田野中的拖拉机

推动车辆电气化

解决工业和商业电动运输车辆的充电时间问题

电气化趋势与总拥有成本 随着原始设备制造商和汽车制造商推动行业创新向前发展,车辆电气化趋势持续加强。电气化带来的好处广泛而深远,它创造了一种可持续的运输模式,并且可以减少不可再生能源的使用和碳排放等等。诚然,仍存在一些障碍有待克服,包括构建广泛可用的充电基础设施、开发下一代车辆架构和解决方案以及为这一广泛的行业创新提供资金等。尽管如此,商业电动汽车面临的挑战与消费类电动汽车面临的挑战大不相同。

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 满足客户需求是企业运营的前提条件。对于运输部门企业来说,这些需求通常可以概括为以最低成本为客户提供及时交付。企业希望在满足客户需求的同时,最大程度降低总拥有成本 (TCO),以提高盈利能力和运营效率。

 

下图 1 中所示的每个问题都与工业和商业运输 (ICT) 行业目前面临的挑战直接相关。每个问题都以某种方式影响着 TCO,并且最终都会得到解决。在行业目前面临的这些关键挑战中,有一个挑战是电池电动汽车 (BEV) 充电的时间问题。

 

在许多商业应用中,充电时间问题并不是最大的问题。像城市公交车,可以非常快速地采用全电动推进架构。美国和欧洲的许多城市正在将电动公交车用于市政应用。而在中国,大规模的电动公交车队早已不是什么新鲜事。全球目前有约 42.5 万辆电动公交车,其中 40 多万辆在中国。这些电动公交车沿着明确规划的路线行使,而在停车场都设有专门的充电站。校车也是快速采用电池电动汽车 (BEV) 的领域之一。它们在一天中上路的时间不多,也按照规划好的线路行使。提供邮政服务或包裹服务的本地(最后一公里)快递公司(如 DHL、Yamato Transport、UPS、中通和亚马逊)也有能力快速采用电池电动汽车 (BEV)。

 

至于其他商业应用,改用电池电动汽车 (BEV) 的动力并不那么足。对于提供长途货运或者客运服务的企业来说,让车辆中途停下来数个小时充电是完全不可接受的事。货物需要快速、准时到达预定地点。乘坐长途车的旅客不会乐意汽车每隔几个小时停下来,充几小时电后再上路。充电时间必须像加油时间一般短。就像美国政治家和科学家本杰明·富兰克林曾经说过的那样:时间就是金钱。长时间充电延迟会导致客户流失、吞吐量减少、收入下降。

车辆电气化
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行业正在努力打造更快的充电基础设施 电动汽车充电站似乎如雨后春笋般突然出现在各个角落。然而事实上,它们并不能快速方便地为汽车(更不用说重型长途卡车)充电,与加油站相比相去甚远。运输和公用电力行业正在设法解决这一关键的行业需求,如下页图 2 所示。

 目前市面上的快速充电器提供 50 到 200 千瓦的功率,可维持一部典型的电动汽车在一个小时内行驶不到 200 英里(320 公里)。眼下,业界正在开发大功率充电 (HPC) 系统,力图在 10 分钟或更短的时间内充满上述电量(支撑 320 公里的里程),以使充电能够像给内燃机 (ICE) 车辆加油一样快速而方便。商用车领域要求更大的电池和更长的行程,只要大电池容量足以满足其应用,那么对于大功率充电能力的需求无疑是强劲的。包括汽车工程师协会 (SAE)、CharIN E.V. 和 CHAdeMO 协会在内的几个组织正在着手制定全球电动汽车的充电标准。

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 迄今,他们已开发出若干协议和物理接口。确定和加速直流超快充电的工作正在进行中。尽管有一项标准的确切实施仍在讨论,但可以肯定的是,在不远的将来直流超快充电功能就会问世。无论是通过插入式充电站(如图 2 所示),还是通过受电弓,确保车辆准备好利用超快充电是现在就必须做的事情,不能等到标准接口定义完成后才行动。

车辆面临着与快速充电连接相关的技术挑战 车辆是否准备好有效处理 500 KW 充电?1MW 及以上充电?尽管对于在几分钟内而不是几小时内为车辆充满电的需求是明显的,但如何安全有效实现这一需求的方法却不是明显的。

 

