电动汽车获得动力，但挑战依然存在

电池驱动的电动汽车预计将在2019年达到一个里程碑，但该技术要想在市场上得到更广泛的采用，还面临着几个重大障碍。

电动汽车(bev)面临的主要挑战包括行驶里程有限、成本高、电池问题以及充电基础设施参差不齐。此外，各种功率半导体和其他器件也存在问题。

这有助于解释为什么混合动力汽车(既使用电池又使用汽油)今天比仅使用电池的电动汽车更受欢迎。但随着中国和其他地区的快速增长，汽车制造商和几家中国供应商正在加速进军纯电动汽车市场。根据IHS Markit的数据，预计2019年全球电动汽车产量将达到200万辆，而2018年的产量为139万辆。根据国际能源署(International Energy Agency)的数据，到2030年，预计约30%的汽车将是电动的。

这听起来令人印象深刻，但电动汽车目前只占所有乘用车的1%到3%。该公司电力产品高级总监盖伊•莫西(Guy Moxey)表示:“它绝对是在以高复合年增长率起飞，但基数非常小。Wolfspeed．“尽管如此，纯电动汽车的比例与汽车总产量相比还是非常小。”

一些地区比其他地区增长更快。例如，中国是世界上最大的电动汽车市场，由于环境问题，已经围绕该技术制定了国家政策。根据Frost & Sullivan的数据，中国在电动汽车市场的份额预计将从2018年的55.5%上升到2019年的57%。“例如，如果你走出中国深圳的机场，90%的出租车都是电动汽车。到2021年，也就是不远的将来，中国的每一辆公交车都必须是纯电动的。”“通过政府立法，中国可以很容易地把握方向。这在欧洲或北美并不容易做到。”

不过，纯电动汽车要想在所有地区获得更多的吸引力，还面临着几个挑战。techhinsights的分析师吉姆·海恩斯(Jim Hines)说:“虽然从可持续发展的角度来看，它们可能很棒，对环境的影响也较小，但其中也存在一些权衡。”“对于大多数人来说，当他们想到电池电动汽车时，他们想到的是行程短、成本高，也许我需要在家里安装一个充电站。有些先入之见可能会阻止某些消费者考虑购买电动汽车。”

有些看法是错误的，而另一些则是正确的。尽管如此，纯电动汽车制造商仍面临着许多与传统汽车相同的技术和成本挑战。“在可靠性、合格性和功能安全性方面，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。”

总之，纯电动汽车和基础设施必须改善。否则，它仍将是一个利基市场。即使是市场领导者特斯拉也面临成本、质量和盈利能力等问题。

图1:汽车市场增长。来源:IHS

电池、充电问题
纯电动汽车已经存在了几十年。第一辆现代电动汽车出现在1996年，当时通用汽车推出了EV1, 2002年放弃了这款汽车。1997年，丰田推出了混合动力车普锐斯。

随着时间的推移，电动汽车不断发展，如今消费者有了多种选择。宝马(BMW)、戴姆勒(Daimler)、福特(Ford)、通用(GM)、日产(Nissan)、特斯拉(Tesla)、丰田(Toyota)、大众(VW)等公司都在电动汽车领域投资了数十亿美元，并正在扩大在市场上的努力。举个例子，特斯拉最近推出了Model Y，这是一款SUV，续航230英里的售价为3.9万美元，续航300英里的售价为4.7万美元。

纯电动汽车与传统汽车不同，传统汽车由内燃机(ICE)驱动。纯电动汽车由锂离子电池供电，由三个主要电源模块组成——车载充电器、dc - dc转换器和牵引逆变器。

图2: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，从而推动车辆前进。车载充电器从电网为电池充电。DC-to-DC变换器将电源降压以降低电压。这是用来控制门，加热器和窗户。

电动马达比内燃机效率更高，但这并不是纯电动汽车的一大卖点。IHS Markit分析师伊恩•弗莱彻(Ian Fletcher)表示:“一个关键因素是消费者的接受度。”“不过，这往往会受到其他因素的影响，比如在没有补贴的情况下，技术的入门成本，或者对电动汽车给予某种程度的优惠以使其具有吸引力。该技术的局限性也仍然是许多客户担心的问题，不仅是续航里程，还包括充电所需的时间，以及一些市场的充电基础设施仍然匮乏。”

