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電動(dòng)汽車已經(jīng)從一個(gè)“新生兒”逐漸長(zhǎng)大成人，并且有成為主流應(yīng)用的趨勢(shì)。
根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)對(duì) 2019 年的電動(dòng)汽車市場(chǎng)的觀察，在 2010 年，全球僅有數(shù)千輛電動(dòng)汽車被售出，但是到了 2018 年，電動(dòng)車的銷量突破了 200 多萬輛。
彭博新能源財(cái)經(jīng)的分析師預(yù)測(cè)，這種上升趨勢(shì)將變得越來越明顯，分析師認(rèn)為，2025 年年度乘用車銷量將增至 1000 萬輛，2030 年達(dá)到 2800 萬輛，到 2040 年達(dá)到 5000 萬輛。彭博新能源財(cái)經(jīng)報(bào)告稱，到 2040 年，預(yù)計(jì)所有乘用車銷量的 57％將是電動(dòng)車。
但是也有報(bào)告表明，電動(dòng)車并沒有那么受歡迎?！断M(fèi)者報(bào)告》聯(lián)合美國(guó)憂思科學(xué)家聯(lián)盟，發(fā)布了一份名為《Electric Vehicle Survey Findings and Methodology（電動(dòng)汽車調(diào)查的成果及其方法論）》的報(bào)告，報(bào)告顯示，約有三分之一（31％）的美國(guó)潛在購(gòu)車者會(huì)考慮購(gòu)買電動(dòng)車，而肯定在未來兩年內(nèi)購(gòu)買電動(dòng)汽車的比例僅為 5％。
可以看到，大部分美國(guó)人對(duì)與電動(dòng)汽車還是持保守態(tài)度，價(jià)格高昂、續(xù)航里程短等問題仍然是目前電動(dòng)汽車普及的阻礙，那么要解決這些問題，到底需要工程師去做些什么，這又給工程師們帶來了哪些難題？筆者將從電動(dòng)汽車的“三電（電機(jī)、電控、電池）”，車聯(lián)網(wǎng)、仿真測(cè)試等角度出發(fā)，淺析電動(dòng)汽車給工程師們帶來的挑戰(zhàn)。
電池
電池可謂是電動(dòng)汽車的“心臟”，與傳統(tǒng)的燃油車不同，電動(dòng)汽車依賴電池提供動(dòng)力，無論是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還是為車內(nèi)的娛樂系統(tǒng)提供電源，電動(dòng)汽車內(nèi)所有和電有關(guān)的東西，都離不開電池的驅(qū)動(dòng)，但是目前的電池續(xù)航仍然有點(diǎn)“捉急”，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程從 200km~600km 不等均有系列車型，而電動(dòng)汽車的續(xù)航里程最高的則是特斯拉的 Model S，為 660km。
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鋰電池
鋰電池主要是指在電極材料中使用了鋰元素作為主要活性物質(zhì)的一類電池，主要包括鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類。
鋰離子電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作，是可以充放電的電池。鋰離子電池的結(jié)構(gòu)主要包括正極、隔膜、負(fù)極、電解液和電池外殼。
正極：一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰材料（俗稱三元），純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。
隔膜：為一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。
負(fù)極：一般為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳。
電解液：是電池中離子傳輸?shù)妮d體，一般由鋰鹽和有機(jī)溶劑組成，主要作用是在鋰電池正、負(fù)極之間傳導(dǎo)鋰離子。
電池外殼：分為鋼殼（方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，主要用來保護(hù)電池用。
鋰離子電池根據(jù)正極材料分主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰等，目前在車用方面較為成熟的為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，前者的代表是比亞迪，后者為特斯拉。
燃料電池
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。
它是按電化學(xué)原理,即原電池工作原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,因而實(shí)際過程是氧化還原反應(yīng)。
燃料電池主要由三部分組成，電極、電解質(zhì)和外部電路。
燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，主要包括陽(yáng)極和陰極，厚度一般為 200－500mm，其結(jié)構(gòu)與一般電池的平板電極不同為多孔結(jié)構(gòu)，目的是提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度。
電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路,電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。
外部電路一般有雙極板構(gòu)成，雙極板具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等作用，其性能主要取決于其材料特性、流場(chǎng)設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。
常用的燃料電池按其電解質(zhì)不同，可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）。
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）由于具有多種性能優(yōu)勢(shì)，包括電池操作溫度低、啟動(dòng)速度快等，是目前應(yīng)用較為成熟和廣泛的燃料電池，在全球出貨量和出貨兆瓦數(shù)方面占據(jù)主導(dǎo)地位。
燃料電池的燃料主要是氫氣、甲醇等碳?xì)浠衔铩?/p>
在電動(dòng)汽車中，鋰電池是現(xiàn)階段最為成熟、性能較為穩(wěn)定、應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力電池，此外，
燃料電池也在不斷發(fā)展，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了初步的共識(shí)，新能源汽車未來將是以鋰電池作為主動(dòng)力電池的新能源汽車和以燃料電池為主動(dòng)力電池新能源汽車共存的局面。
