時也能獲得靈敏的響應，將電動機和燃氣發動機結合起來不失為一種好辦法。

以下是混合動力汽車的兩種主要形式：

· 串行混合動力汽車，如雪佛蘭 Volt；

· 動力分配式或串行-并行混合動力車，如，豐田 Prius。

在串行混合動力驅動系統（見圖 1）中，電動機和燃氣發動機是串行工作的。就雪佛蘭 Volt 而言，汽車首先依靠電機驅動，直至電池電量低于某個水平，此時燃氣發動機啟動，為電機/發電機提供動力，從而驅動汽車。一般情況下，發電機僅用于為蓄電池組充電。在 Volt 中踩下油門后，會有大量電力輸送到牽引電動機，而牽引電動機就成為了前 35 英里左右的唯一動力來源。

圖1：串行混合動力驅動系統

Volt 采用 GM VoltecTM動力系統，包括一個小型燃氣發動機、一個大型電動機和一個行星齒輪組（將動力從電機輸送到車輪，必要時將動力從電機/發電機輸送到車輪）。三個離合器根據需要將電機、發電機或兩者連接到行星齒輪。

采用動力分配式或串行-并行驅動系統（見圖 2）時，電機或發動機都可以驅動汽車，在配合良好的情況下，兩者可以同時驅動汽車。和 Volt 一樣，Prius 以電動汽車模式發動，直至達到 25 mph 或 1 英里，此時轉換為常規模式，即發動機與電機協同工作。當發動機為傳動軸提供動力時，發電機會為電池充電，并為電機持續供電。

圖2：串行-并行驅動系統

豐田的混合動力協同驅動 (HSD) 系統使 Prius 能夠完全依靠電機驅動，除非需要為發動機增壓。它將電機和發動機同時連接到取代了標準變速箱的電子無級變速器 (e-CVT)。多個傳感器使電子控制單元 (ECU) 能夠在任何車速和載荷條件下以最高效率運行系統。

就 Volt 和 Prius 而言，由于電機所發揮的作用，使汽車得以采用更小、更節油的發動機。

電動機技術

高扭矩電動汽車的啟動速度極快。Tesla Roadster 從零加速至 60 mph 僅需不到 4 秒——可與保時捷 911 Turbo GT2 相媲美。

電動汽車采用各種各樣的電動機驅動。電機類型因汽車品牌和車型而各異。例如，Tesla Roadster 的兩款車型采用了 3 相 4 極 BLDC 電機，而最大的車型則采用了 3 相 4 極 AC 感應電機。Volt 和 Prius 采用的是同步永磁 (PM) 電機。

分析公司IDTechEx認為，2013 年電動汽車用電機的市場規模將達到 640 億美元。占據整個市場 60% 份額的是永磁同步電機（帶異步 AC 感應電機），既可驅動大型汽車，也可為高爾夫球車等小型設備提供動力（見圖 3）。由于成本低廉，許多廠商開始在大型汽車上改用異步電機。用于公路電動汽車/混合動力汽車的同步 PM 電動機則以性能、重量和尺寸取勝，而且由于其成本僅占汽車總價的 2% 至 10%，因此成本也不算大問題。

圖3：按車輛類型劃分的牽引電機技術（數據來源：IDTechEx）

在各種溫度條件和嘈雜環境下精確地驅動高扭矩 PM 電機是一大挑戰。圖 1 和圖 2 中所示的轉換器一般包含一個主逆變器（帶 IGBT 或功率 MOSFET，用于驅動電動機）、一個 DC/DC 轉換器（用于將電池組的高電壓降為 12V），以及小型逆變器（用于驅動 HVAC）。

Infineon FS75507N2E4EconoPACKTM2 IGBT 模塊包括六個 IGBT，其額定 VCES為650V，ICnom為75A，ICRM為150A。這些模塊用于驅動大型 PM 電機，額定溫度為 150°C，具備高短路能力和自限制短路電流。

STMicroelectronicsTD350E高級 IGBT/MOSFET 驅動器的流出和吸入柵極驅動電流分別為 1.5A 和 2.3A，提供 2 kV等級的 ESD 保護。其米勒箝位功能無需負柵極驅動，可調式雙級關閉功能可防止在關閉時因過電流或短路情況而導致過壓太大。

