当前主流纯电动汽车，工况续航一般在400-500公里之间，不到1000公里宏伟目标的一半。即便是续航长达660公里的特斯拉Model 3长续航版，离1000公里还是有不小的差距。 201505270227006971.jpg 大家可能会想，随着电动汽车产业规模扩大、电池成本进一步下降，到时候给车多装点电池，不就可以轻轻松松实现1000公里续航了吗? 这种“以量取胜”的狂堆电池策略是不可取的。原因有两点： 一是多堆电池会增加车重，两倍电池并不能实现两倍续航;二是多堆电池下意味着每个车都背负着一两吨的废重在行驶，与节能减排的初衷背道相驰。 “以量取胜”的策略不可取，而应该“以质取胜”：从电池的角度来说，要提高能量密度，使得同等重量可以存储更多电能，这是最关键的技术因素之一。 111220l5tjwiwkvt35ikkw.jpg 对电动汽车续航有增益的传感器&AD转换技术有3个： 1、驱动：提高电机效率的转子位置测量。 2、能源：提高电池寿命(维持续航的稳定性)的BMS电压、电流、温度测量。 3、感知：能够降低百公里能耗的自动驾驶技术所需要的感知能力。 一、提高电机效率的转子位置测量 驱动车辆行驶的电机是电动汽车的用电大户。电动汽车的电池容量有限，能省一点就要省一点，所以提高电机效率特别重要。 提高电机效率，除了要从电机设计、功率器件等方面努力之外，还有一个特别重要的就是转子位置的测量精度。 为什么这么说呢?咱们以永磁同步电机为例，它的工作原理其实特别简单，下面是我的一种可能不严谨，但非常直观的理解方式：转子可以理解为是一根永磁体，定子产生旋转的电磁场“引诱”转子跟它一起转，如下图所示[6]。 定子产生旋转的电磁场，是需要消耗电能的，必须想办法把电用在刀刃上。怎么才叫用在刀刃上呢? 图中的定子磁场与转子磁场垂直时，定子的牵引力就全部用来吸引转子旋转了。 要做到这一点，定子必须精确地知道转子的位置。如果定子对转子的判断失误会怎么样?就会出现右图的情况：定子磁场不垂直于转子磁场，一部分牵引力被浪费掉了。由此可见，转子位置测量的精确程度，直接影响电机效率与续航里程。 注：上述科普逻辑大量简化了细节，如果稍微详细一点讲述位置传感器测量不准确对续航的影响，主要是指下面3个方面： 1) 如果转子位置测量不准确，定子就会产生一定的无功分量(在最大转矩电流比控制策略(MTPA, Maximum Torque Per Ampere;)下，相当于进入非预期的弱磁(增磁)控制状态)，效率相应会下降。 2) 如果转子位置测量不准确，在相同电流下能够产生的最大输出转矩降低，这就相当于配置了大电机却只实现了小电机的功能，降低了电机的功率密度，给车辆增加了额外的重量，从而影响续航。 3) 如果转子位置测量不准确，那么相应的转矩控制精度会降低，会对整车级的能量优化策略产生影响。特别是对于混动车来说，转矩控制不精确意味着转矩协调策略的执行有误差，达不到能量优化的最佳效果。 而电机的转子位置测量，无论是位置传感器还是配套的AD转换模块都存在巨大的挑战： 转速特别快：车用电机转速非常快，可达18000转/分。也就是说，在一秒旋转300圈的情况下，还要求转子位置测量精确，想想都不容易。 精度要求高：位置测量直接关系着电机效率，因而对精度要求高。与之相比，油门踏板传感器精度差点也没关系，只要可靠性高。 可靠性要求高：这东西可不能坏，必须经久耐用、质量可靠，因为谁也不想打开电机去更换传感器。 工作环境严苛：高低温环境、振动大、干扰多。 6368030562073449171264752.jpg 二、提高电池寿命的电压、电流、温度测量 当消费者希望有一辆续航1000公里的电动汽车的时候，想要的是这辆车能够安全地、稳定地开1000公里，而不应该是时刻担心自燃风险，或者是担心用不了几次续航就跌到700公里，而是希望这辆车能够安全地、持久稳定地续航1000公里。 前者就是锂电池的安全性(Safety)问题，后者是锂电池的寿命衰减问题(SOH, State of Health)。无论是安全性问题，还是寿命衰减问题，都依赖于精确、可靠的SOC(State of Charge)估计，而SOC估计则需要高水平的锂电池电压、电流、温度传感器与AD转换技术。