【国产大飞机关键个股分析一览】
1. 中航西飞：C919 最大的机体结构供应商
中航西飞 2021 年航空产品营收 323 亿元，在主营业务占比 99%。中航西飞是我国最大的运输机研制生产基地，是我国主要的大中型运输机、轰炸机、特种飞机等飞机产品的 制造商，是新舟系列飞机、C919 大型客机、ARJ21 支线飞机、AG600 飞机以及国外民用 飞机的重要零部件供应商，为中国航空制造业首家上市公司。中航西飞是中国商飞 I 类供应商，是 C919 大型客机最大的机体结构件供应商，承担 了 C919 中机身（含中央翼）、外翼盒段等工作包，在飞机结构中占比超过 35%。2020 年 12 月，中航西飞完成重大资产置换，置入西安飞机工业（集团）有限责任公 司、陕西飞机工业（集团）有限公司、中航天水飞机工业有限责任公司等飞机整机制造及维修资产，实现对大中型飞机整机制造资产的专业化整合。
2. 航发动力：国内航空发动机制造龙头
航发动力 2021 年公司航空发动机及其衍生产品营收 318.8 亿元，占比 94.71%。作为航发集团旗下最主要的上市平台，集合了中国航发旗下多个企业单位、涉及航空发动机产 业链的多个环节。航发动力以军用发动机业务为基础，几乎垄断了当下我国所有先进航空发动机的整机集成交付市场。同时参与商用航空发动机研制，开展商发专区建设，巩固国产商用发动机核心供应商地位。在中国民用客机市场价值快速增加的背景下，商用航空发动机国产化替代收益空间大，将成为新的业绩增长点。
3. 中航沈飞：中国战机第一股
中航沈飞是集科研、生产、试验、试飞为一体的大型现代化飞机制造企业，是我国航空防务装备的主要研制基地，在航空防务装备领域具有较强的核心竞争力和领先的行业地位。在民用航空产品方面，是 C919 大型客机、ARJ21 支线飞机、空客 A220 飞机的重要零部件供应商。2021 年航空产品营收 337 亿元，在主营业务占比 98%。中航沈飞是中国商飞 I 类供应商，承担 C919 大型客机后机身、垂直尾翼、发动机吊挂、APU 舱门等机体结构的制造。2017 年，航空工业沈飞 100%股权注入中航沈飞，成为中航沈飞的唯一全资子公司，实现了核心军工资产整体上市，被誉为“中国战机第一股”。航空工业沈飞创建于 1951 年，是中国航空工业发祥地之一，被誉为“中国歼击机的摇篮”。
4. 中航重机：军民用航空锻件优势显著
中航重机 2021 年公司锻铸业务营收 65.8 亿元，占比 75%，主要面向军民两用航空装备制造行业，产品几乎覆盖国内所有飞机、发动机型号，并为国外航空企业提供配套服务。全资子公司陕西宏远、贵州安大分别为中国商飞Ⅲ类供应商，为 ARJ21 和 C919 提供各 类航空锻件。中航重机在整体模锻件、特大型钛合金锻件、难变形高温合金锻件、环形锻件精密轧制、等温精锻件、理化检测等方面的技术居国内领先水平，拥有多项专利；在高技术含量的航空材料（如各种高温合金、钛合金、特种钢、铝合金和高性能复合材料）应用工艺研究方面，居行业领先水平。
5. 中航高科：复合材料预浸料环节关键卡位
中航高科 2021 年公司新材料业务营收 36 亿元，占比 94%。全资子公司航空工业复材是我国航空复合材料行业的领跑者，在高性能树脂及预浸料技术、高性能复合材料新型结构、树脂基复合材料制造技术、金属基及陶瓷基(含 C/C)复合材料成型技术、材料表征与测试技术、先进无损检测技术等方面均处于国内领先地位。航空工业复材与航空工业制造院签署了《先进航空复合材料系列预浸料技术实施许可协议》，为国产 T800 级预浸料产业化发展创造了条件。成功入选中国商飞 CR929 前机身工作包唯一供应商，协同开展 C919 项目尾翼优化设计，内饰蜂窝入选中国商飞 QPL 目录。
6. 中航光电：航空防务高端制造互连解决
中航光电 2021 年公司连接器业务营收 126.9 亿元，占比 98%。是专业为航空及防务和高端制造提供互连解决方案的高科技企业。目前自主研发各类连接产品 300 多个系列、25 万多个品种。截至 2020 年底，公司累计获得授权专利 3500 余项，制订和修订行业标准 680 余项。公司为 C919 提供产品包括连接器、设备架等。2021 年 12 月 31 日，全资子公司中航光电（上海）有限公司在吴泾镇完成工商注册，注册资金 1 亿元。将促进形成以上海（闵行）为核心的“机载系统长三角航空产业聚集群”。同时，还将与已落户吴泾的中国商飞、中航商发等公司共同打造建设集设计、研发、制造、认证、维修、运营、服务在内的航空制造完整产业链体系。
7. 中航电子：吸收合并中航机电，公司市值近千亿
