交通電氣化：挑戰與機遇

交通電氣化是當今時代一項重要的技術倡議。在20世紀的最后25年中，交通領域的突破性創新極為罕見。然而，在過去的幾十年里，電池和高功率半導體技術取得了顯著進步。如今，消費級電動汽車的續航里程已達數百英里。先進的半導體（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成為可能。與此同時，人工智能（AI）實現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

保護自然資源和環境的迫切需求正在深刻改變交通行業。隨著這種需求的增加，半導體和電池化學領域的創新也達到了一個臨界點，為未來帶來了巨大的商業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市場引入電池驅動的電動汽車。重型交通也在向電氣化轉型，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型的過程中，既面臨著機遇，也面臨著挑戰。一方面，數十年來在基礎設施、運營設備、維護以及擁有柴油和汽油車輛方面的投資已經形成。另一方面，城市環境為支持電動汽車提供了多種機會。車隊管理者嚴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，車輛在每個班次結束時都會回到同一個地點。通過充分規劃，車隊運營商可以管理車輛，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，公交線路足夠穩定，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。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。

傳統私家車

電氣化不僅僅是以電池和電動機替代內燃機（ICE）。在過去十年中，即使是內燃機汽車也經歷了電動化的改造。許多傳統的液壓部件，例如動力轉向和其他執行器，正在被電動系統所取代。在電動、混合動力以及某些內燃機汽車中，空調單元現在使用電動壓縮機。電磁閥和電機幾乎可以驅動所有曾經是機械式或發動機驅動的部件。此外，安全、傳感器和信息娛樂電子系統正在從簡單的附加裝置演變為復雜的、由人工智能驅動的系統。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汽車

電池、小型電機和充電技術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

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。電池技術已經發展到如此程度，如今可以找到并購買到續航里程達到250英里或更多的電動汽車（EV）。盡管大多數內燃機汽車的單次加油續航里程為350到500英里，但250英里的電動汽車對于大多數用途來說已經足夠。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。最終目標是實現10分鐘的快速充電——這接近于為汽油車加油所需的時間。為了實現更高效的電機運行，像IGBT和MOSFET這樣的高功率電子開關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）等材料能夠實現更大的功率傳輸、更少的熱量產生以及更小的體積。然而，在實現 elusive（難以捉摸的）10分鐘快速充電成為現實之前，電池電極技術仍需進一步改進。

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，它又發生得太快了。電氣化可能永遠不會實現100%的完全轉型。總會有一些特殊應用不太適合純電池電力驅動。然而，這一轉型已經在全面展開，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。乘用車和卡車的續航里程已經達到可行的水平，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，即使在重型車輛中，電力也有一席之地。即使交通逐漸轉向電網供電，整體能源消耗要么在下降，要么以更慢的速度增長。更高效的電子設備、精確的計算機控制以及各行業的節能努力將使整體電力需求保持在電網容量范圍內。