这些测量的信号与锂电池安全性/寿命的关系包括但不限于： 1、安全性：通过SOC曲线特性在线诊断锂枝晶(Lithium Stripping)，是预防快充带来的热失控安全风险的一种潜在方法。这对SOC估计的精度要求很高，而续航1000公里的电动汽车肯定要上快充或超快充技术的。一些前瞻性的热失控预警算法也依赖于精确的SOC估计或精确的电压、电流、温度数据测量。 2、寿命： 日常监控电芯，以避免出现过压、过温或欠压等损害电池寿命的状态;通过精确的SOC曲线特性在线诊断锂枝晶，是预防快充带来的寿命衰减风险的潜在方法[8];在充电时监控电压、温度，避免进入能够导致电池寿命衰减的工况。 精确测量SOC、温度等数据来确定最大充电电流，避免出现寿命衰减的情况。 2293b6c821474b00aa81c8bea5775144.jpeg 三、高等级的自动驾驶可提升续航 一般认为，自动驾驶的主要功能是解放驾驶员的双手，可能并未意识与续航也有关系。 大家都知道，在讨论续航的时候要考虑“驾驶循环”。驾驶循环与路况有关，高速路况、城市普通路况、城市拥堵路况下的续航肯定差别很大;驾驶循环也与驾驶习惯有关，在相同的路况下，老司机能够提前做出加速、刹车、变道判断，避免急踩油门急刹车的情况出现，从而比新手司机开出更高的续航。 不同驾驶循环做个对比：相同的一辆电动汽车，60km/h等速续航600公里，NEDC综合工况续航可能只有450公里，真实工况可能勉强开得到400公里。 当前驾驶员能够用得到的自动驾驶，还处于较为低级的L2级别，提供的是诸如PCS预碰撞控制系统( Pre-Collision System)、LDA车道偏离预警系统(Lane Departure Alert)、全速域DRCC雷达巡航系统(Dynamic Radar Cruise Control)、LDA车道偏离预警系统(Lane Departure Alert)等功能，在使用这些功能时驾驶员必须双手放在方向盘上，还不能完全解放。 将来自动驾驶达到L4甚至L5级别的时候，车辆AI才算是真正达到”神极老司机”的状态，不仅能解放驾驶员的双手，还能实现更高的安全性和续航。自动驾驶的”神极老司机”可以通过以下畅想中的效应来提高续航： 高级驾驶控制：自动驾驶使用激光雷达等传感器“眼观八方”，遇到红灯时以最优效率提前减速，避免出现刚踩油门又要踩一脚刹车的情况;在按时到达目的地的前提下，根据风速、坡度、负荷来规划最优效率的续航轨迹，而这通常是人类无法完成的工作;更进一步的，若车与车之前也实现了互联通信，就可以提前预知周围车辆的动力变化，提前做出效率优先的加速或刹车决策，从而进一步优化续航。 优化整体路况：理想状态下，若大部分车辆都实现了自动驾驶，那意味着城市交通状况变得有序很多，不仅可以杜绝违反交通规则、杜绝交通事故，还能从全局着手进行每辆车的路径规划，使得城市内的车辆都像轨道交通一样尽量接近匀速行驶。 若上述自动驾驶的理想状态得以实现，那么400公里的真实续航提升到600公里的等速续航，实现30%-50%的续航提升，也不再是幻想。 如果不依赖自动驾驶对续航的增益，仅指望电池技术的革命来实现1000公里续航，那至少还需要提升100%的能量密度，这个指标听起来真的是压力山大，即便是锂固态电池也难以达到。 但如果三五年后自动驾驶也达到比较理想的状态，对续航有个30%的提升，那对电池能量密度就只需要提升50%了就可以达到1000公里的真实续航了，这个指标听起来还比较现实。 a7e8fytnfyn7712396.jpg 千里之行始于足下，在自动驾驶从L2级向L3级迈进的紧要关头，用于感知环境的各种传感器的技术水平与产业化程度就成了关键因素：比如毫米波雷达、惯性单元、激光雷达等等。 电动汽车要实现1000公里续航，主力军还是要靠锂电池技术的突破、能量密度的大幅提高，但作为侧翼部队，半导体技术的贡献同样不可忽视。 (文/张抗抗，欢迎关注各大平台三水说车，欢迎关注十秒网。)
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