降低汽车二氧化碳排放量正在越来越多地引起人们的关注，二氧化碳排放问题将可导致汽车开发和生产成本的上升。随着政策制定者开始针对二氧化碳排放征税，汽车生产商将二氧化碳排放交易证书及二氧化碳排放罚金的成本转嫁到消费者身上，高二氧化碳排放量将给汽车购买者带来额外的成本。在本文中，英飞凌展示了如何通过在一些汽车应用中实现基于需求的性能控制，来切实可行地实现20g/km的二氧化碳减排。
1 前言
在德国汽车生产商可能无法实现他们自行制定的2008 年140g/km的二氧化碳排放目标（相差约20g/km）的消息传开后，消费者和政策制定者要求他们降低油耗的压力与日俱增。欧盟委员会已经明确表示不会在汽车二氧化碳减排问题上让步，并计划在2008年将汽车平均二氧化碳排放量限制在140g/km以下，到2012年之前则进一步降至130g/km（包括生物柴油）。未能达标的汽车厂商很可能会受到处罚。二氧化碳排放量高的汽车将面临劣势，这必然对汽车生产商的业绩造成较大的影响。我们可以通过成本效益分析确定成功降低二氧化碳排放量需要付出的努力。本文提出了一些二氧化碳减排建议，并特别关注了当今机动车中没有实现基于需求控制的辅助设备的电负荷和其他项目。相关主题在[1]中进行了更为广泛和具体的探讨。
2 二氧化碳成本效益评估
让汽车按需控制设备以降低二氧化碳排放通常会导致成本上升。在过去，这样做的唯一好处是降低油耗，但目前的情况在某种程度上已经有所不同。客户将从燃油成本节省和更低的二氧化碳排放税（尚未施行）中受益，与此同时，汽车生产商也可以从中受益：一方面可确保符合汽车油耗要求从而避免罚金（尚未施行），而且不必大举打折来推销吸引力较低的车型。充分考虑到这些因素，每降低1g/km 的二氧化碳排放量到底能为汽车消费者和生产商带来多少好处呢？油耗和电耗或额外有效负荷之间的关系为这个答案奠定了基调。
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图 1：与电耗和额外有效负荷相关的二氧化碳排放
图1 展示了100W 电负荷或额外50kg 的有效负荷将导致汽车油耗每100km 增加0.1公升。 因此每公里1g的二氧化碳排放量等于40W左右的持续电负荷或20kg 左右的有效负荷。
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图2：每公里降低1g二氧化碳的潜在商业价值
图 2 显示了降低二氧化碳排放可以带来的好处。假设未来二氧化碳排放量更高的汽车较二氧化碳排放性能更优的同类汽车更难卖。为了出售一辆价格为20,000欧元、二氧化碳排放量高50g/km 的汽车，汽车生产商可能不得不打9.5折，或降价1,000欧元。这相当于每辆车每公里额外排放1 g二氧化碳会令生产商损失20欧元。换句话说，汽车生产商（OEM）可以投资20欧元降低1g/km二氧化碳排放量而不会降低利润。此外，如果生产商的汽车油耗不达标，将不得不支付罚金和罚款。罚款额度可以差不多估计出来。
例如，2007年1月，Ferdinand Dudenhöffer提出一项建议 [2] ：Smart 等小型车的使用应该得到720 欧元的奖励，保时捷Cayenne Turbo S这样的大型车应该罚款7,100欧元。鉴于Smart和保时捷Cayenne的二氧化碳排放量分别为116g/km和378g/km，OEM每公里降低1g的二氧化碳排放量可以节省29.80欧元。
对于OEM来说，汽车销售状况的改善和更低的罚金意味着每辆车每公里降低1g的二氧化碳排放量可以节省49.80欧元。这是一个非常可观的数字，说明即使从商业的角度来看，大幅降低汽车的二氧化碳排放量都是值得的。
对于汽车消费者来说，也可以进行相似的计算。假设汽油价格为每升1.40欧元，每年行驶里程为15,000km，每公里降低1 g二氧化碳排放量每年可以节省8.90欧元，这还未考虑未来根据二氧化碳排放量征收的额外税款。具体征税的方法在本文完成前还未公布，但德国***已经表示汽车税可能会保持在现在的总体水平上，但将基于二氧化碳排放量计算，而不是像现在一样根据发动机排量计算。目前根据发动机排量计算的D4类2公升发动机汽车的年均税款（汽油和柴油）为233欧元。假设这类引擎二氧化碳排放水平为175g/km，每公里降低1 g二氧化碳排放量每年可以节省1.33欧元的税款。
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图 3：每公里降低1g二氧化碳排放量对汽车生产商和消费者带来的成本效益/节省
