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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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吃燕麦能减肥:超市那么多种燕麦,哪种才减肥?
燕麦是值得推荐的谷物,受欢迎度也一直很高,它以高蛋白、高膳食纤维跻身于健身减肥、糖尿病等。但是,如果选错了,小心背道而驰。
超市里那么多种燕麦,真的让人有点分不清,想要减肥和调控血糖,到底哪种才减肥?
一、为什么把燕麦推荐为减肥食物
明明燕麦的热量很高,为什么还要把它视为减肥食物呢?
从我们减肥热量查询库查询燕麦片的热量,它的确是比大米还高。
但为什么还要推荐?因为燕麦富含膳食纤维,它的膳食纤维含量为:12g/100g,我国膳食纤维的建议摄入量是25g/天,所以它是很好的一款减肥食物。
燕麦中有一种神奇的东西:β-葡聚糖,它的粘度超高,消化速度很慢,所以吃它能有较强的饱腹感。
对于精加工的大米和白面,它们的消化速度很快,餐后血糖急剧上升,极易促进甘油三酯的形成。
所以,燕麦片就渐渐成为了我们减肥的必备食物。
二、燕麦减肥的优点和缺点
燕麦片的优点:
1、每30g燕麦中含天然抗氧化剂、脂肪酶、可溶性膳食纤维;
2、它是营养极高的一种食品,含蛋白质达15%,水分9.2%,碳水化合物66.9%,以及磷、钾、钙等元素,能够补充能量和人体所需的蛋白质;
3、可任意添加自己喜欢的健康佐料:牛奶、坚果、鲜果、蜂蜜等,醇厚的麦香不仅口齿萦绕、更能喂饱你的胃和健康。
燕麦片的缺点:
1、加工程度越低的燕麦,需要烹制的时间越久;
2、吃多了易导致胃痉挛或者胀气;
3、仅靠燕麦片来减肥很伤身,如果仅仅依靠吃麦片代替其他食物,会引起营养不良、内分泌失调等问题;
4、燕麦减肥见效时间长,虽然燕麦片可以通过增加饱腹感来达到减肥的效果,但这也是需要很长一段时间才能看出来。
三、燕麦的种类
市场上的燕麦,根据煮食的麻烦程度,可大致分为3类:
1、需要煮的燕麦米
这是市场上加工程度最低,也是营养保存得最完整的燕麦。
燕麦米吃起来饱腹感强,而且非常粘稠,这是β-葡聚糖所致,β-葡聚糖有降低胆固醇、控制血糖、调节肠道等功效,燕麦米的健康功效是这几种燕麦中最大的。
燕麦米比较难熟,用高压锅至少要煮个45分钟左右,可以加入大米或其它各种五谷杂粮豆类。
超市销售燕麦片的货架上,一般较难找到燕麦米的身影,可尝试去卖散装杂粮的地方找找。
2、需要煮的燕麦片
这种燕麦片是用燕麦粒压扁制成的,一般分成传统燕麦片和快熟燕麦片两种,后者加工得更深,压得更薄,质地更软。
它在营养上虽不如燕麦米,但其蛋白质含量仍然高达12%~15%,而且富含膳食纤维、钙、钾、不饱和脂肪酸等营养成分,还含有具有保健功能的β-葡聚糖。
这种燕麦片比燕麦米更好煮,传统燕麦片需要煮10分钟左右或微波炉加热3-5分钟,快熟燕麦片煮的时间更短,或放入微波炉高温煮1-2分钟就可以了。吃的时候还可以加入牛奶、豆浆、干果、鸡蛋、肉类等。
3、开水即食的燕麦片
这是市场上最常见的一种燕麦片,它在加工程度比前两种都深,营养价值上比需要煮的燕麦片可能稍逊色些,看起来更散碎,但仍看得清形状。另外,在包装上通常有“即食”或“免煮”的字样。
这种燕麦片不需要加热,直接加入80℃以上的热开水泡5分钟左右,可以根据个人喜好加入牛奶、豆浆、干果、鸡蛋、肉类等。
还有不完全是燕麦的产品:
1、冷牛奶也能泡的“谷物早餐”
这类产品大多经过膨化处理,口感非常脆爽。
在谷物成分上,除了燕麦,还有大米、大麦、小麦等谷物,因而燕麦的健康功效比较低。
不过,它强化了维生素、矿物质等营养素,而且食用方便,加入牛奶、酸奶、豆奶、豆浆等即可食用。
2、速溶的“营养麦片”
营养麦片不一定是以燕麦作为主要谷物(甚至不添加燕麦),也可能以小麦、大米、玉米等作为主要谷物,并加入植脂末(奶精)、白砂糖、麦芽糊精、食用香精等。
营养麦片在营养价值上远不如纯燕麦片,它的蛋白质含量一般不高于5%;糖分更多,血糖生成指数升高,饱腹感降低;
植脂末的添加也可能带入反式脂肪酸,过量的反式脂肪酸可引起人体血脂代谢异常,升高“坏胆固醇”、降低“好胆固醇”,从而增加心血管疾病发生的风险,也可能增加糖尿病、肥胖等慢性疾病的患病风险。
四、如何判断是否为纯燕麦片
判断是否为纯燕麦片,可以先看配料(表),是否只有“燕麦片”或“燕麦”或“100%纯燕麦”这样的字眼,如果是,就是纯燕麦片;
再看看营养成分表,纯燕麦片的蛋白质含量一般为12%以上;另外,纯燕麦片的包装相对简单,一般不是很起眼,当然这不绝对。
此外,挑选燕麦片时,同类产品尽量选蛋白质、B族维生素等更高者;生产日期越近越好,有机、绿色的更佳,是否进口看个人喜欢。
五、减肥人群该怎么选择燕麦片
1、方便烹调的人,建议首选需要煮的燕麦米或燕麦片;
2、不方便烹调的人(如学生党、忙碌上班族),以及那些消化不良的人,建议选择开水即食的燕麦片(当然,也可选择冷牛奶也能泡的“谷物早餐”);
3、减分人群首选需要煮的燕麦米或燕麦片。
六、如何烹食燕麦才减肥
1、燕麦酸奶
酸奶能促进肠胃蠕动,缓解便秘减轻体重,还具有较强的饱腹感,而燕麦富含维生素B等,有利于加快新陈代谢速度,清热通便,对减肥很有益。
2、水果燕麦酸奶
午餐和晚餐可以吃这个水果燕麦酸奶,燕麦酸奶中加入了水果,让你吃的时候不会感觉到腻,而且水果不但能帮助减肥,还能美容。
3、蔬菜燕麦
蔬菜含有大量的维生素和矿物质,能帮助提高身体免疫力,还能帮助消化,加上酸奶、燕麦的结合,减肥效果更佳。

八点不到就醒来,但赖床刷手机,直到9点半才下楼吃早餐。四十多的老阿姨视碳水如洪水猛兽,但时不时会念想妙香的拌面,今天也是。吃完拌面要去早龙给小妞买皮蛋粥,路口偶遇卖蟹的渔民,买了一只大肉蟹三只梭子蟹,拿两只给热爱海鲜的老爸,另外两只打算中午做个螃蟹瘦肉粥。然而小妞不领情,说要去吃味太助。。。好吧,那蟹还是️先处理一下免得坏掉,先炒熟放着晚上再来煮吧。 https://t.cn/EyPFKKk


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