电子原理应用于电动汽车

电力电子是电动汽车的主要领域之一，在电动汽车的能源管理中发挥着至关重要的作用。它是电气工程的一个分支，涉及控制和将能量从一种形式转换为另一种形式。它涉及使用固态电子元件（例如晶体管、MOSFET和二极管）来控制和管理高功率电能。

通常，电力电子系统工作效率高，研究和应用管理5-10A以上电流的方法。对于几毫安的小信号放大器，不需要借助电力电子，但要创建一个能够提供40A电流的电源，就必须依靠它。

如今，电力电子技术已经发展起来，由于有了新的半导体材料，可以创建能够有效管理数千瓦功率且不会产生大量热量的电路。重要的应用都是以效率为主要目标进行的。电力是一种非常宝贵的资源，必须以尽可能少浪费的方式使用，因为从大角度来看，一小部分电力损失就等于一笔不小的支出。从理论上讲，从设备输入端传输到输出端的能量不应减少。

如今，电力电子应用涉及各个领域，例如转换器、UPS、照明系统、电池充电器和电源。设备的设计非常关键，当前的研究非常重视确保电路的性能尽可能高。电力电子的目标之一是节省电力，以降低运营成本并提高电路性能。不可能将电力电子的讨论集中在一个段落中，而且关于这个主题的文献极其丰富。无论如何，这个领域正在不断扩大，大学和研究人员进行的研究旨在改善电子能量传输和运行速度。

效率

效率是电力电子中广泛使用的参数，它表示可用能量的使用与损失的能量之比。例如，效率为 100% 的设备会毫无浪费地使用所有可用能量，而效率为 40% 的设备只会使用不到一半的可用能量，剩余的能量会以未使用的热量形式浪费掉。

如今，效率是研究的关键因素之一，各公司力求达到尽可能高的效率，以节省能源并地减少空气污染。导通阶段电阻较低的 MOSFET 和晶体管占据市场主导地位，这些电子开关可确保快速切换，且耗散率极低。

在高功率转换器中，即使效率提高很小一部分，也能节省大量能源。效率就是输出功率与输入功率之间的百分比，其公式如下：

效率（%）= [ P（输出）÷ P（输入）] × 100

其中：Eff（％）是效率百分比，介于 0％ 和 100％ 之间；P（输出）是负载消耗的功率；P（输入）是向电路供电的电源所使用的功率。

高效率可使电子元件工作得更好，发热更少，并且完全可靠、安全地运行。对效率有重大影响的因素之一是开关器件的 R DS(on)参数，即导通阶段 DS 通道的电阻。该值越低，整个系统的效率越高，如图 1 所示。该图以对数为基础，显示了电气图的效率与 MOSFET 的 R DS(on)的关系。可以看出，随着器件导通电阻的增加，系统效率会降低，因为发电机的功率会以热量的形式损失。

 
图 1：系统效率主要受电子设备的R DS(on)参数的影响。

储能

电池是电动汽车的，储存电能为发动机和其他设备供电。电池的运行基于可逆化学反应，为此，两个电极浸入特殊溶液中。化学反应在电极之间产生电位差（电压），电动势推动电子在电路中流动，产生电流。如今，使用的电池主要是锂离子电池，即使成本仍然很高，它也在能量密度、持续时间和重量之间提供了极好的平衡。

图2显示了两种不同技术的电池的放电曲线。电池管理操作对于优化性能以及重要的长期耐用性至关重要。市场上提供不同类型的电池，每种电池都有自己的特点和性能，相应的购买必须特别小心。如果成本高，则需要在其他参数上做出妥协。通常，要观察的电池特性是功率密度、重量和尺寸、存储容量、生命周期（可充电和放电的次数）、持续时间（可使用的年数）、技术（铅酸、锂等）和价格。没有单一的电池，每种型号都有自己的优点和缺点。锂电池的特点是能量密度高。它们相对较轻，但比其他电池贵得多。