就目前而言，電動(dòng)汽車電池的能量密度并不是很大，鋰電池相比燃料電池而言，相差非常大，此外，公共和貨物運(yùn)輸?shù)雀呃寐实能囕v是有害排放的主要來源。因此，他們更傾向于使用電動(dòng)車，這就涉及到充電效率問題，此外，不僅僅是公共和貨物運(yùn)輸領(lǐng)域，家用汽車平常加油也就三到五分鐘，如果電動(dòng)汽車需要長(zhǎng)時(shí)間充電才能上路，那在便利性上電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油車根本沒法比。所以，電動(dòng)汽車如何快速充電是一大難題。而已知的是快速充電會(huì)加速電池劣化，引起電池燃燒等安全問題，并對(duì)電網(wǎng)造成壓力。所以，工程師必須要平衡快速充電時(shí)間，并保證電池的安全性和可靠性，才能使電動(dòng)汽車更為大眾接受。
電機(jī)電控
作為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱功能的替代，電機(jī)和電控的性能直接決定了電動(dòng)汽車的爬坡、加速、最高速度等主要性能指標(biāo)，因此，電機(jī)、電控系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中的地位僅次于動(dòng)力電池。
一個(gè)典型的電控系統(tǒng) - 圖片來源 NXP
而電機(jī)和電控也需要滿足這些場(chǎng)景的需求：頻繁起停、加減速，低速 / 爬坡時(shí)的高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時(shí)的低轉(zhuǎn)矩和較大變速范圍，混合動(dòng)力車還需要處理電機(jī)啟動(dòng)、電機(jī)發(fā)電、制動(dòng)能量回饋等特殊功能。
因此，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要滿足如下技術(shù)需求：
第一，驅(qū)動(dòng)電機(jī)要有更高的能效，實(shí)現(xiàn)輕量化、低成本，適應(yīng)有限的車內(nèi)空間，同時(shí)要具有能量回饋能力，降低整車能耗；
第二，驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)具備高速寬調(diào)速和低速大扭矩，以提供高啟動(dòng)速度、爬坡性能和高速加速性能；
第三，電控系統(tǒng)要有高控制精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率，并同時(shí)提供高安全性和可靠性。
電機(jī)方面，電機(jī)的繞組、電機(jī)的轉(zhuǎn)子、發(fā)熱等都是工程師需要面對(duì)的難題，具體來說，電機(jī)繞組的排布和磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換有關(guān)。優(yōu)化的繞組可以降低損耗，提高效率，減少發(fā)熱；傳統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)子已經(jīng)不再適用于電動(dòng)汽車電機(jī)，尋找可以有效增大轉(zhuǎn)矩，減小電動(dòng)機(jī)體積的轉(zhuǎn)子也是難題之一；電機(jī)過熱是電機(jī)安全和可靠性能的天敵，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/518454.html">電力電子器件比傳統(tǒng)汽車部件更容易受熱損壞，因而發(fā)熱問題也是難點(diǎn)之一。
電控方面，汽車在轉(zhuǎn)向電氣化后增加了電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱（減速器）、動(dòng)能回收系統(tǒng)等等，而如果再加上自動(dòng)駕駛和增程式系統(tǒng)的話，電控系統(tǒng)所要承擔(dān)的責(zé)任就更多了，因此實(shí)現(xiàn)高控制精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，同時(shí)具有安全性和可靠性，電控系統(tǒng)也是一大難題。
車聯(lián)網(wǎng)
車聯(lián)網(wǎng)這個(gè)概念雖不是因電動(dòng)汽車而誕生的，但是車聯(lián)網(wǎng)卻和電動(dòng)汽車有著密不可分的關(guān)系。車聯(lián)網(wǎng)提出的初衷是為車與車之間的間距提供保障，降低車輛發(fā)生碰撞事故的幾率；幫助車主實(shí)時(shí)導(dǎo)航，并通過與其它車輛和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信，提高交通運(yùn)行的效率。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，到 2020 年，全球至少有 2.2 億輛配置 50 個(gè)傳感器的車輛，在汽車領(lǐng)域聯(lián)網(wǎng)的傳感器總數(shù)將至少達(dá)到 110 億，而這些傳感器可能每天傳輸多達(dá) 1.5TB 的數(shù)據(jù)。而很多人設(shè)想著通過這些大數(shù)據(jù)，可以減少交通事故并改善導(dǎo)航和擁堵。
這也是難點(diǎn)所在，對(duì)大數(shù)據(jù)的需求意味著車輛越來越需要連接，OTA 固件更新也變得更加重要，這些數(shù)據(jù)的復(fù)雜性之高，以及數(shù)據(jù)量之多，處理起來也將是個(gè)大麻煩。如何正確處理這些大數(shù)據(jù)，以及如何保障連接安全可靠，這些都是對(duì)工程師們提出的難題。
仿真測(cè)試
在電動(dòng)汽車的仿真測(cè)試中，傳統(tǒng)的驗(yàn)證技術(shù)也還保持著生命力，常用的整車試驗(yàn)驗(yàn)證方式 整車道路（公路）試驗(yàn)、場(chǎng)地道路試驗(yàn)、整車臺(tái)架試驗(yàn)、 整車動(dòng) / 靜態(tài)主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)和虛擬數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證分析等。
這里需要工程師做的便是找出公路運(yùn)輸，電力系統(tǒng)和電網(wǎng)內(nèi)集成的最佳解決方案，工程師通過仿真軟件，可以在施工階段之前測(cè)試不同的設(shè)計(jì)決策，大量的仿真數(shù)據(jù)也會(huì)給工程師們帶來處理的難題。
結(jié)語(yǔ)
想要讓電動(dòng)汽車更大規(guī)模地普及，當(dāng)然不止筆者上述提到的這些難題，還有大量的開發(fā)工作等著工程師們?nèi)プ?，如果你?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%B1%BD%E8%BD%A6%E7%94%B5%E5%AD%90/">汽車電子工程師，你準(zhǔn)備好面臨這些挑戰(zhàn)了嗎？
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