交通電氣化：挑戰(zhàn)與機遇

交通電氣化是當(dāng)今時代一項重要的技術(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)取得了顯著進步。如今，消費級電動汽車的續(xù)航里程已達數(shù)百英里。先進的半導(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，使得功率水平可達兆瓦級的精確電子驅(qū)動成為可能。與此同時，人工智能（AI）實現(xiàn)了前所未有的自動化情境分析與控制。

交通電氣化的社會需求

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)新也達到了一個臨界點，為未來帶來了巨大的商業(yè)機遇和令人興奮的設(shè)計挑戰(zhàn)。交通電氣化不僅僅是在乘用車市場引入電池驅(qū)動的電動汽車。重型交通也在向電氣化轉(zhuǎn)型，同時，一種新的個人交通方式也在興起。

公共交通中的電動汽車

公共交通車隊在從化石燃料向電動化轉(zhuǎn)型的過程中，既面臨著機遇，也面臨著挑戰(zhàn)。一方面，數(shù)十年來在基礎(chǔ)設(shè)施、運營設(shè)備、維護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)境為支持電動汽車提供了多種機會。車隊管理者嚴(yán)格控制運營的各個方面，包括行駛里程、運營時間以及地理范圍。這些行為通常具有一致性，車輛在每個班次結(jié)束時都會回到同一個地點。通過充分規(guī)劃，車隊運營商可以管理車輛，使其在已知電池組的續(xù)航范圍內(nèi)運行，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，可以支持電動輕軌、電動重軌，甚至是城市公交車。懷疑者只需看看美國華盛頓州西雅圖的交通電氣化傳統(tǒng)。西雅圖自1940年以來就運營著通過架空電纜供電的電動公交車。自2004年以來，西雅圖還運營著柴油-電動混合動力公交車，最近又開始增加純電池電動公交車。

傳統(tǒng)私家車

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

電氣化催生的新型電動汽車

電池、小型電機和充電技術(shù)的最新進展催生了一系列個人電動交通工具。帶有電動助力的傳統(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性。此外，殘疾人代步車現(xiàn)在為那些無法長距離行走或駕駛汽車的人提供了更自由的移動性。

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到續(xù)航里程達到250英里或更多的電動汽車（EV）。盡管大多數(shù)內(nèi)燃機汽車的單次加油續(xù)航里程為350到500英里，但250英里的電動汽車對于大多數(shù)用途來說已經(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)是實現(xiàn)10分鐘的快速充電——這接近于為汽油車加油所需的時間。為了實現(xiàn)更高效的電機運行，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，在實現(xiàn) elusive（難以捉摸的）10分鐘快速充電成為現(xiàn)實之前，電池電極技術(shù)仍需進一步改進。

邁向電動未來

對于一些人來說，交通電氣化的速度還不夠快，而對于另一些人來說，它又發(fā)生得太快了。電氣化可能永遠不會實現(xiàn)100%的完全轉(zhuǎn)型。總會有一些特殊應(yīng)用不太適合純電池電力驅(qū)動。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人交通方式。包括兩輪滑板車、自行車和代步車在內(nèi)的個人電動交通工具，使本地交通變得更加便捷。行動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。更高效的電子設(shè)備、精確的計算機控制以及各行業(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)。