中航电子 2021 年公司航电业务营收 90.7 亿元，占比 92%，是航空工业旗下航空电子系统的专业化整合和产业化发展平台。产品谱系覆盖飞行控制系统、惯性导航系统、飞行 航姿系统、飞机参数采集系统、大气数据系统、航空照明系统、控制板主件与调光系统、飞行告警系统、电驱动与控制系统、飞行指示仪表、电气控制、传感器、敏感元器件等技 术领域。全资子公司上海航空电器有限公司、为中国商飞 I 类供应商，负责控制板组件与 调光控制系统、智能断路器板组件的开发。2022 年 6 月 10 日，中航电子、中航机电同步披露重组方案：中航电子以发行 A 股 方式换股吸收合并中航机电，并定增募集配套资金不超 50 亿元。截止停牌前 5 月 26 日 收盘市值，中航电子和中航机电分别为 397 亿元和 440 亿元，合计共 837 亿元。本次重组方案将整合航空电子系统、机电系统，优化航空工业机载板块的产业布局，形成航空机载近千亿级龙头。
8. 宝钛股份：国内钛合金行业龙头
宝钛股份是中国最大的钛及钛合金生产、科研基地，是国家高新技术企业。宝钛股份作为中国钛工业第一股于 2002 年上市。2021 年公司钛产品营收 47 亿元，在主营业务占比 93%。公司建立起“海绵钛、熔铸、锻造、板材、带材、无缝管、焊管、棒丝材、铸造、原 料处理”十大生产系统，形成 30000 吨钛铸锭和 20000 吨钛加工材生产能力。作为中国钛、锆等稀有金属国标的重要制定者，引领中国钛工业发展，建立起了完备的质保体系。宝钛股份是中国商飞Ⅲ类供应商，为 C919 提供多种规格的钛合金棒材、厚板和薄板 材料。2016 年荣获“大运工程”钛材唯一金牌供应商，并连续三届获得中国航天科技集团 优秀供应商，同时也是美国波音、法国空客、法国斯奈克玛、美国古德里奇、加拿大庞巴 迪、英国罗尔斯－罗伊斯等公司的战略合作伙伴。
9. 抚顺特钢：中国特殊钢的摇篮，打造“三高一特”
抚顺特钢是我国特殊钢材料重要的研发和生产基地，被誉为“中国特殊钢的摇篮”。2021 年公司钢铁产品营收 73 亿元，在主营业务占比 99%。抚顺特钢形成以“三高一特”（高温合金、超高强度钢、高档工模具钢、特种不锈钢）为核心产品，拥有包括高温合金、超高强度钢、不锈钢等重点产品在内的 5400 多个牌号 特殊钢材料的生产经验。具备年产能钢 95 万吨，材 77 万吨的能力。抚顺特钢超高强度钢产品纯洁度及综合性能国内领先，部分产品实物质量已经达到或超过国外领先产品的实物水平。抚顺特钢是中国商飞Ⅲ类供应商，联合宝钢特钢试制的国产超高强度 300M 钢用于 C919 飞机起落架，实现和支撑了 C919 超高强度 300M 钢的“中国制造”。
10. 光威复材：碳纤维产业链完善，主持制定 2 项国标
光威复材 2021 年公司复合材料业务营收 25.4 亿元，占比 97%，是国内碳纤维行业第一家 A 股上市公司。公司形成了从原丝开始的碳纤维、织物、树脂、高性能预浸材料、复合材料制品的完整产业链布局，是目前国内碳纤维行业生产品种最全、生产技术最先 进、产业链最完整的龙头企业之一。
光威复材主要产品包括GQ3522/GQ4522/QZ5526/QM4035等系列化的碳纤维及织物、碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、碳纤维复合材料制品等产品，并具备碳纤维及碳纤维复合材料生产设备制造及生产线建设能力。产品主要应用领域分为国防军工和民用两大板 块。T300 碳纤维、阻燃预浸料生产过程控制获中国商飞 PCD 预批准。光威复材聘请国内碳纤维及复合材料领域的多位权威专家担任技术顾问，并与国内 10 余所高校和科研院所建立了战略合作关系。光威复材主持制定了《聚丙烯腈基碳纤维》和《碳纤维预浸料》两项国家标准，先后获得专利 142 项。
11. 中复神鹰：民用碳纤维龙头，获国家科技进步一等奖
中复神鹰隶属于中国建材集团有限公司，是集碳纤维及其复合材料研发、生产、销售为一体的国家高新技术企业。公司于 2022 年 4 月 6 日在上海证券交易所成功上市。中复神鹰系统掌握了 T700 级、T800 级、M30 级、M35 级千吨级技术以及 T1000 级、M40 级百吨级技术，建成国内首条千吨级干喷湿纺碳纤维产业化生产线、首个万吨碳纤维生产基地。2018 年 1 月，中复神鹰以第一完成单位获国家科学技术进步一等奖，是我国碳纤维 行业所获得的最高奖项。以主要起草单位身份参与《聚丙烯腈基碳纤维》国家标准的制定，《聚丙烯腈基碳纤维原丝》行业标准的制定。2021 年 8 月 18 日，公司“碳纤维航空应用研发及制造”项目在上海临港新片区大飞 机园开工。项目将由子公司中复神鹰(上海)科技有限公司负责实施，专注于航空树脂、航空用碳纤维中间制品和成型工艺的研发和制造，致力于促进国产碳纤维复材产业的高端化应用。
1. 中航西飞：C919 最大的机体结构供应商
