电动出行革命的主要优势和挑战

随着电动汽车 (EV) 的日益普及，电动动力总成技术也在迅速发展，并在其他电动出行应用中得到普及。电动动力系统通常用于轮椅、滑板车和骑乘式儿童玩具。然而，随着电动动力总成解决方案的日益多样化，许多消费和工业移动产品（如滑板车、电动自行车、自动导引车 (AGV) 和叉车等轻工业机械）的应用范围不断扩大，传统内燃机 (ICE) 也被取代。

这种向电动动力总成应用的转变被视为电动出行革命。随之而来的挑战是，工程师需要仔细考虑如何确保这些解决方案的安全性和可操作性。本文将探讨电动出行和电动动力总成在这些应用中的优点和缺点。

什么是电动出行？

电动出行（eMobility）是“electric mobility”的简称，是交通和工业应用向电气化的转型。与传统交通解决方案相比，电动出行具有可持续性、高效性、安全性和技术优势，因此越来越受欢迎。

移动性的概念超越了单个车辆，涵盖了更广泛的基础设施发展，包括充电网络、可再生能源集成、智能电网技术和回收基础设施。作为应对气候变化、减少空气污染和彻底改变能源行业的一项重要战略，世界各地的消费者、行业和政府正日益接受和鼓励电动出行。

电动出行的好处和优势

瞬间扭矩和灵敏性能

电动驱动系统是电动出行解决方案的关键组成部分，可提供强大的扭矩，具有卓越的加速性和响应性。虽然这种瞬时扭矩通常与更高的加速度相关联，但对于卓越的牵引力控制也极为有利。在叉车、自行车和 AGV 等应用中，这些优势可转化为更高的性能和安全性。

减少噪音污染

传统内燃机汽车产生的噪音远远高于性能类似的电动出行解决方案。例如，一级方程式赛车在比赛时产生的噪音约为 134 分贝，可能会对听力造成损害，而类似的电动方程式赛车产生的噪音仅为 80 分贝，与闹钟或真空吸尘器的噪音差不多。

能源效率

电动动力系统的能效明显高于内燃机系统。电机可将 85% 以上的电能转化为机械能，而内燃机则只能将不到 40% 的化学能转化为机械能。在制造业和运输业等能源支出占运营成本很大比重的行业，这种能效优势尤为明显。在其他应用领域，如租赁共享滑板车，能效对于满足客户需求和一次充电提供一整天的交通服务至关重要。

环境可持续性

电动出行解决方案为内燃机提供了一种可持续的替代方案。例如，传统的二冲程发动机产生的碳氢化合物废气排放量非常高，接近 5500 ppm，而四冲程发动机的排放量仅为汽车的 850 ppm。由于这种差异，近 20 年前，美国环境保护局 (EPA) 对二冲程发动机的排放制定了严格的限制措施。

越野车、全地形车、UTV、水上摩托、轻便摩托车、草坪设备和其他小型个人移动设备历来使用二冲程发动机，因为它们的功率重量比高且成本低。因此，在这些设备较为普遍的发展中国家/地区，严重的污染问题已成为常见问题。

图片：焦特布尔蓝城明显的空气污染与二冲程机动车的大量使用有关

电动出行解决方案可直接减少与污染物相关的死亡人数，并大幅减少这些应用中的温室气体排放，使其成为全球可行的环境可持续发展措施。

电动出行解决方案面临的挑战

基础设施限制

电动出行解决方案在很大程度上依赖于能够支持特定应用电力需求的庞大电力基础设施。对于小型消费类电动出行设备来说，这种需求在很大程度上可以通过标准的家用电力基础设施来满足。但在制造业和采矿业等电力需求较大的应用领域，电动出行充电基础设施必须庞大且功率高，才能满足行业需求/

续航能力和电池充电寿命有限

尽管电池和电源管理技术不断进步，但与传统燃料相比，电动出行解决方案的续航能力有限。船舶和机械等设备可能需要频繁充电或更大的电池容量才能满足运行需求。而在踏板车、轮椅和电动自行车等小型发动机应用中，更换电池则是家常便饭。

