在一輛合格的電動(dòng)車(chē)中，所有設(shè)備都依賴(lài)電力運(yùn)行：從牽引電機(jī)到冷卻系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，一切皆為電動(dòng)。其主要特征在于使用清潔能源，盡管有時(shí)能量可能來(lái)自不完全可再生的其他來(lái)源。本文將專(zhuān)注于電動(dòng)車(chē)運(yùn)行背后的電子原理。

電力電子

電力電子是電動(dòng)車(chē)的主要領(lǐng)域之一，在電動(dòng)車(chē)的能量管理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它是電氣工程的一個(gè)分支，涉及將能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的控制和轉(zhuǎn)換。它關(guān)注于使用固態(tài)電子元件，如晶體管、MOSFET和二極管，來(lái)控制和管理高功率電能。

通常，電力電子系統(tǒng)以高效運(yùn)行，并研究和應(yīng)用電流大于5-10安培時(shí)的管理方法。對(duì)于幾毫安的小信號(hào)放大器，無(wú)需使用電力電子，但要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)能夠提供40安培電流的電源，就必須依賴(lài)于它。

如今，電力電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展，由于新型半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，可以有效地創(chuàng)建能夠管理數(shù)千瓦功率的電路，并且不會(huì)產(chǎn)生顯著的熱量分散。最重要的應(yīng)用是以效率為主要目標(biāo)。電力是一種非常寶貴的資源，必須盡可能以最少的浪費(fèi)來(lái)使用，因?yàn)樵诖笠?guī)模情況下，少量的功率損耗就意味著顯著的支出。理論上，從設(shè)備輸入到輸出傳遞的能量不應(yīng)減少或降低。

目前，電力電子的應(yīng)用涉及多個(gè)領(lǐng)域，如變換器、不間斷電源(UPS)、照明系統(tǒng)、電池充電器和電源。設(shè)備的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，目前的研究非常關(guān)注以確保電路性能盡可能高。電力電子的一項(xiàng)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電力節(jié)約，以降低運(yùn)營(yíng)成本和改善電路性能。將電力電子的討論濃縮到一段文字中幾乎是不可能的，這個(gè)主題的文獻(xiàn)極為龐大。無(wú)論如何，這一領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)展，大學(xué)和研究人員進(jìn)行的研究旨在改善能量傳輸和操作速度的電子技術(shù)。

效率

在電力電子中，一個(gè)廣泛使用的參數(shù)是效率，它表示可用能量的使用百分比與能量損失的比較。例如，一個(gè)效率為100%的設(shè)備使用所有可用能量而沒(méi)有浪費(fèi)，而一個(gè)效率為40%的設(shè)備則使用不到一半的可用能量，剩余的能量則以未使用的熱量浪費(fèi)掉。

如今，效率是研究中的關(guān)鍵因素之一，公司致力于追求盡可能高的效率，以節(jié)約能源并減少空氣污染。市場(chǎng)主導(dǎo)的MOSFET和低損耗的晶體管確保了快速開(kāi)關(guān)，同時(shí)其散熱率極低。

在高功率變換器中，即使是小幅度的效率提升也能轉(zhuǎn)化為巨大的能源節(jié)省。效率簡(jiǎn)單地是輸出功率和輸入功率之間的百分比比率，其計(jì)算公式如下：

其中：Eff(%)是效率的百分比，介于0%和100%之間;P(out)是負(fù)載消耗的功率;P(in)是為電路提供能量的電源所使用的功率。

高效率使電子元件的工作更佳，發(fā)熱更少，并在絕對(duì)可靠性和安全性下運(yùn)行。影響效率的一個(gè)重要因素是開(kāi)關(guān)器件的RDS(on)參數(shù)，即導(dǎo)通狀態(tài)下DS通道的電阻。它越小，整個(gè)系統(tǒng)的效率就越高，如圖1所示。

該圖以對(duì)數(shù)形式展示了電氣圖中效率與MOSFET的RDS(on)之間的關(guān)系。可以看出，隨著設(shè)備導(dǎo)通電阻的增加，系統(tǒng)的效率降低，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的功率以熱量形式損失。

