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#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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#好品山东丨深耕蓝色海洋经济 滨州着力打造“中国渔盐之乡”#这就是淄博
 6月29日,“品质滨州”主流媒体滨州行采访团走进“中国渔盐之乡”——滨州市沾化区滨海镇,了解“渔光一体”、“上风下盐”的融合发展模式。

  “小虾苗”撬动“大产业”

  白花花的盐场,亮晶晶的盐山,天空一望无际,虾田碧色万顷,巨大的风车在海风吹拂下缓缓旋转,滨海镇独特的渔村风情让采访团队记者们眼前一亮。

  滨海镇位于渤海湾南岸,是滨州市的北大门,镇域内拥有海岸线38.84公里,盐田40余万亩。据工作人员介绍,滨海镇附近的海水终年温差大,海水卤度高,海盐、微量元素等自然资源丰富,盛产鱼、虾、蟹、贝等海产品。在琳琅满目的特色海产品中,滨海盐田虾独领风骚。这种在鲁北地区高盐海水里成长起来的南美白对虾,口感鲜美、营养丰富,深受国内外海鲜市场欢迎。

  为深入了解盐田虾产业,采访团来到滨海镇渤海水产的生态育苗棚,在这里,工作人员向记者展示了鲜活的盐田虾虾苗。渤海水产工作人员介绍,经过对虾生态育苗棚标粗的南美白对虾虾苗个头大、成活率高,能够迅速适应养殖环境,还能减少室外虾池养殖时间,实现提前上市。此外,渤海水产还通过铺设地热管线、加强大棚厚度等方式,提高对虾生态育苗棚的温度,探索反季节养殖南美白对虾,提升成虾的产量产值。

  滨海镇另一渔业企业滨州科勒海现代渔业园则涵盖南美白对虾的育种育苗、海水养殖、工厂化养殖、水产销售等渔业项目。科勒海现代渔业园区经理王青介绍,科勒海建成现代对虾种苗繁育中心,积极推广“科海对虾系列苗种”,并实施标准化池塘改造,实现了养殖用水可循环利用,既避免了对外部水环境造成污染,同时也有效防止外部污染进入养殖环境,有效提高了养殖对虾的质量安全水平。

  据统计,渤海水产、科勒海等渔业企业年可培育盐田虾幼体230亿尾、籽虾20亿尾,标粗虾苗5.2亿尾,占据北方近三分之一的对虾市场。近年来,滨海镇大力推行“繁育推”现代养殖新模式,完善从育苗到养殖的工厂化链条,建成6.32万平工厂化育苗养殖车间,实现无缝对接、压茬生产,并创新实施了“南苗北育”工程,使在北方海水中成长的虾走上百姓餐桌。

  除此之外,滨海镇还着力扶持特色品牌做优做强,建设村级卫星工厂暨小微企业成长产业园,全面打通以盐田虾为首的海产品生产、加工、销售各环节,铺平产业发展道路。滨海镇通过专业团队设计、注册申请、精美设计包装等方式,实施区域公用性品牌推广计划,打造出“滨海盐田虾”等特色品牌。目前,滨海镇设有2个直营体验实体店,推出“中国渔盐之乡”系列7个系列16个品类29个单品。

  “小盐粒”转动“大发展”

  渔盐产业是滨海镇的支柱产业,全年原盐产量超100万吨,优一级品率达95%以上,畅销山东、河北、河南等地。据了解,滨海镇一年收获海盐2次,分别叫做春盐和秋盐,在天气晴好时,不同浓度的盐池呈现出不同的色彩,犹如大地上的巨型调色板。

  在山东滨化长悦新材料有限公司,道路两旁洁白的盐堆映着晚霞,吸引了记者的注意。滨化长悦新材料有限公司是滨海镇的原盐生产龙头企业,该公司生产一区经理王泽岗介绍,山东滨化长悦新材料有限公司持续优化原盐生产工艺,通过整合优化滩涂及卤水资源,调整生产结构,不断提升原盐产能。海盐生产以海水和渔业养殖尾水为原料,依靠蒸发制卤、塑苫保障,执行新卤制盐、深卤晒制、长时间结晶的“新深长”生产工艺,最后经过机械收盐、管道洗涤,将海盐堆垛于场地,这种通过多道工序产出的海盐色泽好,颗粒均匀,品质绝佳。

  近年来,滨海镇大力发展蓝色海洋经济,深挖区位、资源优势,通过革新制盐技术、调整盐业产业结构,推动盐业资源的合理开采和综合利用。

  滨海镇聚焦盐业结构优化升级,通过积极对接高等院校、培育土专家和引进高端人才,优化工序,提高产量;依托“初卤养殖、中卤提溴、高卤晒盐”的闭合循环海水利用模式,着力推动盐与盐化工行业高度结合,发展溴化工高新技术,探索溴盐产业转型升级。同时滨海镇按照“强链条、提品质、创品牌”的盐业发展思路,发挥海盐绿色、生态的优势,积极开发盐袋等盐制品,增加海盐产品的多样性,提升盐业产业的综合竞争力。

  “小融合”构建“大格局”

  近年来,滨海镇按照“强链条、提品质、创品牌”的盐业发展思路,大力探索海水晒盐、渔业养殖、光伏发电、风力发电等多产业共生、共利、共强的发展新途径,形成了“上风中光下渔底盐”的产业融合发展模式,持续深挖壮大蓝色海洋经济。

  沿着广阔的海天大道和创业大道,采访团抵达滨海镇通汇“渔光一体”现代产业园。该产业园位于沾化区滨海镇创业大道东西两侧,总占地面积9431亩,在海洋牧场上安装86万块多晶硅电池组件,总装机量300兆瓦,年可发电4.2亿度,产值约1.6亿元。

  在产业园,大众网·海报新闻记者看到,水上是鳞次栉比的光伏板,水下养殖的是南美白对虾。“渔光一体”现代产业园项目经理杜长树说,他们每年5月份向光伏下的池塘里投放盐田虾虾苗,亩均投放虾苗约2万尾,采用天然饵料丰年虫喂养,这些虾苗在海洋牧场内生长几个月即可收获。

  通汇“渔光一体”项目光伏板采用25°倾斜角固定方式安装,达到最佳发电和遮光效果,遮光后水温下降1-2度,“渔光一体”池中的盐田虾较普通盐田虾晚成熟3-5天,虾的肉质更加紧实。人放天养,适者生存,有效保证了“渔光一体”现代产业园内的盐田虾的品质。

  按照集约、节约原则,滨海镇优化土地资源配置,提高土地亩均效益,整合“风、光、渔、溴、盐”资源,大力探索多产业共生发展的新途径,实现工业牵手农业,二产带动一产,实现了蓝色产业的绿色转型。同时滨海镇正在高标谋划盐业文旅项目,依托万亩盐田打造集研学、参观、购物、养生于一体的盐业生态示范区,助力一二三产高度融合。

  依海而生,向海而兴。位于渤海湾畔的滨州有着漫长的海岸线。水域滩涂广阔、海洋资源丰富、开发潜力巨大,海洋是未来滨州发展的后劲所在、潜力所在、希望所在。一直以来,滨州市高度重视海洋经济发展,“渔盐小镇”的打造,为深挖蓝色海洋经济添上浓墨重彩的一笔。

(来源:海报新闻)


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