图3 总结了汽车消费者能够节省的总成本：每公里降低1 g二氧化碳排放量每年可以节省10.23欧元。算上里程数（每年15,000公里），汽车消费者每100km可以节省6.8欧分。生产商和消费者由此获得的潜在成本节省空间或成本优势都说明：有必要努力生产二氧化碳排放性能更好的汽车。汽车生产商显然明白其中的道理。[3]
3 通过基于需求的性能控制来降低二氧化碳排放
3.1 一般车身应用基于需求的控制
根据上一章节中对生产商和消费者节能和成本节省的探讨，我们可以研究多种不同的应用，然后评估降低二氧化碳排放涉及的额外开支在商业上是否划算，这种投资多久（多少里程）能够收回成本。这些计算是基于生产成本的。对终端用户收取多少其他费用取决于OEM。另外，计算是保守的，只考虑了消费者在油耗和二氧化碳排放税方面的成本节省空间。
3.1.1 基于需求的车灯PWM控制
汽车运用白炽灯的历史已经很久了。白炽灯通常通过电池电压运行。这些车灯设计电压为12V，但大多数情况下它们在14.4V左右的实际充电电压下运行。这会导致更高的电流，从而会缩短车灯的运行寿命。脉宽调制(PWM) 控制单元被广泛应用于汽车车灯，主要是用来避免更高电压下车灯运行寿命的缩短以及光强度的波动。如果车灯在14.4V电压下运行，汽车照明的功耗会大幅上升，通常由200W上升至 270W。这意味着启用照明时，如果应用PWM控制单元可以节省约70W 的功率。假设白天和黑夜用车时间长度比为1:1，平均能节省的功率达35W，这将意味着降低0.8g/km的二氧化碳排放量或每百公里0.03l的油耗。这种系统可以轻松安装到汽车上。目前已经有许多厂家运用英飞凌PROFET和SPOC系列MOSFET在各种量产车上安装了PWM控制单元，涉及的额外成本估计为每辆车7欧元左右。因此，仅需行驶13,000 公里或0.8年后，成本自然收回，与此同时，车灯的耐用性得到了提高并实现了亮度更恒定的照明。
3.1.2 运用LED而非白炽灯降低功耗
汽车生产商在车尾采用LED灯已有数年历史。除了为设计提供更高的自由度，LED在工程上也带来多种优势。与二氧化碳排放相关的好处是它们将大幅改善照明效率。未来LED的光通量将大大超过50lm/W，约为卤素灯的两倍。与现在由白炽灯构成的汽车照明系统（功耗约为200W）相比，LED照明功耗最大为100W。再次假设白天和黑夜用车时间长度比为1:1，LED照明平均能节省的功率达50W，这将允许降低约1.2g/km的二氧化碳排放量或每百公里0.05l的油耗。
在汽车上采用LED照明技术的成本仍然较高，保守估计会造成45 欧元的额外成本。现在市场上供应的LED控制器组件包括TLE8366和TLD5045 DC/DC转换器。在上述情况下，仅需行驶56,000公里或运行3.7年后，LED照明的成本自然收回。
3.1.3 降低控制单元的运行电流
迄今为止，降低控制单元的静电流一直是各种开发项目的研究重点，而控制单元的实际运行电流所受关注度则要低得多。因此，不出意料的是，当今汽车信息娱乐系统中的控制单元通常在8A左右的持续电流下运行——虽然有办法可以在平均4A的恒定电流下运行这种系统。运用TLE6389或TLE8366等DC/DC 电压控制器只是降低功率要求的方法之一。将信息娱乐系统的运行电流降低4A 能够节省50W的电能，相当于可以降低 1.2g/km的二氧化碳排放量或每百公里0.05l的油耗。
这样的系统改进可以通过现有技术实现，成本相对较低。仅需行驶7,000公里或运行0.4年后，每个控制单元估计约为5欧元的成本可以很快收回。
3.2 驱动和动力系统基于需求的控制
3.2.1 实现PWM控制的燃油泵
在电气驱动领域，大幅降低二氧化碳排放量的方式方法非常多。燃油泵是其中一例。现在的汽车通常都安装了电动燃油泵，通过继电器或MOSFET直接静态启动。而运用PWM根据需求控制燃油泵能够降低功耗40%。假设一个由XC866 8位微控制器、TLE7259 LIN收发器、BTS7970半桥和电压控制器组成的额外控制单元直接安装在燃油泵上，汽车能够减少1.9g/km的二氧化碳排放量，成本仅需20欧元左右。这一投资仅需1年或行驶15,000公里后即可收回。
3.2.2 实现PWM控制的空调风机
在许多车辆中，搭载PWM控制单元的空调风机已经是标配。但市场上仍有相当大比例的风机运用线性驱动的MOSFET作为风机和电机之间的外部电阻，导致80W至130W的功率变成废热。在此假设PWM控制单元可帮助平均减少80W的废热或1.9g /km的二氧化碳排放量。不管是否使用Optimos-T 之类的MOSFET或NovalithIC之类的安全解决方案，安装PWM风机的额外成本不到10欧元。这一投资仅需半年或行驶8,000公里后即可收回。