与此同时，与以往一样，最大的技术挑战是电动汽车中的锂离子电池。今天的锂离子技术已经达到了极限。其他电池技术正在研发中，预计在一段时间内不会出现。

“通过材料和设计的不断改进，锂离子电池在市场上存在的28年里，其能量密度几乎翻了两番，”该公司技术人员菲利普·弗里肯(Philippe Vereecken)说Imec．“目前锂离子电池的能量密度只能提供400至500公里(249至311英里)的有限行驶里程，而消费者希望行驶里程达到700公里(435英里)或更长。此外，锂离子电池的高成本也使电动汽车变得昂贵。”

在ice驱动的汽车中，油耗是以每加仑英里数来衡量的。纯电动汽车的能源消耗是以千瓦时每100英里(kWh/100英里)来衡量的。“平均来说，行驶100英里需要30千瓦时的电力。1千瓦时是指1小时1000瓦的发电量，”罗姆公司的应用工程师米奇·范·奥克滕(Mitch Van Ochten)说。

纯电动汽车由一个锂离子电池组组成。为了延长行驶里程，整车厂正在提高电池组的能量水平。例如，特斯拉的Model S有100千瓦时(kWh)的电池组，而一次只有60到70千瓦时。

“电池的容量以千瓦时(kWh)为单位，这是一种能量计量单位。电池的能量密度越高，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。有一定数量的重量是不可能再增加的，因为我们给飞行器增加了太多质量。其他性能指标开始受到影响。质量是操纵、加速和制动的敌人。规模越大，就越难在这些绩效指标上取得好成绩。”

还有其他问题。Canaccord Genuity分析师杰德•多尔谢默(Jed Dorsheimer)表示:“然而，房间里的大象一直是这些复杂电池组的成本，这导致电动汽车的定价明显高于传统的ice动力汽车。”

分析师表示，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。Dorsheimer表示:“我们预计，当锂离子电池价格普遍接近100美元/千瓦时的临界值时，电动汽车的渗透率将呈指数级变化。”

这解决了一个问题。下一个巨大的挑战是充电基础设施。对于电动汽车，有三个级别的充电- 1级，2级和3级。在第一级，通过车载充电器将汽车插入120伏的家用交流电源插座即可充电。Canaccord Genuity的数据显示，给一辆汽车充电平均需要17个小时。

在第2级，汽车连接到家里或外部充电站的240伏电源。据该公司称，这需要3.5到7个小时。

第三级涉及基于480伏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，消费者必须把汽车开到一个独立的充电站，就像开车去加油站一样。

在美国，目前没有足够的快速充电站。根据Canaccord Genuity的数据，美国总共有15万个加油站，而公共电动汽车充电站只有1万个。

这给消费者带来了一个问题，还有一些心理上的影响。“基础设施是相当重要的，”卢埃林沃恩-埃德蒙兹，战略营销总监应用材料．“现在，有一种焦虑叫做‘焦虑里程范围’。’人们偏执地认为电池会用完。”

在一些城市，这个问题在城镇周围没有那么严重。“我想说，60%拥有电动汽车的人每天行驶的距离不超过15英里。你可以每天充电上下班，没有任何问题。”沃恩-埃德蒙兹说。

最大的问题是长途旅行，充电站并不总是可用的。作为回应，特斯拉、私人公司和财团正在美国各地安装快速充电站，这当然需要大量投资。

沃恩-埃德蒙兹说:“每个人都专注于快速充电，试图减轻长途旅行的焦虑。”“他们正试图通过建立更多的支持性充电站来加快电动汽车的普及。但他们不是依靠公共事业公司或政府董事会来建立电动汽车充电器，而是作为一个团体或财团来建立自己的倡议。他们的想法是合作，制造电动汽车充电器，并将它们放置在正确的位置。这样做是鼓励公众开始购买电动汽车。”

