電氣化交通：挑戰(zhàn)與機(jī)遇

交通電氣化：挑戰(zhàn)與機(jī)遇

交通電氣化是當(dāng)今時(shí)代一項(xiàng)重要的技術(shù)倡議。在20世紀(jì)的最后25年中，交通領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新極為罕見。然而，在過(guò)去的幾十年里，電池和高功率半導(dǎo)體技術(shù)取得了顯著進(jìn)步。如今，消費(fèi)級(jí)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程已達(dá)數(shù)百英里。先進(jìn)的半導(dǎo)體（如絕緣柵雙極型晶體管IGBT）以及碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料，使得功率水平可達(dá)兆瓦級(jí)的精確電子驅(qū)動(dòng)成為可能。與此同時(shí)，人工智能（AI）實(shí)現(xiàn)了前所未有的自動(dòng)化情境分析與控制。

交通電氣化的社會(huì)需求

保護(hù)自然資源和環(huán)境的迫切需求正在深刻改變交通行業(yè)。隨著這種需求的增加，半導(dǎo)體和電池化學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新也達(dá)到了一個(gè)臨界點(diǎn)，為未來(lái)帶來(lái)了巨大的商業(yè)機(jī)遇和令人興奮的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。交通電氣化不僅僅是在乘用車市場(chǎng)引入電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車。重型交通也在向電氣化轉(zhuǎn)型，同時(shí)，一種新的個(gè)人交通方式也在興起。

公共交通中的電動(dòng)汽車

公共交通車隊(duì)在從化石燃料向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，既面臨著機(jī)遇，也面臨著挑戰(zhàn)。一方面，數(shù)十年來(lái)在基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)營(yíng)設(shè)備、維護(hù)以及擁有柴油和汽油車輛方面的投資已經(jīng)形成。另一方面，城市環(huán)境為支持電動(dòng)汽車提供了多種機(jī)會(huì)。車隊(duì)管理者嚴(yán)格控制運(yùn)營(yíng)的各個(gè)方面，包括行駛里程、運(yùn)營(yíng)時(shí)間以及地理范圍。這些行為通常具有一致性，車輛在每個(gè)班次結(jié)束時(shí)都會(huì)回到同一個(gè)地點(diǎn)。通過(guò)充分規(guī)劃，車隊(duì)運(yùn)營(yíng)商可以管理車輛，使其在已知電池組的續(xù)航范圍內(nèi)運(yùn)行，并建立通用的充電基礎(chǔ)設(shè)施。此外，公交線路足夠穩(wěn)定，可以支持電動(dòng)輕軌、電動(dòng)重軌，甚至是城市公交車。懷疑者只需看看美國(guó)華盛頓州西雅圖的交通電氣化傳統(tǒng)。西雅圖自1940年以來(lái)就運(yùn)營(yíng)著通過(guò)架空電纜供電的電動(dòng)公交車。自2004年以來(lái)，西雅圖還運(yùn)營(yíng)著柴油-電動(dòng)混合動(dòng)力公交車，最近又開始增加純電池電動(dòng)公交車。

傳統(tǒng)私家車

電氣化不僅僅是以電池和電動(dòng)機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)（ICE）。在過(guò)去十年中，即使是內(nèi)燃機(jī)汽車也經(jīng)歷了電動(dòng)化的改造。許多傳統(tǒng)的液壓部件，例如動(dòng)力轉(zhuǎn)向和其他執(zhí)行器，正在被電動(dòng)系統(tǒng)所取代。在電動(dòng)、混合動(dòng)力以及某些內(nèi)燃機(jī)汽車中，空調(diào)單元現(xiàn)在使用電動(dòng)壓縮機(jī)。電磁閥和電機(jī)幾乎可以驅(qū)動(dòng)所有曾經(jīng)是機(jī)械式或發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的部件。此外，安全、傳感器和信息娛樂(lè)電子系統(tǒng)正在從簡(jiǎn)單的附加裝置演變?yōu)閺?fù)雜的、由人工智能驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）正在減輕駕駛負(fù)擔(dān)，并使道路更加安全。

電氣化催生的新型電動(dòng)汽車

電池、小型電機(jī)和充電技術(shù)的最新進(jìn)展催生了一系列個(gè)人電動(dòng)交通工具。帶有電動(dòng)助力的傳統(tǒng)自行車讓城市通勤者能夠在避免出汗和交通擁堵的情況下出行。電動(dòng)滑板車為那些更喜歡刺激的騎行者提供了同等水平的移動(dòng)性。此外，殘疾人代步車現(xiàn)在為那些無(wú)法長(zhǎng)距離行走或駕駛汽車的人提供了更自由的移動(dòng)性。

電氣化背后的技術(shù)

電氣化交通需要一種電池，它能夠支持長(zhǎng)距離行駛、快速充電，并且易于使用。電池技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到如此程度，如今可以找到并購(gòu)買到續(xù)航里程達(dá)到250英里或更多的電動(dòng)汽車（EV）。盡管大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)汽車的單次加油續(xù)航里程為350到500英里，但250英里的電動(dòng)汽車對(duì)于大多數(shù)用途來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。目前最大的挑戰(zhàn)仍然是在不縮短電池壽命的情況下快速充電。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)10分鐘的快速充電——這接近于為汽油車加油所需的時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)更高效的電機(jī)運(yùn)行，像IGBT和MOSFET這樣的高功率電子開關(guān)允許高效的直流到交流轉(zhuǎn)換以及升壓轉(zhuǎn)換。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料能夠?qū)崿F(xiàn)更大的功率傳輸、更少的熱量產(chǎn)生以及更小的體積。然而，在實(shí)現(xiàn) elusive（難以捉摸的）10分鐘快速充電成為現(xiàn)實(shí)之前，電池電極技術(shù)仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

邁向電動(dòng)未來(lái)

對(duì)于一些人來(lái)說(shuō)，交通電氣化的速度還不夠快，而對(duì)于另一些人來(lái)說(shuō)，它又發(fā)生得太快了。電氣化可能永遠(yuǎn)不會(huì)實(shí)現(xiàn)100%的完全轉(zhuǎn)型?？倳?huì)有一些特殊應(yīng)用不太適合純電池電力驅(qū)動(dòng)。然而，這一轉(zhuǎn)型已經(jīng)在全面展開，并且是不可避免的。電氣化開辟了新的個(gè)人交通方式。包括兩輪滑板車、自行車和代步車在內(nèi)的個(gè)人電動(dòng)交通工具，使本地交通變得更加便捷。行動(dòng)不便的人群也獲得了新的自由。乘用車和卡車的續(xù)航里程已經(jīng)達(dá)到可行的水平，但仍需要更快的充電速度和更多的充電基礎(chǔ)設(shè)施。像西雅圖這樣的城市正在證明，即使在重型車輛中，電力也有一席之地。即使交通逐漸轉(zhuǎn)向電網(wǎng)供電，整體能源消耗要么在下降，要么以更慢的速度增長(zhǎng)。更高效的電子設(shè)備、精確的計(jì)算機(jī)控制以及各行業(yè)的節(jié)能努力將使整體電力需求保持在電網(wǎng)容量范圍內(nèi)。