中航西飞 2021 年航空产品营收 323 亿元，在主营业务占比 99%。中航西飞是我国最大的运输机研制生产基地，是我国主要的大中型运输机、轰炸机、特种飞机等飞机产品的 制造商，是新舟系列飞机、C919 大型客机、ARJ21 支线飞机、AG600 飞机以及国外民用 飞机的重要零部件供应商，为中国航空制造业首家上市公司。中航西飞是中国商飞 I 类供应商，是 C919 大型客机最大的机体结构件供应商，承担 了 C919 中机身（含中央翼）、外翼盒段等工作包，在飞机结构中占比超过 35%。2020 年 12 月，中航西飞完成重大资产置换，置入西安飞机工业（集团）有限责任公 司、陕西飞机工业（集团）有限公司、中航天水飞机工业有限责任公司等飞机整机制造及维修资产，实现对大中型飞机整机制造资产的专业化整合。
2. 航发动力：国内航空发动机制造龙头
航发动力 2021 年公司航空发动机及其衍生产品营收 318.8 亿元，占比 94.71%。作为航发集团旗下最主要的上市平台，集合了中国航发旗下多个企业单位、涉及航空发动机产 业链的多个环节。航发动力以军用发动机业务为基础，几乎垄断了当下我国所有先进航空发动机的整机集成交付市场。同时参与商用航空发动机研制，开展商发专区建设，巩固国产商用发动机核心供应商地位。在中国民用客机市场价值快速增加的背景下，商用航空发动机国产化替代收益空间大，将成为新的业绩增长点。
3. 中航沈飞：中国战机第一股
中航沈飞是集科研、生产、试验、试飞为一体的大型现代化飞机制造企业，是我国航空防务装备的主要研制基地，在航空防务装备领域具有较强的核心竞争力和领先的行业地位。在民用航空产品方面，是 C919 大型客机、ARJ21 支线飞机、空客 A220 飞机的重要零部件供应商。2021 年航空产品营收 337 亿元，在主营业务占比 98%。中航沈飞是中国商飞 I 类供应商，承担 C919 大型客机后机身、垂直尾翼、发动机吊挂、APU 舱门等机体结构的制造。2017 年，航空工业沈飞 100%股权注入中航沈飞，成为中航沈飞的唯一全资子公司，实现了核心军工资产整体上市，被誉为“中国战机第一股”。航空工业沈飞创建于 1951 年，是中国航空工业发祥地之一，被誉为“中国歼击机的摇篮”。
4. 中航重机：军民用航空锻件优势显著
中航重机 2021 年公司锻铸业务营收 65.8 亿元，占比 75%，主要面向军民两用航空装备制造行业，产品几乎覆盖国内所有飞机、发动机型号，并为国外航空企业提供配套服务。全资子公司陕西宏远、贵州安大分别为中国商飞Ⅲ类供应商，为 ARJ21 和 C919 提供各 类航空锻件。中航重机在整体模锻件、特大型钛合金锻件、难变形高温合金锻件、环形锻件精密轧制、等温精锻件、理化检测等方面的技术居国内领先水平，拥有多项专利；在高技术含量的航空材料（如各种高温合金、钛合金、特种钢、铝合金和高性能复合材料）应用工艺研究方面，居行业领先水平。
5. 中航高科：复合材料预浸料环节关键卡位
中航高科 2021 年公司新材料业务营收 36 亿元，占比 94%。全资子公司航空工业复材是我国航空复合材料行业的领跑者，在高性能树脂及预浸料技术、高性能复合材料新型结构、树脂基复合材料制造技术、金属基及陶瓷基(含 C/C)复合材料成型技术、材料表征与测试技术、先进无损检测技术等方面均处于国内领先地位。航空工业复材与航空工业制造院签署了《先进航空复合材料系列预浸料技术实施许可协议》，为国产 T800 级预浸料产业化发展创造了条件。成功入选中国商飞 CR929 前机身工作包唯一供应商，协同开展 C919 项目尾翼优化设计，内饰蜂窝入选中国商飞 QPL 目录。
6. 中航光电：航空防务高端制造互连解决
中航光电 2021 年公司连接器业务营收 126.9 亿元，占比 98%。是专业为航空及防务和高端制造提供互连解决方案的高科技企业。目前自主研发各类连接产品 300 多个系列、25 万多个品种。截至 2020 年底，公司累计获得授权专利 3500 余项，制订和修订行业标准 680 余项。公司为 C919 提供产品包括连接器、设备架等。2021 年 12 月 31 日，全资子公司中航光电（上海）有限公司在吴泾镇完成工商注册，注册资金 1 亿元。将促进形成以上海（闵行）为核心的“机载系统长三角航空产业聚集群”。同时，还将与已落户吴泾的中国商飞、中航商发等公司共同打造建设集设计、研发、制造、认证、维修、运营、服务在内的航空制造完整产业链体系。
7. 中航电子：吸收合并中航机电，公司市值近千亿
