电动汽车中的(EV)的电子原理应用

在一辆合格的电动车中，所有设备都依赖电力运行：从牵引电机到冷却系统、照明系统和制动能量回收系统，一切皆为电动。其主要特征在于使用清洁能源，尽管有时能量可能来自不完全可再生的其他来源。本文将专注于电动车运行背后的电子原理。

电力电子

电力电子是电动车的主要领域之一，在电动车的能量管理中发挥着至关重要的作用。它是电气工程的一个分支，涉及将能量从一种形式转化为另一种形式的控制和转换。它关注于使用固态电子元件，如晶体管、MOSFET和二极管，来控制和管理高功率电能。

通常，电力电子系统以高效运行，并研究和应用电流大于5-10安培时的管理方法。对于几毫安的小信号放大器，无需使用电力电子，但要创建一个能够提供40安培电流的电源，就必须依赖于它。

如今，电力电子技术已经发展，由于新型半导体材料的出现，可以有效地创建能够管理数千瓦功率的电路，并且不会产生显著的热量分散。最重要的应用是以效率为主要目标。电力是一种非常宝贵的资源，必须尽可能以最少的浪费来使用，因为在大规模情况下，少量的功率损耗就意味着显著的支出。理论上，从设备输入到输出传递的能量不应减少或降低。

目前，电力电子的应用涉及多个领域，如变换器、不间断电源(UPS)、照明系统、电池充电器和电源。设备的设计非常关键，目前的研究非常关注以确保电路性能尽可能高。电力电子的一项目标是实现电力节约，以降低运营成本和改善电路性能。将电力电子的讨论浓缩到一段文字中几乎是不可能的，这个主题的文献极为庞大。无论如何，这一领域正在不断扩展，大学和研究人员进行的研究旨在改善能量传输和操作速度的电子技术。

效率

在电力电子中，一个广泛使用的参数是效率，它表示可用能量的使用百分比与能量损失的比较。例如，一个效率为100%的设备使用所有可用能量而没有浪费，而一个效率为40%的设备则使用不到一半的可用能量，剩余的能量则以未使用的热量浪费掉。

如今，效率是研究中的关键因素之一，公司致力于追求尽可能高的效率，以节约能源并减少空气污染。市场主导的MOSFET和低损耗的晶体管确保了快速开关，同时其散热率极低。

在高功率变换器中，即使是小幅度的效率提升也能转化为巨大的能源节省。效率简单地是输出功率和输入功率之间的百分比比率，其计算公式如下：

其中：Eff(%)是效率的百分比，介于0%和100%之间;P(out)是负载消耗的功率;P(in)是为电路提供能量的电源所使用的功率。

高效率使电子元件的工作更佳，发热更少，并在绝对可靠性和安全性下运行。影响效率的一个重要因素是开关器件的RDS(on)参数，即导通状态下DS通道的电阻。它越小，整个系统的效率就越高，如图1所示。

图1

该图以对数形式展示了电气图中效率与MOSFET的RDS(on)之间的关系。可以看出，随着设备导通电阻的增加，系统的效率降低，因为发电机的功率以热量形式损失。

能量存储

电池是任何电动车的核心，存储电能以驱动电机和其他设备。电池的工作基于可逆的化学反应，其中两个电极浸没在特定溶液中。化学反应在电极之间产生电位差(电压)，即推使电子在电路中流动的电动势，从而产生电流。如今，使用的电池主要是锂离子电池，这些电池在能量密度、寿命和重量之间提供了很好的折衷，尽管成本仍然较高。

图2

图2显示了两种不同技术电池的放电曲线。电池管理操作对于优化性能，尤其是延长使用寿命至关重要。市场上提供不同类型的电池，每种都有其特点和性能，相应的购买必须特别小心。如果成本较高，则需要对其他参数做出妥协。通常，需要观察的电池特性包括功率密度、重量和尺寸、存储容量、生命周期(可充放电次数)、使用寿命(可使用的年限)、技术(铅酸、锂等)和价格。没有一种电池是最佳的，每种型号都有其优缺点。锂电池以高能量密度为特点，重量较轻，但比其他电池昂贵得多。