这些需求推动行业加速开发各种解决方案,以应对这些前所未有的挑战。充电插座必须能够处理 10 倍甚至 20 倍于当前电动汽车的电力。让一个只能处理 50 千瓦电力的插座来处理 1 兆瓦甚至更高的电力,如同让一个人直接从消防水管喝水一样不可行。连接产品、电缆和开关/接触器必须能够智能地管理此电力传输,处理热量、电弧和安全问题。需要开发新的热建模和仿真技术,以便优化元件和子系统的设计,适应高充电电压和电流需求。

热建模

图 4:大功率连接路径:热建模

 精确的传感,无论是接触式还是非接触式,都需要为智能电源管理提供实时信息。

 

图 3 是每个汽车制造商根据需求开发和定制的连接架构的简化表示。作为连接供应商,TE Connectivity 与客户密切合作,提供针对客户特定需求和车辆架构量身打造的强大解决方案,以帮助其取得成功。具体而言,在快速充电方面,TE Connectivity 将从充电插座到电池的应用要求进行分解,通过解决一系列更小、更集中的问题来支持客户。我们与客户合作,帮助他们完成以下评估:

 

  • 车辆如何充分满足不同的全球标准?参考图 2,就充电插头接口而言,存在许多全球竞争性标准,每个标准各有优缺点。TE Connectivity 与全球客户合作,跨越多个运输部门,提供量身定制的解决方案来匹配市场需求。这是通过一个模块化的平台构造块方法实现的,该方法使 TE 能够快速、经济高效地在正确的时间交付正确的解决方案。
  • 更大的功率是否意味着更多的热量?充电热管理是插座、插头和电缆的最大挑战。简单的物理公式告诉我们:P=V*I;热 = I2R(其中,P = 功率;V = 电压;I = 电流;R = 电阻)。目前,典型的充电电池组为 480V。从 50kW (480Vx100A) 变为 240kW (480Vx500A) 后,功率增加约 5 倍,热量增加 25 倍。TE Connectivity 具有内部电-热建模和仿真能力,能够优化元件和子系统设计,满足高充电电压和电流需求。
  • 快速充电驱动技术所需的大功率在车辆充电插座方面是否取得了进展?TE Connectivity 开发的充电插座集成了传感和驱动功能,在实现智能充电控制的同时,提供安全可靠的触摸安全操作和充电状态反馈。这些插座可以扩展,以顺应车辆内多种多样的客户电气/电子架构,从离散的点对点操作,到通过分布式智能控制等等。TE 的架构和电子团队提供解决方案来适应各种充电站方法和协议。
  • 更大的功率是否意味着更大的电线和更大的连接产品?超过 200A 的电流需要冷却,以保持从充电站到车辆的电缆和连接器尺寸的可管理性。仅仅增大连接元件将使它们不可用并且成本高昂。车辆内部存在类似的挑战。尽管来自插座的连接不像充电电缆那样需要物理处理,但它们仍然需要尽可能小、轻便且经济高效。TE Connectivity 与客户合作,创建创新的解决方案,利用材料科学和触点物理学专业知识以及主动冷却和高级电源管理技术,来积极解决这些复杂问题。图 4 阐释大功率连接路径中的一些冷却机会。
  • 快速充电的大功率要求对安全有什么影响?功率和电压越高,安全风险越大。出于电压安全考虑,充电接口被限制为 1000V 至 1500V。管理温度对于防止人们在触摸充电柄时烫伤至关重要。TE Connectivity 与客户合作创建连接解决方案,以应对这些挑战。通过沿电流路径集成传感(温度、电压、电流),以及提供可控元件(接触器、继电器、智能插座、智能致动器),TE 的客户可以利用不同的控制杆,自始至终智能地管理和安全地控制电源路径。
  • 车载电池连接产品能否处理增大的功率?电池技术开发是行业投资的主要领域。增加一次充电的行驶里程意味着需要电池功率密度增加。挑战在于,如何在最大限度提高每立方厘米功率的同时,最大限度降低封装尺寸并控制成本。TE Connectivity 正在开发高压、物理兼容的电池模块触点和连接接口,以便能够为我们的客户扩展充电电池组。这些互连件坚固耐用,适应严苛环境,集成了电流、电压和温度感应,能够智能控制电池管理(充电状态和健康状态)。这使得客户能够平衡电池系统的活性化学质量与机械开销。
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卡车架构