中航电子 2021 年公司航电业务营收 90.7 亿元，占比 92%，是航空工业旗下航空电子系统的专业化整合和产业化发展平台。产品谱系覆盖飞行控制系统、惯性导航系统、飞行 航姿系统、飞机参数采集系统、大气数据系统、航空照明系统、控制板主件与调光系统、飞行告警系统、电驱动与控制系统、飞行指示仪表、电气控制、传感器、敏感元器件等技 术领域。全资子公司上海航空电器有限公司、为中国商飞 I 类供应商，负责控制板组件与 调光控制系统、智能断路器板组件的开发。2022 年 6 月 10 日，中航电子、中航机电同步披露重组方案：中航电子以发行 A 股 方式换股吸收合并中航机电，并定增募集配套资金不超 50 亿元。截止停牌前 5 月 26 日 收盘市值，中航电子和中航机电分别为 397 亿元和 440 亿元，合计共 837 亿元。本次重组方案将整合航空电子系统、机电系统，优化航空工业机载板块的产业布局，形成航空机载近千亿级龙头。
8. 宝钛股份：国内钛合金行业龙头
宝钛股份是中国最大的钛及钛合金生产、科研基地，是国家高新技术企业。宝钛股份作为中国钛工业第一股于 2002 年上市。2021 年公司钛产品营收 47 亿元，在主营业务占比 93%。公司建立起“海绵钛、熔铸、锻造、板材、带材、无缝管、焊管、棒丝材、铸造、原 料处理”十大生产系统，形成 30000 吨钛铸锭和 20000 吨钛加工材生产能力。作为中国钛、锆等稀有金属国标的重要制定者，引领中国钛工业发展，建立起了完备的质保体系。宝钛股份是中国商飞Ⅲ类供应商，为 C919 提供多种规格的钛合金棒材、厚板和薄板 材料。2016 年荣获“大运工程”钛材唯一金牌供应商，并连续三届获得中国航天科技集团 优秀供应商，同时也是美国波音、法国空客、法国斯奈克玛、美国古德里奇、加拿大庞巴 迪、英国罗尔斯－罗伊斯等公司的战略合作伙伴。
9. 抚顺特钢：中国特殊钢的摇篮，打造“三高一特”
抚顺特钢是我国特殊钢材料重要的研发和生产基地，被誉为“中国特殊钢的摇篮”。2021 年公司钢铁产品营收 73 亿元，在主营业务占比 99%。抚顺特钢形成以“三高一特”（高温合金、超高强度钢、高档工模具钢、特种不锈钢）为核心产品，拥有包括高温合金、超高强度钢、不锈钢等重点产品在内的 5400 多个牌号 特殊钢材料的生产经验。具备年产能钢 95 万吨，材 77 万吨的能力。抚顺特钢超高强度钢产品纯洁度及综合性能国内领先，部分产品实物质量已经达到或超过国外领先产品的实物水平。抚顺特钢是中国商飞Ⅲ类供应商，联合宝钢特钢试制的国产超高强度 300M 钢用于 C919 飞机起落架，实现和支撑了 C919 超高强度 300M 钢的“中国制造”。
10. 光威复材：碳纤维产业链完善，主持制定 2 项国标
光威复材 2021 年公司复合材料业务营收 25.4 亿元，占比 97%，是国内碳纤维行业第一家 A 股上市公司。公司形成了从原丝开始的碳纤维、织物、树脂、高性能预浸材料、复合材料制品的完整产业链布局，是目前国内碳纤维行业生产品种最全、生产技术最先 进、产业链最完整的龙头企业之一。
光威复材主要产品包括GQ3522/GQ4522/QZ5526/QM4035等系列化的碳纤维及织物、碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、碳纤维复合材料制品等产品，并具备碳纤维及碳纤维复合材料生产设备制造及生产线建设能力。产品主要应用领域分为国防军工和民用两大板 块。T300 碳纤维、阻燃预浸料生产过程控制获中国商飞 PCD 预批准。光威复材聘请国内碳纤维及复合材料领域的多位权威专家担任技术顾问，并与国内 10 余所高校和科研院所建立了战略合作关系。光威复材主持制定了《聚丙烯腈基碳纤维》和《碳纤维预浸料》两项国家标准，先后获得专利 142 项。
11. 中复神鹰：民用碳纤维龙头，获国家科技进步一等奖
中复神鹰隶属于中国建材集团有限公司，是集碳纤维及其复合材料研发、生产、销售为一体的国家高新技术企业。公司于 2022 年 4 月 6 日在上海证券交易所成功上市。中复神鹰系统掌握了 T700 级、T800 级、M30 级、M35 级千吨级技术以及 T1000 级、M40 级百吨级技术，建成国内首条千吨级干喷湿纺碳纤维产业化生产线、首个万吨碳纤维生产基地。2018 年 1 月，中复神鹰以第一完成单位获国家科学技术进步一等奖，是我国碳纤维 行业所获得的最高奖项。以主要起草单位身份参与《聚丙烯腈基碳纤维》国家标准的制定，《聚丙烯腈基碳纤维原丝》行业标准的制定。2021 年 8 月 18 日，公司“碳纤维航空应用研发及制造”项目在上海临港新片区大飞 机园开工。项目将由子公司中复神鹰(上海)科技有限公司负责实施，专注于航空树脂、航空用碳纤维中间制品和成型工艺的研发和制造，致力于促进国产碳纤维复材产业的高端化应用。
#元器件那些事#
车辆电气化是交通运输行业实现减排的途径
本文概述了重型车辆电动化方面的电力电子技术详情，通过研究由能源生成、存储、运输和消耗构成的价值链，可帮助减低交通运输领域的碳排放，如图1所示。