3.2.2 实现低损耗有源整流的交流电机
交流电机是一个会导致成本大幅上升的组件。与之前的其他例子不同的是，交流电机的重点不是降低电耗，而是提高发电效率。标准交流电机运用二极管整流，但运用开关MOSFET替代二极管可以降低二极管的通态功率损耗，并能将交流电机效率提高约10%。这里10%的功率提升意味着节省相当于150W 的电耗，降低3.5g/km的二氧化碳排放量。180 欧元的成本在行驶75,000或5年后可收回。
3.2.3 电动助力转向系统(EPS)
在传统的液压电动转向系统中，液压泵是由汽车引擎通过V型带直接驱动的。液压电动转向系统的耗电当量为300W。如果电机直接提供转向辅助，平均功耗将降至低于50W ，节省功率250W。假设基于两个XC2200微控制器、一个TLE7189F 桥驱动器、六个IPB180N04S3-02 MOSFET 和一个定制系统IC 的电动转向系统所需额外成本约为60欧元，这一投资仅需1年或行驶15,000公里后即可收回。EPS能够降低5.9g/km的二氧化碳排放量，仅逊于电动主水泵。
3.2.4 实现基于需求控制的电动主水泵
如果将引擎驱动的传统水泵与电动解决方案相比，会发现两个关键的优势：首先泵的运行可以基于需求进行控制（例如冷运行阶段可以完全关闭水泵）。其次，热管理可以得到改善，从而提高汽车引擎的效率。计算结果显示，燃油效率每百公里可提高约0.3l。这相当于降低7.1g/km的二氧化碳排放量，比上述所有应用示例降低的二氧化碳量都多。这一措施所需投资仅为55欧元左右，成本仅需0.8年或行驶12,000公里后即可收回。
3.3 基于需求控制可累积减少的二氧化碳排放量
表1 列出了本文中介绍的所有可能降低的二氧化碳排放量。如果所有这些减排措施均在一辆车上完成，总体结果将如图4所示。鉴于这里的许多改善措施都被用于判断车辆二氧化碳排放量的正式行驶循环考虑，这些措施能够使OEM大步向130g/km的二氧化碳排放量既定目标迈进。
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图4：降低二氧化碳排放量建议措施综述
4 结论
总之，对一些关键应用进行改进将使得汽车生产商把二氧化碳排放量在目前160g/km左右的基础上降低至接近140g/km。实现各种应用基于需求控制的所需半导体组件在市场上均有供应。将这种技术整合至汽车所产生的额外成本光通过降低油耗、节省未来的二氧化碳排放税就可以在1至5年内自行收回。OEM还将受益于更低的二氧化碳排放罚金。为降低二氧化碳排放量而对各种应用进行的改进还有本文未予以介绍的额外好处。鉴于燃油价格日益上涨、政策制定者计划推出基于二氧化碳排放的汽车税等等因素，现在的成本效益分析表明，从汽车生产商和消费者的角度来说，采取措施降低二氧化碳排放都是值得的。
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表1：示例综述
参考文献
[1] Graf, A., Köppl, B.: “CO2-Reduktion durch bedarfsgerechte Leistungssteuerung”, 13th International Conference on Electronics in Automobiles, Baden-Baden, October 10-11, 2007
[2] Dudenhöffer, F.: “Experte fordert Emissionshandel auch für Autos”, Die Welt - by Helmut Weinand, January 24, 2007; http://www.welt.de/motor/article ... uch_fuer_Autos.html
[3] Michael, U.: “Mehr Elektronik im Porsche”, Elektronik automotive 3/2007
作者
Alfons Graf博士是位于德国Neubiberg的英飞凌科技股份公司汽车功率创新主管。
Benno Köppl是位于德国Neubiberg的英飞凌科技股份公司驱动和汽车功率技术中心首席工程师。
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