Texas Instruments 公司的TMS570LS Series MCU是高性能汽車級微控制器，適合對安全性有極高要求的應用。這些微控制器基于 ARM CortexTM-R4F，最高頻率為 160 MHz，包含三個 CAN 控制器、一個雙通道FlexRay控制器和兩個 UART (SCI) 接口（支持 LIN 2.0）。所有部件均經過 SIL3 認證，可用于汽車應用。

放開油門后

如果司機把腳從油門上移開會怎樣？當司機把腳從油門上移開或踩下剎車踏板時，主驅動電機將暫時充當發電機，為電池組進行部分充電。在這一模式中，電機對前輪產生阻力，使汽車減速，但并非完全停止。在汽車減速時，再生制動效應逐漸消失，然后摩擦制動器使汽車完全停止。

根據通用汽車的測量結果，Volt 因再生制動而實現的減速量為 0.315g。再生制動系統的效率略低于 75%，而發電機（充當發電機為電池組充電）的效率遠高于 90%。在汽車減速時，效率迅速降至 0.1g 以下，這時司機逐漸依靠摩擦制動器來剎車。

再生制動系統能夠有效地將前進動能重新轉化為電能，延長了電動汽車的續航里程。在實際應用中效果如何？當汽車沿著長長的山路下山時，再生制動系統可以顯著延長續航里程和摩擦制動器的壽命（盡管確切數字很難知曉）；但對于市區走走停停的交通狀況而言，再生制動系統效果并不明顯。

“胡蘿卜加大棒”政策

美國政府不僅出臺了各種法規來影響電動汽車的設計，還針對電動汽車的購買制定了許多激勵措施。這些獎懲合一的政策是電動汽車/混合動力汽車行業的主要推動因素。就“獎勵”而言，2009 年美國清潔能源和安全法案 (ACES) 為新購買的符合條件的插電式電動汽車提供高達 7,500 美元的稅收抵免。加利福尼亞州開展了環保車補貼項目，購買零排放汽車 (ZEV) 可再獲 2,500 美元的獎勵。

就“懲罰”而言，美國國家公路交通安全管理局 (NHTSA) 和環境保護署 (EPA) 聯合制定了國家級標準項目，要求新的客車和輕型卡車在 2025 年之前，將燃油經濟性從 2010 年的平均 27.5 mpg 提高至 54.5 mpg。根據這項要求，這些車輛的燃油經濟向將在未來 12 年內提高整整一倍，這是美國政府為推廣混合動力電動汽車而采取的強制措施，部分大型皮卡已開始采用這一標準。

對于現代化電動汽車/混合動力汽車而言，上述措施只是冰山一角，今后還會有大量的行業標準不斷變化發展，以規范和限制電動車的設計。主要的標準機構包括：

· 汽車工程師協會 (SAE)

· 美國國家標準協會 (ANSI)

· 美國保險商試驗所 (UL)

· 電氣與電子工程師協會 (IEEE)

· 美國電力研究院 (EPRI)

· 政府實驗室（Argonne、Oak Ridge、PacificNorthwest 等）

還有很多標準會對電動汽車/混合動力汽車的設計產生影響（見圖 4）。其它標準包括：

· J1772 連接器標準

· J2931 – 電動汽車服務設備

· J2836 – 通用信息（應用案例）

· J2847 – 電動汽車、電力部門、充電站和家庭門戶之間的電子通訊。

· J2953 – 互操作

· IEC 62196 – 電氣連接器

· UL 2231/2251/2594 – 人員保護系統；插頭和插座；電動汽車供電設備

如果你感到這些標準令人困惑而且彼此重疊，那你的感覺是對的，因為事實的確如此。ANSI 電動汽車標準委員會 (EVSP) 正試圖將這些標準進行分類整理，為電動汽車標準的相互協調制定路線圖。如能迅速完成這一目標，將大大促進電動汽車的生產，從而降低車價、提高使用率。

圖4：電動汽車標準（來源：美國能源部）

未來展望

電動汽車并不是一個新穎的概念，從一個開關加一個變阻器的最初形態到現在，電動車大大進化，但他們的行駛里程跟百年前相比卻沒有多大變化。電動汽車要想在市場上占有一席之地，必須變得更輕便、更快速、成本更低。完成這些挑戰需要依靠大量的工程創新，只有這樣，汽車行業在今后才能成為能夠吸引電氣工程師的領域。