【导读】本文概述了重型车辆电动化方面的电力电子技术详情，通过研究由能源生成、存储、运输和消耗构成的价值链，可帮助减低交通运输领域的碳排放，如图1所示。
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图1：基于清洁的可再生能源的
电动化交通运输
1. 简介
卡车、公交车和工程车辆亦称为重型车辆，据估算这些车辆的碳排放占据了交通运输领域排放量的25%，在欧洲总体温室气体排放量中占据了6%。
由于线上业务活动蓬勃发展，可以观察到跨越各大洲的长途交通运输业务出现相应的大幅增长，以及城市内的物品配送运营活动不断增加，这种状况并不限于欧盟地区。根据美国交通局公布数据[2]，在美国卡车车辆每年行驶里程大约为2960亿公里，燃烧了1130亿升汽油，进而产生多达2.94亿公吨的二氧化碳量。
在法规和更严格的排放要求推动下，车队运营商越来越多地转向使用零排放车辆。业界认为在全球范围所有主要城市中，提升公共交通以减少私家车数量是减低大都市碳排放的另一个重要考虑。在这个方面，使用零排放车辆运营是目标选择，最好与绿色的可再生能源相结合。
超过 3.5 吨级重型车辆的电动化是一项涉及多学科的艰巨任务，也是功率半导体产品面临的特殊挑战。与设计运行时间约为 8000 小时的典型客用车相比，卡车或公交车的使用寿命则要长得多(包括使用寿命和正常运行时间)。通用目标要求是一年 360 天、每天8 到 10 小时运行时间。预计这些车辆每天行驶多达 400 公里，在 15 年使用寿命期间总计行驶里程超过 200 万公里。在这方面，城市交通中使用的公交车同样面临挑战，因为它们单日需要行驶 200-300公里。而且，这些公交车辆固有的启停模式(start-stop-mode)带来了更多的难题。
全电动重型车辆包含了众多子系统，这些子系统需要使用非常可靠的解决方案。图 2 以电力电子器件为重点进行了深入的剖析。
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图2：“重型车辆”应用概述
经过十年来的电池技术发展，车辆电池成为了一个可行的解决方案，甚至对于电动重型车辆亦然。在过去十年中，每度电的价格已经下降了大约88%[3]。由于业界开发新的材料和生产工艺，以及制造能力不断增加，预计电价还将会进一步下降。同时，电池的能量密度持续增加，媒体不断报道有关技术突破的新闻。
电池可支持的充电循环次数是决定性参数，这代表着电池的使用寿命，因而非常重要。先前的凝胶式铅酸电池技术可提供几百次充电循环，而现代的锂电子电池则可以达到几千次充电循环。全球范围的电池制造商都在努力实现进一步的改善，并且已经公布了可实现超过10,000次循环和高达1 kWh/kg能量密度技术[4]。
所有这些因素使得车辆电池方案变得越来越有吸引力，甚至对于长距离车辆运营亦如此。接下来的挑战是在合理时间内为车辆充电，而所谓的合理与否，很大程度上取决于车辆的使用情况。
对于作为当地载客工具的客运公交车，最常见的选择是在轮班或夜间的休息时间停靠在车站里充电。在这种情形下，合理时间是指公交车闲置在停靠站中的几个小时。另一个选择则是在专门的充电站点进行充电。由于只有几分钟的时间，需要更高的充电功率才能向电池注入足够的能量。由于可在几个站点进行充电，可以考虑与在停靠站充电的方式相结合。
对于用于物流运营的卡车，就无法容忍花费几个小时充电的暂停作业。在这种情况下，必须在休息时间进行充电，而休息时间是驾驶员必须遵守的法律规定。未来没有驾驶员的自动驾驶卡车，甚至不需要休息。最理想的选择是在技术上实现最短时间充电。
因此，需要将支持这类车辆运营的基础设施视为价值链的一部分。
2. 电动化交通运输价值链
从可再生能源系统的发电到电解、传动系统、充电器和较小的车载应用，在交通运输价值链上可以找到功率范围从几瓦到几兆瓦的设计。
图3是相互连接部件的示意图。
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图3：用于从发电到电能消耗各阶段的
Littelfuse功率半导体产品
所有这些应用均需要使用高效和可靠的电子子系统。在这个严苛的环境中，控制、保护、传感器和电力电子器件无所不在，以安全高效地处理能量传输。如图所示，Littelfuse产品可以用于使用可靠的元器件来构建、运营和维护电动化交通运输环境。
3. 能量存储
对于为移动应用设备供电，现有三种主要的储存电能方法，每种方法各有其优缺点。