可靠性和效率
电池和充电问题并不是唯一的挑战。提高子系统和设备的效率、可靠性和成本也至关重要。

确保汽车电子设备的可靠性对所有汽车都至关重要，尤其是纯电动汽车。“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，都会影响引擎盖下和机舱内的底层半导体，”英特尔市场营销高级副总裁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，如ADAS、信息娱乐系统和电力系统。”

还有其他可靠性问题。“电动汽车和混合动力汽车面临的最大挑战之一是，微控制器如何优化电动汽车内部所有不同组件的功率效率，从高端到低端设计，以确保长期设计的灵活性，”Liu说。“动力转换系统对现代电动汽车至关重要。集成功率器件的鲁棒性和可靠性是汽车功率IC设计和制造的关键挑战。此外，片上存储解决方案需要符合AEC-Q100标准，以满足严格的工作温度规范。”

然后，一些原始设备制造商在高级节点上集成芯片，这有其他影响。“当你有几年的时间来调试你的过程，你自然会有更高的可靠性，”Jay Rathert，战略合作的高级总监心理契约．“但当你把7nm和10nm的零件放在那里时，这些工艺仍然有很多成熟的地方要做。仍然有许多系统缺陷和集成挑战尚未被调试。”

提高汽车的效率也很关键。为此，业界正专注于系统中的三个主要电源模块——车载充电器、dc - dc转换器和牵引逆变器。

oem在电源块中使用功率半导体和其他组件。功率半导体旨在提高效率并最大限度地减少系统中的能量损失。它们是一种专门的晶体管，起着开关的作用，使电源在“开”状态下流动，在“关”状态下停止。

主要的功率半导体类型是基于硅的，即功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。功率mosfet被用于高达900伏的应用。igbt是领先的中端功率半导体，用于400伏至10千伏的应用。

这两种类型都有一些局限性。“当你从600到900伏，硅mosfet是好的，但他们开始失去一些蒸汽。igbt是很好的重物搬运者，但速度和效率都不高。”

这就是为什么业界对两种宽带隙技术感兴趣——碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。与硅基器件相比，GaN和sic基功率芯片速度更快，有助于消除系统中的功率损耗。然而，基于GaN和sic的器件更加昂贵。

IGBT是一个开关。碳化硅MOSFET是一个开关。碳化硅MOSFET的开关速度比IGBT快得多。在开关之间的转换要快得多，所以你浪费的电量要少得多。所以你得到了一个高效的开关。碳化硅是一种宽带隙材料。这就是宽带隙和硅的区别。这是开关性能，”应用材料公司的Vaughan-Edmunds说。

在纯电动汽车中，目标是提高功率块的效率。“所有的街区都消耗电力。它们转换电力，但也浪费电力。它们不是100%有效的。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 - dc转换器或车载充电器中使用碳化硅，它们的效率比硅高出1%到2%。它们不仅效率更高，而且在相同的额定功率下，功率密度更高。它们更小。在汽车上，尺寸和重量是一个很大的问题。”

基于GaN和sic的功率器件正在进入纯电动汽车，但在一些功率块中还没有广泛使用。例如，牵引逆变器集成了功率半导体网络。原始设备制造商主要使用igbt，这是具有成本效益的解决方案。

例外的是特斯拉的Model 3，它使用SiC mosfet作为牵引逆变器。其他原始设备制造商也在这里探索SIC mosfet，尽管大多数出于成本考虑而没有加入这一潮流。“目前，igbt在牵引逆变器中大量使用。碳化硅就像是优质的解决方案。随着成本的下降，碳化硅将成为主流材料。”应用材料公司的Vaughan-Edmunds说。

而车载充电器的情况则完全不同。该单元有三个子系统:输入级、功率因数校正(PFC)电路和dc - dc转换器。(此转换器不同于DC-to-DC转换器电源块。)

PFC电路形成输入电流，然后使系统的功率水平最大化。PFC集成了功率半导体、二极管和其他组件。“你从墙上取一个交流电源，得到一个可控的直流电压。你必须把交流电和功率因数校正成直流电。然后，使用DC- DC转换器来调节输出直流电压，”Wolfspeed的Moxey解释道。