电动机

电动机(见图3)是将电能转化为机械能的组件，推动车辆的轮子。电动机有多种类型，技术在不断改善电动机的功耗，以实现更低的摩擦和更高的扭矩。与内燃机相比，电动机结构更简单，电能转化为机械能的过程比燃烧过程平稳。

图3

大多数电动车采用直接驱动，因此不需要变速箱，因为它们在广泛的转速范围内具有很高的驱动扭矩。用于汽车的电动机可以轻松从0转到15000转/分钟，并在始终保持相同齿比的情况下保持恒定的驱动扭矩。推进的良好百分比直接取决于电池的特性。

高电压和低电流反之亦然的布线

在电路中，功率(P)定义为电压(V)与电流(I)的乘积，公式如下：

设计高功率电路不仅涉及电子元件、印刷电路板和其他设备，还包括各种电气部分之间的布线和连接。使用较粗的电缆并不总是最佳选择，这取决于应用类型及具体要求。一般来说，粗电缆的电阻较低，使用寿命长，能够承载高电流，适合热量是重要因素的应用。然而，细电缆也有许多优点。它们更灵活，更容易在狭小空间中弯曲，重量轻，成本低，而且通常用于空间和重量是关键因素的应用。

重要的是要记住，每根电缆都有其最大承载能力，即可安全运输而不会因焦耳效应而过热的最大电流值。不幸的是，电缆的粗细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截面。

随着电动车数量的增加，制造商正在从12伏特电源转向48伏特电源。更高的电压提供了更大的驱动力，并且相关的布线成本更低。12伏特电池在启动时必须提供极高的电流，电缆必须具有足够的截面，以支持这一电子流动，以避免过热。而在48伏特电源下，情况完全不同;以相同的功率，流动的电流要小得多，电缆可以设计得更小直径，从而使总布线更轻便且成本更低。

开关损耗

关于这个主题有大量文献。这类损耗存在于所有开关转换设备中，在开关时发生，因为设备无法迅速改变状态，相关的涡流导致能量损耗。实际上，MOSFET通过快速切换，无法瞬时完成导通通道的开关操作，在这种情况下，损耗功率显著上升(见图4)。

图4

在电流上升的边缘，电压的对称下降边缘出现，但由于这些信号不是瞬时的，平均损耗功率趋于增加。不幸的是，正是在上升或下降边缘，最大的功率损失发生。然而，有一些技术可以减少这些问题，例如软开关和硬开关。

使用PWM进行功率调节

脉宽调制(PWM)是一种通过高速数字脉冲序列控制数字信号向负载输出的平均功率的技术。它可以比作一个不仅仅是开或关的开关，而是能够非常快速地开关。通过改变活跃脉冲的宽度相对于总周期，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、灯或电动机等设备非常有用，这些设备的亮度或速度与平均电压成正比。

使用PWM控制电动机带来的好处是，任何占空比下驱动扭矩都是恒定的。图5中的示例展示了为一个12伏特、2安培的灯供电的典型需求，使用一半电压以获得较低的亮度。该灯的电阻为6欧姆。因此，当在12伏特下供电时，消耗24瓦特。然而，该电路要求对灯只施加一半的功率以使其发光更加柔和。其展示了两种解决方案：

·左侧的解决方案使用6欧姆的功率分流电阻(与灯相同)创建一个电阻分压器，在两个负载之间分配能量。

·右侧的解决方案使用PWM版本，效果更佳。

第一个解决方案效率不高，因为电池提供的一半能量在分压器的电阻中以未使用的热量浪费掉。它的效率相当低，大约为50%。然而，第二个解决方案效率更高，因为没有使用额外元件，负载在一半时间内供电，而另一半时间则关闭。灯接收的脉冲序列如此之快，以至于人眼无法察觉。其效率非常高，甚至超过98%。

图5

电子设备是电动车的基础，现在比以往任何时候都更加依赖理论思想。电池、电动机、控制电路、电力设备、照明和娱乐系统都遵循稳固的电子工程原理，以实现道路上越来越安全和舒适的驾驶。

本文探讨的只是一些基本原理，实际上还有许多更多的原理。如今，电动车的设计已经成为一种真正的艺术，设计师必须仔细审查他们的数据并进行多次测试，以计算系统的效率，尤其是在最坏的情况下。