1. 在电场中使用电容器直接能量储存。电容器能够以非常高的速率进行充电和放电，从而提供极高的功率密度。除此之外，电容器不会像电池那样受到充电的影响，可以轻松实现数百万次充电循环。根据公式EC=1/2 C·U2，储存能量由电容器的容量和允许电压而定义。在技术方面，高电压的电容器只有低电容量，反之亦然。由于电容器以kWh/dm³为单位测量的能量密度低于电池，因而可以结合电容器与电池以提供高峰值功率，而电池充当主要的储能装置。
2. 在化学方面，能量储存在电池中。对于给定的电池化学，充放电能力受到化学过程的限制。现代的锂离子电池每公斤可以储存多达0.2到0.3kWh电能，这在目前的大多数应用中受到欢迎。在循环稳定性方面，目前采用的化学物质可以实现几千次充放电循环。
3. 从化学过程中获取作为能量载体的氢气，并在第二步中进行纯化。通过电解将水分离成氧气和氢气，提供了使用可再生能源来支持过程的方法。在所谓的燃料电池中，氢气和氧气会依次反应并产生电能。今天大多数可用的氢气是使用蒸汽重组器从石油和天然气中提取出来的。
4. 车辆与传动系统
如图4框图所示，重型车辆的传动系统在技术上与电动客用车的并没有太大的区别。
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图4：电池电动车辆的简化框图
重型车辆与客用车相比具有两项主要的区别。重型车辆的连续功率输出水平超过了客用车，在使用寿命方面也是同样。通常情况下，如果客用车的使用寿命是6000至8000个工作小时，那么卡车和公交车的使用寿命应该是它们的10倍之多。
尽管如此，商用车使用的电机大多数为永磁同步电机，由二级逆变器控制，如图5所示。
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图5：电动车辆传动系统的典型动力部分
图6所示是将氢气和氧气转化为水、热能和电能的燃料电池作为电源的扩展框图。大储槽中装有氢气，仍然需要电池在加速期间提供峰值功率，并在恢复期间储存能量。
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图6： 使用燃料电池的电动
车辆传动系统框图
除此之外，在构成燃料电池和电池之间接口的DC-DC转换器中，还需要更多的电子电力器件。
燃料电池传动系统固有的重要部件是压缩机，压缩机驱动强烈的气流进入燃料电池中，这些空气中含有平衡氢气和氧气所需要的氧气。
通过仔细研究燃料电池，可以了解到压缩机方面的挑战。图7是使用氢气进行能源转换所使用部件示意图。
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图7：燃料电池能量转换系统
根据燃料电池内需要的气体平衡，可以估算实现150 kW连续运作所需的气流：
● 1 kg H2 和8 kg O2生成大约20 kWh电能
● 每小时需要7.5 kg H2 + 60 kg O2
● 1 m²空气重量为1.2 kg，含有0.24 kg氧气
由此可见，每小时必须向燃料电池提供250 m³大气空气。由于燃料电池的负载可能变化得非常快，压缩机需要具备快速启动能力，这往往需要在几分之一秒内从零加速到100%速度。由于这些要求，驱动压缩机之逆变器的额定功率通常为20-40 kW。
如要真正将基于燃料电池的车辆作为一项绿色技术，就必须使用可再生能源来制造氢气。从石油或天然气中提取氢气是一个技术选项，但这种所谓的“黑氢”(black hydrogen)会出现副产品，也就是导致大量二氧化碳产生。
目前，业界正在考虑将风能和太阳能等可再生能源的电力与电解运作相结合，从而将水分离成氢气和氧气。特别地，如果用于消耗多余的电力，这种做法是支持电网稳定性以及生成氢气作为副产品的很好选项。世界各国纷纷制订计划，要将氢气作为减少温室气体排放的基石技术。
电解是直流电流驱动的应用。单个电解槽的正向电压低于2V，但在工业制氢中可能需要数千安培电流量。图8中的B12C拓朴结构是最普遍的兆瓦（MW）级整流方案。
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图8：带有B12C的整流器拓朴结构，也称为B6C-2P
十二脉冲B12C拓朴结构，也可以视为两个B6C结构的并联，称为B6C-2P。即使没有平滑和滤波，也可以在直流侧实现非常低的电压波纹。单级AC-DC能量转换也可以实现出色的效率。
使用的相关电子电力器件是采用压接封装的晶闸管或 IGBT器件，通常安装在所谓的器件堆栈中。IGBT的额定电流高达4500 A，晶闸管甚至超过8000 A。这些器件可以轻易满足高电流要求。此外，压接封装的短路故障(short-on-fail)特性带来了更好的可靠性和系统可用性。
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车辆电气化是交通运输行业实现减排的途径
