電氣化交通：挑戰與機遇

交通電氣化：挑戰與機遇

交通電氣化是當今時(shí)代一項重要的技術(shù)倡議。在20世紀的最后25年中，交通領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新極為罕見(jiàn)。然而，在過(guò)去的幾十年里，電池和高功率半導體技術(shù)取得了顯著(zhù)進(jìn)步。如今，消費級電動(dòng)汽車(chē)的續航里程已達數百英里。先進(jìn)的半導體（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，使得功率水平可達兆瓦級的精確電子驅動(dòng)成為可能。與此同時(shí)，人工智能（AI）實(shí)現了前所未有的自動(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(zhù)這種需求的增加，半導體和電池化學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng )新也達到了一個(gè)臨界點(diǎn)，為未來(lái)帶來(lái)了巨大的商業(yè)機遇和令人興奮的設計挑戰。交通電氣化不僅僅是在乘用車(chē)市場(chǎng)引入電池驅動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)。重型交通也在向電氣化轉型，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(chē)

公共交通車(chē)隊在從化石燃料向電動(dòng)化轉型的過(guò)程中，既面臨著(zhù)機遇，也面臨著(zhù)挑戰。一方面，數十年來(lái)在基礎設施、運營(yíng)設備、維護以及擁有柴油和汽油車(chē)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(chē)提供了多種機會(huì )。車(chē)隊管理者嚴格控制運營(yíng)的各個(gè)方面，包括行駛里程、運營(yíng)時(shí)間以及地理范圍。這些行為通常具有一致性，車(chē)輛在每個(gè)班次結束時(shí)都會(huì )回到同一個(gè)地點(diǎn)。通過(guò)充分規劃，車(chē)隊運營(yíng)商可以管理車(chē)輛，使其在已知電池組的續航范圍內運行，并建立通用的充電基礎設施。此外，公交線(xiàn)路足夠穩定，可以支持電動(dòng)輕軌、電動(dòng)重軌，甚至是城市公交車(chē)。懷疑者只需看看美國華盛頓州西雅圖的交通電氣化傳統。西雅圖自1940年以來(lái)就運營(yíng)著(zhù)通過(guò)架空電纜供電的電動(dòng)公交車(chē)。自2004年以來(lái)，西雅圖還運營(yíng)著(zhù)柴油-電動(dòng)混合動(dòng)力公交車(chē)，最近又開(kāi)始增加純電池電動(dòng)公交車(chē)。

傳統私家車(chē)

電氣化不僅僅是以電池和電動(dòng)機替代內燃機（ICE）。在過(guò)去十年中，即使是內燃機汽車(chē)也經(jīng)歷了電動(dòng)化的改造。許多傳統的液壓部件，例如動(dòng)力轉向和其他執行器，正在被電動(dòng)系統所取代。在電動(dòng)、混合動(dòng)力以及某些內燃機汽車(chē)中，空調單元現在使用電動(dòng)壓縮機。電磁閥和電機幾乎可以驅動(dòng)所有曾經(jīng)是機械式或發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的部件。此外，安全、傳感器和信息娛樂(lè )電子系統正在從簡(jiǎn)單的附加裝置演變?yōu)閺碗s的、由人工智能驅動(dòng)的系統。高級駕駛輔助系統（ADAS）正在減輕駕駛負擔，并使道路更加安全。

電氣化催生的新型電動(dòng)汽車(chē)

電池、小型電機和充電技術(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)助力的傳統自行車(chē)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(chē)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(chē)現在為那些無(wú)法長(cháng)距離行走或駕駛汽車(chē)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(cháng)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，如今可以找到并購買(mǎi)到續航里程達到250英里或更多的電動(dòng)汽車(chē)（EV）。盡管大多數內燃機汽車(chē)的單次加油續航里程為350到500英里，但250英里的電動(dòng)汽車(chē)對于大多數用途來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。目前最大的挑戰仍然是在不縮短電池壽命的情況下快速充電。最終目標是實(shí)現10分鐘的快速充電——這接近于為汽油車(chē)加油所需的時(shí)間。為了實(shí)現更高效的電機運行，像IGBT和MOSFET這樣的高功率電子開(kāi)關(guān)允許高效的直流到交流轉換以及升壓轉換。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料能夠實(shí)現更大的功率傳輸、更少的熱量產(chǎn)生以及更小的體積。然而，在實(shí)現 elusive（難以捉摸的）10分鐘快速充電成為現實(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)

對于一些人來(lái)說(shuō)，交通電氣化的速度還不夠快，而對于另一些人來(lái)說(shuō)，它又發(fā)生得太快了。電氣化可能永遠不會(huì )實(shí)現100%的完全轉型?？倳?huì )有一些特殊應用不太適合純電池電力驅動(dòng)。然而，這一轉型已經(jīng)在全面展開(kāi)，并且是不可避免的。電氣化開(kāi)辟了新的個(gè)人交通方式。包括兩輪滑板車(chē)、自行車(chē)和代步車(chē)在內的個(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(chē)和卡車(chē)的續航里程已經(jīng)達到可行的水平，但仍需要更快的充電速度和更多的充電基礎設施。像西雅圖這樣的城市正在證明，即使在重型車(chē)輛中，電力也有一席之地。即使交通逐漸轉向電網(wǎng)供電，整體能源消耗要么在下降，要么以更慢的速度增長(cháng)。更高效的電子設備、精確的計算機控制以及各行業(yè)的節能努力將使整體電力需求保持在電網(wǎng)容量范圍內。