能量存儲(chǔ)

電池是任何電動(dòng)車(chē)的核心，存儲(chǔ)電能以驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其他設(shè)備。電池的工作基于可逆的化學(xué)反應(yīng)，其中兩個(gè)電極浸沒(méi)在特定溶液中。化學(xué)反應(yīng)在電極之間產(chǎn)生電位差(電壓)，即推使電子在電路中流動(dòng)的電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生電流。如今，使用的電池主要是鋰離子電池，這些電池在能量密度、壽命和重量之間提供了很好的折衷，盡管成本仍然較高。

圖2顯示了兩種不同技術(shù)電池的放電曲線。電池管理操作對(duì)于優(yōu)化性能，尤其是延長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要。市場(chǎng)上提供不同類(lèi)型的電池，每種都有其特點(diǎn)和性能，相應(yīng)的購(gòu)買(mǎi)必須特別小心。如果成本較高，則需要對(duì)其他參數(shù)做出妥協(xié)。通常，需要觀察的電池特性包括功率密度、重量和尺寸、存儲(chǔ)容量、生命周期(可充放電次數(shù))、使用壽命(可使用的年限)、技術(shù)(鉛酸、鋰等)和價(jià)格。沒(méi)有一種電池是最佳的，每種型號(hào)都有其優(yōu)缺點(diǎn)。鋰電池以高能量密度為特點(diǎn)，重量較輕，但比其他電池昂貴得多。

電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)(見(jiàn)圖3)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的組件，推動(dòng)車(chē)輛的輪子。電動(dòng)機(jī)有多種類(lèi)型，技術(shù)在不斷改善電動(dòng)機(jī)的功耗，以實(shí)現(xiàn)更低的摩擦和更高的扭矩。與內(nèi)燃機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程比燃燒過(guò)程平穩(wěn)。

大多數(shù)電動(dòng)車(chē)采用直接驅(qū)動(dòng)，因此不需要變速箱，因?yàn)樗鼈冊(cè)趶V泛的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有很高的驅(qū)動(dòng)扭矩。用于汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)可以輕松從0轉(zhuǎn)到15000轉(zhuǎn)/分鐘，并在始終保持相同齒比的情況下保持恒定的驅(qū)動(dòng)扭矩。推進(jìn)的良好百分比直接取決于電池的特性。

高電壓和低電流反之亦然的布線

在電路中，功率(P)定義為電壓(V)與電流(I)的乘積，公式如下：

設(shè)計(jì)高功率電路不僅涉及電子元件、印刷電路板和其他設(shè)備，還包括各種電氣部分之間的布線和連接。使用較粗的電纜并不總是最佳選擇，這取決于應(yīng)用類(lèi)型及具體要求。一般來(lái)說(shuō)，粗電纜的電阻較低，使用壽命長(zhǎng)，能夠承載高電流，適合熱量是重要因素的應(yīng)用。然而，細(xì)電纜也有許多優(yōu)點(diǎn)。它們更靈活，更容易在狹小空間中彎曲，重量輕，成本低，而且通常用于空間和重量是關(guān)鍵因素的應(yīng)用。

重要的是要記住，每根電纜都有其最大承載能力，即可安全運(yùn)輸而不會(huì)因焦耳效應(yīng)而過(guò)熱的最大電流值。不幸的是，電纜的粗細(xì)與成本和重量成正比。因此，在設(shè)計(jì)階段必須仔細(xì)評(píng)估電纜的不同截面。

隨著電動(dòng)車(chē)數(shù)量的增加，制造商正在從12伏特電源轉(zhuǎn)向48伏特電源。更高的電壓提供了更大的驅(qū)動(dòng)力，并且相關(guān)的布線成本更低。12伏特電池在啟動(dòng)時(shí)必須提供極高的電流，電纜必須具有足夠的截面，以支持這一電子流動(dòng)，以避免過(guò)熱。而在48伏特電源下，情況完全不同;以相同的功率，流動(dòng)的電流要小得多，電纜可以設(shè)計(jì)得更小直徑，從而使總布線更輕便且成本更低。