本文概述了重型车辆电动化方面的电力电子技术详情，通过研究由能源生成、存储、运输和消耗构成的价值链，可帮助减低交通运输领域的碳排放，如图1所示。
【导读】本文概述了重型车辆电动化方面的电力电子技术详情，通过研究由能源生成、存储、运输和消耗构成的价值链，可帮助减低交通运输领域的碳排放，如图1所示。
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图1：基于清洁的可再生能源的
电动化交通运输
1. 简介
卡车、公交车和工程车辆亦称为重型车辆，据估算这些车辆的碳排放占据了交通运输领域排放量的25%，在欧洲总体温室气体排放量中占据了6%。
由于线上业务活动蓬勃发展，可以观察到跨越各大洲的长途交通运输业务出现相应的大幅增长，以及城市内的物品配送运营活动不断增加，这种状况并不限于欧盟地区。根据美国交通局公布数据[2]，在美国卡车车辆每年行驶里程大约为2960亿公里，燃烧了1130亿升汽油，进而产生多达2.94亿公吨的二氧化碳量。
在法规和更严格的排放要求推动下，车队运营商越来越多地转向使用零排放车辆。业界认为在全球范围所有主要城市中，提升公共交通以减少私家车数量是减低大都市碳排放的另一个重要考虑。在这个方面，使用零排放车辆运营是目标选择，最好与绿色的可再生能源相结合。
超过 3.5 吨级重型车辆的电动化是一项涉及多学科的艰巨任务，也是功率半导体产品面临的特殊挑战。与设计运行时间约为 8000 小时的典型客用车相比，卡车或公交车的使用寿命则要长得多(包括使用寿命和正常运行时间)。通用目标要求是一年 360 天、每天8 到 10 小时运行时间。预计这些车辆每天行驶多达 400 公里，在 15 年使用寿命期间总计行驶里程超过 200 万公里。在这方面，城市交通中使用的公交车同样面临挑战，因为它们单日需要行驶 200-300公里。而且，这些公交车辆固有的启停模式(start-stop-mode)带来了更多的难题。
全电动重型车辆包含了众多子系统，这些子系统需要使用非常可靠的解决方案。图 2 以电力电子器件为重点进行了深入的剖析。
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图2：“重型车辆”应用概述
经过十年来的电池技术发展，车辆电池成为了一个可行的解决方案，甚至对于电动重型车辆亦然。在过去十年中，每度电的价格已经下降了大约88%[3]。由于业界开发新的材料和生产工艺，以及制造能力不断增加，预计电价还将会进一步下降。同时，电池的能量密度持续增加，媒体不断报道有关技术突破的新闻。
电池可支持的充电循环次数是决定性参数，这代表着电池的使用寿命，因而非常重要。先前的凝胶式铅酸电池技术可提供几百次充电循环，而现代的锂电子电池则可以达到几千次充电循环。全球范围的电池制造商都在努力实现进一步的改善，并且已经公布了可实现超过10,000次循环和高达1 kWh/kg能量密度技术[4]。
所有这些因素使得车辆电池方案变得越来越有吸引力，甚至对于长距离车辆运营亦如此。接下来的挑战是在合理时间内为车辆充电，而所谓的合理与否，很大程度上取决于车辆的使用情况。
对于作为当地载客工具的客运公交车，最常见的选择是在轮班或夜间的休息时间停靠在车站里充电。在这种情形下，合理时间是指公交车闲置在停靠站中的几个小时。另一个选择则是在专门的充电站点进行充电。由于只有几分钟的时间，需要更高的充电功率才能向电池注入足够的能量。由于可在几个站点进行充电，可以考虑与在停靠站充电的方式相结合。
对于用于物流运营的卡车，就无法容忍花费几个小时充电的暂停作业。在这种情况下，必须在休息时间进行充电，而休息时间是驾驶员必须遵守的法律规定。未来没有驾驶员的自动驾驶卡车，甚至不需要休息。最理想的选择是在技术上实现最短时间充电。
因此，需要将支持这类车辆运营的基础设施视为价值链的一部分。
2. 电动化交通运输价值链
从可再生能源系统的发电到电解、传动系统、充电器和较小的车载应用，在交通运输价值链上可以找到功率范围从几瓦到几兆瓦的设计。
图3是相互连接部件的示意图。
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图3：用于从发电到电能消耗各阶段的
Littelfuse功率半导体产品
所有这些应用均需要使用高效和可靠的电子子系统。在这个严苛的环境中，控制、保护、传感器和电力电子器件无所不在，以安全高效地处理能量传输。如图所示，Littelfuse产品可以用于使用可靠的元器件来构建、运营和维护电动化交通运输环境。
3. 能量存储
对于为移动应用设备供电，现有三种主要的储存电能方法，每种方法各有其优缺点。