TE Connectivity - 理想供应商之选 总之,行业非常需要用更短的时间(从数小时到数分钟)给电池充更多的电,为长途商业应用车辆提供动力。功率增加意味着从充电插座到电池,车内有更多的热量和更高的元件应力。必须妥善应对这种现象。需要接触式和非接触式传感技术来提供准确、实时的温度、电压和电流信息。为了应对这些挑战,TE Connectivity 的工程师和科学家团队与客户密切合作,针对客户的特定需求和车辆架构开发稳健的解决方案,以确保适应当今和未来的严苛环境,帮助他们获得成功。

 

作为连接解决方案提供商,我们掌握系统而全面的专业知识,谙熟电子架构和物理集成,能用客户理解的技术语言与客户沟通。我们为客户提供丰富的产品组合、专业的技术设计知识和技术、制造和应用工具能力。并利用 TE 的力量,即我们的工程师、科学家和全球业务,我们得以提供颇具行业与市场深度和广度的支持。

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产品组合。 作为连接解决方案的全球领先企业,我们与客户以及其他行业技术领先者携手,共同开发工程化解决方案,以满足大功率连接解决方案多样的架构需求。我们拥有强大的端子和连接器产品组合,可满足不断增长的功率和振动要求。我们提供完整的插座组件,在实现智能充电控制的同时,提供安全可靠的触摸安全操作和充电状态反馈。这些解决方案包括用于充电的高功率连接器、用于将电缆管接头锁定到车辆的集成致动器、用于向蓄电池模块提供温度和电流信息的传感器以及用于向车辆操作员提供信息的 LED。

 

我们可以提供坚固耐用、适应严苛环境的互连件,这些互连件集成了电流、电压和温度感应,能够智能控制电池管理(充电状态和健康状态)。为完善产品组合,我们还提供高压接触器(电子可控开关)和连接器,来实现安全、高效的电源切换和配电,以支持智能和优化充电。

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技术设计知识与技术。 凭借 75 余年物理连接系统专业知识,TE Connectivity 的工程师、连接物理学家和材料科学家团队与客户密切合作,为不断增长的连接需求和挑战开发优化的解决方案。

 

借助遍布全球各工程设计中心,所有的仿真,建模,原型制作和测试都可以在靠近客户的地点进行。其他技术能力包括:射频设计和 EMC 专业知识;支持小型加固封装的小型化和合规互连技术中的设计、制造和应用工具专业知识;无缝电子集成;设计地点的环境测试和开发实验室,支持整个产品开发周期;根据客户不断变化的运营环境需求优化设计的工具和设备。

 

服务各行各业的深度、广度和全球影响力。TE Connectivity 为不同行业和市场的众多客户提供服务,包括消费电子、航空航天和国防、工业、家电、交通运输等。在全公司内,我们的面向工业和商业运输的工程师密切沟通与合作,集全球同事的聪明才智,共同解决 ICT 行业的诸多挑战。

 

我们积极参与各种标准委员会和行业协会,运用专业知识帮助行业在过程的早期阶段解决问题。我们扩大了前期研发投资,协作化解棘手的行业挑战,防止它们变成客户的难题。

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制造和应用工具。

作为连接解决方案的全球供应商,我们拥有一个内部应用工具事业部,我们不仅实施世界级的产品制造流程,还确保我们的产品设计符合客户特定的制造方法和实践。我们拥有各类工具和设备,可以根据客户不断变化的操作环境需求来优化设计。我们同整个供应链(从线束制作商到模块制造商再到系统供应商)合作,为大功率连接提供优化的系统级性能。我们针对特定应用和需求提供适当的电源连接解决方案。

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参考文献

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  2. “Electrifying a Movement: Accelerating Hybrid & Electric Mobility In Commercial Transportation”(推动车辆电气化,加快商业运输领域混合动力与电动交通发展),TE Connectivity,文章,2020 年 6 月,https://www.te.com/global-en/industries/hybrid-electric-mobility/insights/electrifying-movement-trend-paper.html
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  8. Kristoffer Tigue,“U.S.Electric Bus Demand Outpaces Production as Cities Add to Their Fleets”(美国城市电动公交车供不应求),Inside Climate News,2019 年 11 月 14 日,https://insideclimatenews.org/news/14112019/electric-bus-cost-savings-health-fuel-charging
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