交通电气化：挑战与机遇

交通电气化是当今时代一项重要的技术倡议。在20世纪的最后25年中，交通领域的突破性创新极为罕见。然而，在过去的几十年里，电池和高功率半导体技术取得了显著进步。如今，消费级电动汽车的续航里程已达数百英里。先进的半导体（如绝缘栅双极型晶体管IGBT）以及碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料，使得功率水平可达兆瓦级的精确电子驱动成为可能。与此同时，人工智能（AI）实现了前所未有的自动化情境分析与控制。

交通电气化的社会需求

保护自然资源和环境的迫切需求正在深刻改变交通行业。随着这种需求的增加，半导体和电池化学领域的创新也达到了一个临界点，为未来带来了巨大的商业机遇和令人兴奋的设计挑战。交通电气化不仅仅是在乘用车市场引入电池驱动的电动汽车。重型交通也在向电气化转型，同时，一种新的个人交通方式也在兴起。

公共交通中的电动汽车

公共交通车队在从化石燃料向电动化转型的过程中，既面临着机遇，也面临着挑战。一方面，数十年来在基础设施、运营设备、维护以及拥有柴油和汽油车辆方面的投资已经形成。另一方面，城市环境为支持电动汽车提供了多种机会。车队管理者严格控制运营的各个方面，包括行驶里程、运营时间以及地理范围。这些行为通常具有一致性，车辆在每个班次结束时都会回到同一个地点。通过充分规划，车队运营商可以管理车辆，使其在已知电池组的续航范围内运行，并建立通用的充电基础设施。此外，公交线路足够稳定，可以支持电动轻轨、电动重轨，甚至是城市公交车。怀疑者只需看看美国华盛顿州西雅图的交通电气化传统。西雅图自1940年以来就运营着通过架空电缆供电的电动公交车。自2004年以来，西雅图还运营着柴油-电动混合动力公交车，最近又开始增加纯电池电动公交车。

传统私家车

电气化不仅仅是以电池和电动机替代内燃机（ICE）。在过去十年中，即使是内燃机汽车也经历了电动化的改造。许多传统的液压部件，例如动力转向和其他执行器，正在被电动系统所取代。在电动、混合动力以及某些内燃机汽车中，空调单元现在使用电动压缩机。电磁阀和电机几乎可以驱动所有曾经是机械式或发动机驱动的部件。此外，安全、传感器和信息娱乐电子系统正在从简单的附加装置演变为复杂的、由人工智能驱动的系统。高级驾驶辅助系统（ADAS）正在减轻驾驶负担，并使道路更加安全。

电气化催生的新型电动汽车

电池、小型电机和充电技术的最新进展催生了一系列个人电动交通工具。带有电动助力的传统自行车让城市通勤者能够在避免出汗和交通拥堵的情况下出行。电动滑板车为那些更喜欢刺激的骑行者提供了同等水平的移动性。此外，残疾人代步车现在为那些无法长距离行走或驾驶汽车的人提供了更自由的移动性。

电气化背后的技术

电气化交通需要一种电池，它能够支持长距离行驶、快速充电，并且易于使用。电池技术已经发展到如此程度，如今可以找到并购买到续航里程达到250英里或更多的电动汽车（EV）。尽管大多数内燃机汽车的单次加油续航里程为350到500英里，但250英里的电动汽车对于大多数用途来说已经足够。目前最大的挑战仍然是在不缩短电池寿命的情况下快速充电。最终目标是实现10分钟的快速充电——这接近于为汽油车加油所需的时间。为了实现更高效的电机运行，像IGBT和MOSFET这样的高功率电子开关允许高效的直流到交流转换以及升压转换。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料能够实现更大的功率传输、更少的热量产生以及更小的体积。然而，在实现 elusive（难以捉摸的）10分钟快速充电成为现实之前，电池电极技术仍需进一步改进。

迈向电动未来

对于一些人来说，交通电气化的速度还不够快，而对于另一些人来说，它又发生得太快了。电气化可能永远不会实现100%的完全转型。总会有一些特殊应用不太适合纯电池电力驱动。然而，这一转型已经在全面展开，并且是不可避免的。电气化开辟了新的个人交通方式。包括两轮滑板车、自行车和代步车在内的个人电动交通工具，使本地交通变得更加便捷。行动不便的人群也获得了新的自由。乘用车和卡车的续航里程已经达到可行的水平，但仍需要更快的充电速度和更多的充电基础设施。像西雅图这样的城市正在证明，即使在重型车辆中，电力也有一席之地。即使交通逐渐转向电网供电，整体能源消耗要么在下降，要么以更慢的速度增长。更高效的电子设备、精确的计算机控制以及各行业的节能努力将使整体电力需求保持在电网容量范围内。