1. 在电场中使用电容器直接能量储存。电容器能够以非常高的速率进行充电和放电，从而提供极高的功率密度。除此之外，电容器不会像电池那样受到充电的影响，可以轻松实现数百万次充电循环。根据公式EC=1/2 C·U2，储存能量由电容器的容量和允许电压而定义。在技术方面，高电压的电容器只有低电容量，反之亦然。由于电容器以kWh/dm³为单位测量的能量密度低于电池，因而可以结合电容器与电池以提供高峰值功率，而电池充当主要的储能装置。
2. 在化学方面，能量储存在电池中。对于给定的电池化学，充放电能力受到化学过程的限制。现代的锂离子电池每公斤可以储存多达0.2到0.3kWh电能，这在目前的大多数应用中受到欢迎。在循环稳定性方面，目前采用的化学物质可以实现几千次充放电循环。
3. 从化学过程中获取作为能量载体的氢气，并在第二步中进行纯化。通过电解将水分离成氧气和氢气，提供了使用可再生能源来支持过程的方法。在所谓的燃料电池中，氢气和氧气会依次反应并产生电能。今天大多数可用的氢气是使用蒸汽重组器从石油和天然气中提取出来的。
4. 车辆与传动系统
如图4框图所示，重型车辆的传动系统在技术上与电动客用车的并没有太大的区别。
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图4：电池电动车辆的简化框图
重型车辆与客用车相比具有两项主要的区别。重型车辆的连续功率输出水平超过了客用车，在使用寿命方面也是同样。通常情况下，如果客用车的使用寿命是6000至8000个工作小时，那么卡车和公交车的使用寿命应该是它们的10倍之多。
尽管如此，商用车使用的电机大多数为永磁同步电机，由二级逆变器控制，如图5所示。
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图5：电动车辆传动系统的典型动力部分
图6所示是将氢气和氧气转化为水、热能和电能的燃料电池作为电源的扩展框图。大储槽中装有氢气，仍然需要电池在加速期间提供峰值功率，并在恢复期间储存能量。
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图6： 使用燃料电池的电动
车辆传动系统框图
除此之外，在构成燃料电池和电池之间接口的DC-DC转换器中，还需要更多的电子电力器件。
燃料电池传动系统固有的重要部件是压缩机，压缩机驱动强烈的气流进入燃料电池中，这些空气中含有平衡氢气和氧气所需要的氧气。
通过仔细研究燃料电池，可以了解到压缩机方面的挑战。图7是使用氢气进行能源转换所使用部件示意图。
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图7：燃料电池能量转换系统
根据燃料电池内需要的气体平衡，可以估算实现150 kW连续运作所需的气流：
● 1 kg H2 和8 kg O2生成大约20 kWh电能
● 每小时需要7.5 kg H2 + 60 kg O2
● 1 m²空气重量为1.2 kg，含有0.24 kg氧气
由此可见，每小时必须向燃料电池提供250 m³大气空气。由于燃料电池的负载可能变化得非常快，压缩机需要具备快速启动能力，这往往需要在几分之一秒内从零加速到100%速度。由于这些要求，驱动压缩机之逆变器的额定功率通常为20-40 kW。
如要真正将基于燃料电池的车辆作为一项绿色技术，就必须使用可再生能源来制造氢气。从石油或天然气中提取氢气是一个技术选项，但这种所谓的“黑氢”(black hydrogen)会出现副产品，也就是导致大量二氧化碳产生。
目前，业界正在考虑将风能和太阳能等可再生能源的电力与电解运作相结合，从而将水分离成氢气和氧气。特别地，如果用于消耗多余的电力，这种做法是支持电网稳定性以及生成氢气作为副产品的很好选项。世界各国纷纷制订计划，要将氢气作为减少温室气体排放的基石技术。
电解是直流电流驱动的应用。单个电解槽的正向电压低于2V，但在工业制氢中可能需要数千安培电流量。图8中的B12C拓朴结构是最普遍的兆瓦（MW）级整流方案。
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图8：带有B12C的整流器拓朴结构，也称为B6C-2P
十二脉冲B12C拓朴结构，也可以视为两个B6C结构的并联，称为B6C-2P。即使没有平滑和滤波，也可以在直流侧实现非常低的电压波纹。单级AC-DC能量转换也可以实现出色的效率。
使用的相关电子电力器件是采用压接封装的晶闸管或 IGBT器件，通常安装在所谓的器件堆栈中。IGBT的额定电流高达4500 A，晶闸管甚至超过8000 A。这些器件可以轻易满足高电流要求。此外，压接封装的短路故障(short-on-fail)特性带来了更好的可靠性和系统可用性。
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