图 2：铅酸电池和锂离子电池的放电曲线

电动马达

电动机（见图 3）是将电能转换为机械能的部件，可驱动车轮。电动机有多种类型，技术不断改进电动机的功耗，以降低摩擦并提高扭矩。与内燃机相比，电动机要简单得多，将电能转换为机械能的过程比内燃机更平稳。大多数电动汽车都是直接驱动的，因此不需要变速箱，因为它们在每分钟转数范围内具有高驱动扭矩。汽车用电动机可以轻松地从 0 到 15,000 rpm 运行，具有恒定的驱动扭矩并始终保持相同的档位。推进力的很大一部分直接取决于电池的特性。

图 3：电动机（来源：Cascadia Motion）

高压和低电流的接线，反之亦然

在电路中，功率 ( P ) 定义为电压 ( V ) 与电流 ( I ) 的乘积，根据以下公式：

P =电压×电流

高功率设计不仅涉及电子元件、PCB 和其他设备，还涉及各种电气部件之间的布线和连接。使用粗电缆并不总是的选择，这取决于应用类型和具体要求。通常，粗电缆的电阻较低，使用寿命更长，可以处理大电流，因此适合热量是重要因素的应用。然而，细电缆也有很多优点。它们更灵活，更容易折叠到狭小空间，重量很轻，价格更便宜，通常用于空间和重量是关键因素的应用。

重要的是要记住，每根电缆都有容量，即可以安全传输的电流值，而不会因焦耳效应而过热。不幸的是，厚度与成本和重量成正比。因此，在设计阶段必须仔细评估电缆的不同部分。

随着电动汽车数量的增加，制造商正在从 12 V 电源转向 48 V 电源。更高的电压可提供更大的驱动力，而相关接线成本更低。12 V 电池必须为发动机提供非常高的电流，尤其是在启动时，并且电缆必须具有足够的横截面积来支持这种电子流动以避免过热。使用 48 V 电源，情况完全不同；在相同功率下，流通的电流要低得多，电缆可以采用更小的直径，以实现更轻、更便宜的总接线。

开关损耗

关于这个主题的文献很多。所有开关转换设备都存在这种类型的损耗，并且会在开关过程中发生，因为设备状态改变不够快，相关的涡流会导致能量耗散。实际上，由于 MOSFET 开关速度非常快，因此无法立即执行导通通道的打开和关闭操作，在这种情况下，耗散功率会显著上升（见图 4）。在电流的上升沿，会出现对称的电压下降沿，但由于这些信号不是瞬时的，因此平均耗散功率往往会增加。不幸的是，的功率损耗恰恰发生在上升或下降前沿。但是，有一些技术可以减少这些问题，例如软开关和硬开关。

图 4：功率损耗主要发生在开关边缘。

使用 PWM 进行功率计量

脉冲宽度调制 (PWM) 是一种通过一系列高速数字脉冲来控制数字信号向负载传输的平均功率的技术。它可以比作一个开关，不仅可以打开或关闭，还可以非常快速地打开和关闭。通过改变相对于总周期的有效脉冲宽度，您可以调整设备感知的平均电压和功率。这种技术对于控制 LED、灯或电机等设备非常有用，因为这些设备的亮度或速度与平均电压成正比。

在电机中使用 PWM 的优点是，驱动扭矩对于任何百分比的占空比都是恒定的。图 5 中的示例显示了通常需要用所需电压的一半来为 12 V、2 A 灯供电以获得较低的亮度。该灯的电阻为 6 Ω。因此，当以 12 V 供电时，它会耗散 24 W。但是，该方案需要将一半的功率施加到灯上以使其更暗地发光。它显示了两种解决方案：

左边的解决方案使用 6 Ω 功率分流电阻器（与灯相同）来创建电阻分压器并在两个负载之间分配能量。

右边的解决方案使用 PWM 版本，其效率更高。

种解决方案效率不高，因为电池提供的一半能量被浪费在分压器电阻产生的未使用热量中。它的效率相当低，约为 50%。然而，第二种解决方案效率要高得多，因为没有使用额外的组件，负载在半个周期内通电，而另一半周期则处于停用状态。灯接收的脉冲串非常快，人眼无法察觉。它的效率非常高，甚至高于 98%。

 
图 5：PWM 允许您改变输送到负载的功率，而不会造成显著的能量损失。