幸运的是，选择合适的电池电压和化学成分有助于优化电动汽车解决方案的性能和效率。不同的电池化学成分可提供一系列参数，如能量密度、功率输出、生命周期、热稳定性、比能量和重量，可用于配置面向应用的系统设计。下图展示了各种类型的锂离子电池化学成分。

隔离式 DC-DC 转换器

例如，NCA 锂电池（镍钴铝氧化物锂电池的简称）可用于某些需要长期高功率负载的电动汽车。其他电动汽车可能会使用磷酸铁锂（LiFePO4 或 LFP），因为它们具有优异的热稳定性和较长的使用寿命。同时，钛酸锂 (Li2TiO3) 或 LTO 电池具有热稳定性和更长的使用寿命，因此在小型电动动力系统中更为常见。

此外，适当选择电池电压和控制硬件有助于优化特定应用的电动汽车性能。

隔离式 DC-DC 转换器

使用高效率、高功率 MOSFET（如 Onsemi 的 NTMFS5C404N 或 Infineon 的 IPT012N08NF2SATMA1 等）可进一步扩展电动汽车设备的范围，因为它们比传统硅基设备具有更高的效率和功率密度。SiC MOSFET 可支持更高的电源系统电压，从而实现更高的性能和系统总效率，延长设备的续航时间和充电寿命。

初始成本

与内燃机车系统相比，完成电动出行大修（包括单个设备和充电基础设施）所需的初始投资相当可观。长期的运营节省可证明这笔开支是合理的，但较高的前期成本可能会阻碍低利润行业和发展中国家等预算有限的环境采用电动出行系统。

在单个设备中，使用效率更高的元件（如最新的低 RDSon MOSFET 和 LTO 锂离子电池）可能会导致前期成本更高，但长期成本稳定性更好和寿命更长可以抵消这一支出。

安全性和热管理

2015 年 12 月，美国消费品安全委员会 (CPSC) 对 12 起造成重大损失的电动设备相关起火事件表示担忧。所有 12 起事故都与当时流行的“悬浮滑板”装置有关，这是一种自动平衡的两轮电动出行玩具。

悬浮滑板很快就与自燃捆绑在一起。截至 2016 年 7 月，记录在案的悬浮滑板火灾事故超过 60 起，造成的财产损失超过 200 万美元。令人惊讶的是，悬浮滑板起火与任何特定的不当使用情况无关。它们会在不使用时自燃，在充电时起火，或在使用时过热燃烧。

因此，UL 2272 个人电动出行设备安全标准应运而生，以确保电动出行设备遵守严格的安全标准。锂离子电池含有高度可燃的电解质液体，电动出行设备必须确保适当的热管理和防止短路，以防止设备起火。热监控、散热系统和保护电路都是维持安全工作温度和防止发生悬浮滑板起火等灾难性故障的必要条件。

此外，选择适当的电池化学成分和组件也是保证设备安全的关键。某些电池化学成分比其他电池化学成分具有更高的热稳定性，但往往会牺牲性能或寿命。此外，SiC MOSFET 等高效器件可以降低转换器的工作温度，进一步降低器件过热的风险。

全球向电动出行的转变

各行各业不断发展的电动动力系统正在引发电动出行革命。虽然电动动力系统过去只用于较小的设备，但它为消费者和环境需求提供了现代化的解决方案，广泛应用于电动出行市场，包括消费者交通、工业机械和交通运输。

尽管电动出行解决方案具有更高的性能、能效和环境可持续性，但各种挑战仍然限制了其应用。工程师、消费者和政府之间在设计上的审慎考虑和合作，可以促进电动出行的应用，并限制历史上有毒设备对环境的影响。通过利用电池化学、半导体技术和系统集成方面的进步，消费者和工业界可以在全球范围内推动向更清洁、更可持续的未来移动性过渡。

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