開(kāi)關(guān)損耗

關(guān)于這個(gè)主題有大量文獻(xiàn)。這類(lèi)損耗存在于所有開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備中，在開(kāi)關(guān)時(shí)發(fā)生，因?yàn)樵O(shè)備無(wú)法迅速改變狀態(tài)，相關(guān)的渦流導(dǎo)致能量損耗。實(shí)際上，MOSFET通過(guò)快速切換，無(wú)法瞬時(shí)完成導(dǎo)通通道的開(kāi)關(guān)操作，在這種情況下，損耗功率顯著上升(見(jiàn)圖4)。

在電流上升的邊緣，電壓的對(duì)稱(chēng)下降邊緣出現(xiàn)，但由于這些信號(hào)不是瞬時(shí)的，平均損耗功率趨于增加。不幸的是，正是在上升或下降邊緣，最大的功率損失發(fā)生。然而，有一些技術(shù)可以減少這些問(wèn)題，例如軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)。

使用PWM進(jìn)行功率調(diào)節(jié)

脈寬調(diào)制(PWM)是一種通過(guò)高速數(shù)字脈沖序列控制數(shù)字信號(hào)向負(fù)載輸出的平均功率的技術(shù)。它可以比作一個(gè)不僅僅是開(kāi)或關(guān)的開(kāi)關(guān)，而是能夠非常快速地開(kāi)關(guān)。通過(guò)改變活躍脈沖的寬度相對(duì)于總周期，可以調(diào)整設(shè)備感知的平均電壓和功率。這種技術(shù)對(duì)于控制LED、燈或電動(dòng)機(jī)等設(shè)備非常有用，這些設(shè)備的亮度或速度與平均電壓成正比。

使用PWM控制電動(dòng)機(jī)帶來(lái)的好處是，任何占空比下驅(qū)動(dòng)扭矩都是恒定的。圖5中的示例展示了為一個(gè)12伏特、2安培的燈供電的典型需求，使用一半電壓以獲得較低的亮度。該燈的電阻為6歐姆。因此，當(dāng)在12伏特下供電時(shí)，消耗24瓦特。然而，該電路要求對(duì)燈只施加一半的功率以使其發(fā)光更加柔和。其展示了兩種解決方案：

·左側(cè)的解決方案使用6歐姆的功率分流電阻(與燈相同)創(chuàng)建一個(gè)電阻分壓器，在兩個(gè)負(fù)載之間分配能量。

·右側(cè)的解決方案使用PWM版本，效果更佳。

第一個(gè)解決方案效率不高，因?yàn)殡姵靥峁┑囊话肽芰吭诜謮浩鞯碾娮柚幸晕词褂玫臒崃坷速M(fèi)掉。它的效率相當(dāng)?shù)?，大約為50%。然而，第二個(gè)解決方案效率更高，因?yàn)闆](méi)有使用額外元件，負(fù)載在一半時(shí)間內(nèi)供電，而另一半時(shí)間則關(guān)閉。燈接收的脈沖序列如此之快，以至于人眼無(wú)法察覺(jué)。其效率非常高，甚至超過(guò)98%。

電子設(shè)備是電動(dòng)車(chē)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更加依賴(lài)?yán)碚撍枷搿ｋ姵?、電?dòng)機(jī)、控制電路、電力設(shè)備、照明和娛樂(lè)系統(tǒng)都遵循穩(wěn)固的電子工程原理，以實(shí)現(xiàn)道路上越來(lái)越安全和舒適的駕駛。

本文探討的只是一些基本原理，實(shí)際上還有許多更多的原理。如今，電動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種真正的藝術(shù)，設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)審查他們的數(shù)據(jù)并進(jìn)行多次測(cè)試，以計(jì)算系統(tǒng)的效率，尤其是在最壞的情況下。