对于开关，oem使用超结功率mosfet。这些设备是功率增强的mosfet，适用于这些任务。然而，oem在pfc中采用SiC二极管，而不是硅二极管。SiC二极管不能加快充电时间，但它们使充电器更高效，减小了组件的尺寸。

“二极管是一种向一个方向传递电流并在相反方向阻挡电流的设备。至少有一个或有时两个二极管涉及该功率因数校正电路。二极管的选择会影响功率因数校正电路的效率。”“从投入到产出，不存在完美的效率。功率因数校正也是如此。如果你想要最好的效率，你在功率因数校正电路中使用碳化硅二极管。至少95%的人在建造PFC电路时选择了碳化硅二极管。它们本身就能让你比传统硅二极管的效率提高零点几个百分点。”

然后，DC- DC转换器接收PFC产生的直流电压。”充电器的后半部分接收PFC产生的直流电压，并将其转换为适合你使用的电池的电压。除了将其转换到合适的电压之外，它还将电池及其电路与电源电路隔离开来。”“为了安全起见，这种变压器将汽车与电源隔离开来，无论你的电池是400伏还是800伏，它都能将电压改变到适当的水平。它是通过变压器来实现的。”

这就是GaN的用武之地，至少对于一些原始设备制造商来说是这样。“直流输出功率因数校正将必须快速开关以驱动变压器。必须是交流电才能通过变压器。这种交流频率可能是50千赫兹或200千赫兹，甚至可能是1兆赫。”“你不能以兆赫的频率驱动碳化硅或超结mosfet，但你可以以这个频率驱动GaN。这就是引导人们选择GaN的原因，这样他们就可以在变压器中使用更高频率的交流，并使用更小的变压器。所以GaN会驱动变压器的一次电流。你能越快地开关直流开关，你就能使变压器越小。你可以把频率提高到兆赫，甚至更高。”

自动驾驶汽车吗?
电动汽车的牵引逆变器和充电器仍在研发中。然后，对于所有汽车来说，下一个大事件是自动驾驶汽车和高级驾驶辅助系统(ADAS)技术。

自动驾驶汽车仍处于研发阶段，但ADAS系统已经问世。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，“一级”涉及汽车中一个或多个控制功能的自动化，而“二级”是两个或多个功能的自动化。第三级和第四级涉及更多的自动驾驶功能。“5级”是完全自动驾驶，方向盘可选。

更高级的车是2级。这包括特斯拉的ADAS技术，被称为导航自动驾驶仪。这使得司机可以自己在高速公路交汇处行驶，不需要确认车道变化，但司机需要握着或监督方向盘。

techhinsights的海恩斯说:“我仍然认为这是下一代驾驶辅助功能。”“它仍然要求司机参与监督的能力。我自己也经历过。你必须定期触摸方向盘，让它知道你在那里。但它基本上做什么都很好，尤其是在高速公路上。它也可以用于非高速公路。在高速公路和走走停停的交通中，这是特斯拉车主喜欢的地方。”

自动驾驶功能可能会吸引一些消费者。连通性是纯电动汽车的一个卖点。“WiFi在车内连接的基础设施中扮演着重要角色，比如高清视频流、摄像头、显示共享和软件更新，”联华电子的刘说。“蓝牙提供了高保真语音和流媒体音频支持。”

最终，5G将以低于6ghz的能力进入画面，其次是毫米波。“对于车外连接，例如5G将需要28GHz的汽车级1，以及38GHz的高速和高带宽通信。在毫米波前端，随着CMOS几何尺寸变得更小，Fmax变得更高，能够以更好的成本服务于更高的频率，”Liu补充道。

但对于纯电动汽车，消费者担心的是标价，更不用说电池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。“一是需要围绕电动汽车开展消费者教育和市场宣传。”

不过，纯电动汽车将继续取得进展，尽管速度可能不如许多人预计的那么快。但显然，电动汽车不再是新奇的东西。它们会一直存在下去。

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