在一輛合格的電動車中，所有設備都依賴電力運行：從牽引電機到冷卻系統、照明系統和制動能量回收系統，一切皆為電動。其主要特征在于使用清潔能源，盡管有時能量可能來自不完全可再生的其他來源。本文將專注于電動車運行背后的電子原理。

電力電子

電力電子是電動車的主要領域之一，在電動車的能量管理中發揮著至關重要的作用。它是電氣工程的一個分支，涉及將能量從一種形式轉化為另一種形式的控制和轉換。它關注于使用固態電子元件，如晶體管、MOSFET和二極管，來控制和管理高功率電能。

通常，電力電子系統以高效運行，并研究和應用電流大于5-10安培時的管理方法。對于幾毫安的小信號放大器，無需使用電力電子，但要創建一個能夠提供40安培電流的電源，就必須依賴于它。

如今，電力電子技術已經發展，由于新型半導體材料的出現，可以有效地創建能夠管理數千瓦功率的電路，并且不會產生顯著的熱量分散。最重要的應用是以效率為主要目標。電力是一種非常寶貴的資源，必須盡可能以最少的浪費來使用，因為在大規模情況下，少量的功率損耗就意味著顯著的支出。理論上，從設備輸入到輸出傳遞的能量不應減少或降低。

目前，電力電子的應用涉及多個領域，如變換器、不間斷電源(UPS)、照明系統、電池充電器和電源。設備的設計非常關鍵，目前的研究非常關注以確保電路性能盡可能高。電力電子的一項目標是實現電力節約，以降低運營成本和改善電路性能。將電力電子的討論濃縮到一段文字中幾乎是不可能的，這個主題的文獻極為龐大。無論如何，這一領域正在不斷擴展，大學和研究人員進行的研究旨在改善能量傳輸和操作速度的電子技術。

效率

在電力電子中，一個廣泛使用的參數是效率，它表示可用能量的使用百分比與能量損失的比較。例如，一個效率為100%的設備使用所有可用能量而沒有浪費，而一個效率為40%的設備則使用不到一半的可用能量，剩余的能量則以未使用的熱量浪費掉。

如今，效率是研究中的關鍵因素之一，公司致力于追求盡可能高的效率，以節約能源并減少空氣污染。市場主導的MOSFET和低損耗的晶體管確保了快速開關，同時其散熱率極低。

在高功率變換器中，即使是小幅度的效率提升也能轉化為巨大的能源節省。效率簡單地是輸出功率和輸入功率之間的百分比比率，其計算公式如下：

其中：Eff(%)是效率的百分比，介于0%和100%之間;P(out)是負載消耗的功率;P(in)是為電路提供能量的電源所使用的功率。

高效率使電子元件的工作更佳，發熱更少，并在絕對可靠性和安全性下運行。影響效率的一個重要因素是開關器件的RDS(on)參數，即導通狀態下DS通道的電阻。它越小，整個系統的效率就越高，如圖1所示。

該圖以對數形式展示了電氣圖中效率與MOSFET的RDS(on)之間的關系。可以看出，隨著設備導通電阻的增加，系統的效率降低，因為發電機的功率以熱量形式損失。

能量存儲

電池是任何電動車的核心，存儲電能以驅動電機和其他設備。電池的工作基于可逆的化學反應，其中兩個電極浸沒在特定溶液中。化學反應在電極之間產生電位差(電壓)，即推使電子在電路中流動的電動勢，從而產生電流。如今，使用的電池主要是鋰離子電池，這些電池在能量密度、壽命和重量之間提供了很好的折衷，盡管成本仍然較高。

圖2顯示了兩種不同技術電池的放電曲線。電池管理操作對于優化性能，尤其是延長使用壽命至關重要。市場上提供不同類型的電池，每種都有其特點和性能，相應的購買必須特別小心。如果成本較高，則需要對其他參數做出妥協。通常，需要觀察的電池特性包括功率密度、重量和尺寸、存儲容量、生命周期(可充放電次數)、使用壽命(可使用的年限)、技術(鉛酸、鋰等)和價格。沒有一種電池是最佳的，每種型號都有其優缺點。鋰電池以高能量密度為特點，重量較輕，但比其他電池昂貴得多。

電動機

電動機(見圖3)是將電能轉化為機械能的組件，推動車輛的輪子。電動機有多種類型，技術在不斷改善電動機的功耗，以實現更低的摩擦和更高的扭矩。與內燃機相比，電動機結構更簡單，電能轉化為機械能的過程比燃燒過程平穩。

大多數電動車采用直接驅動，因此不需要變速箱，因為它們在廣泛的轉速范圍內具有很高的驅動扭矩。用于汽車的電動機可以輕松從0轉到15000轉/分鐘，并在始終保持相同齒比的情況下保持恒定的驅動扭矩。推進的良好百分比直接取決于電池的特性。

高電壓和低電流反之亦然的布線

在電路中，功率(P)定義為電壓(V)與電流(I)的乘積，公式如下：

設計高功率電路不僅涉及電子元件、印刷電路板和其他設備，還包括各種電氣部分之間的布線和連接。使用較粗的電纜并不總是最佳選擇，這取決于應用類型及具體要求。一般來說，粗電纜的電阻較低，使用壽命長，能夠承載高電流，適合熱量是重要因素的應用。然而，細電纜也有許多優點。它們更靈活，更容易在狹小空間中彎曲，重量輕，成本低，而且通常用于空間和重量是關鍵因素的應用。

重要的是要記住，每根電纜都有其最大承載能力，即可安全運輸而不會因焦耳效應而過熱的最大電流值。不幸的是，電纜的粗細與成本和重量成正比。因此，在設計階段必須仔細評估電纜的不同截面。

隨著電動車數量的增加，制造商正在從12伏特電源轉向48伏特電源。更高的電壓提供了更大的驅動力，并且相關的布線成本更低。12伏特電池在啟動時必須提供極高的電流，電纜必須具有足夠的截面，以支持這一電子流動，以避免過熱。而在48伏特電源下，情況完全不同;以相同的功率，流動的電流要小得多，電纜可以設計得更小直徑，從而使總布線更輕便且成本更低。

開關損耗

關于這個主題有大量文獻。這類損耗存在于所有開關轉換設備中，在開關時發生，因為設備無法迅速改變狀態，相關的渦流導致能量損耗。實際上，MOSFET通過快速切換，無法瞬時完成導通通道的開關操作，在這種情況下，損耗功率顯著上升(見圖4)。

在電流上升的邊緣，電壓的對稱下降邊緣出現，但由于這些信號不是瞬時的，平均損耗功率趨于增加。不幸的是，正是在上升或下降邊緣，最大的功率損失發生。然而，有一些技術可以減少這些問題，例如軟開關和硬開關。

使用PWM進行功率調節

脈寬調制(PWM)是一種通過高速數字脈沖序列控制數字信號向負載輸出的平均功率的技術。它可以比作一個不僅僅是開或關的開關，而是能夠非常快速地開關。通過改變活躍脈沖的寬度相對于總周期，可以調整設備感知的平均電壓和功率。這種技術對于控制LED、燈或電動機等設備非常有用，這些設備的亮度或速度與平均電壓成正比。

使用PWM控制電動機帶來的好處是，任何占空比下驅動扭矩都是恒定的。圖5中的示例展示了為一個12伏特、2安培的燈供電的典型需求，使用一半電壓以獲得較低的亮度。該燈的電阻為6歐姆。因此，當在12伏特下供電時，消耗24瓦特。然而，該電路要求對燈只施加一半的功率以使其發光更加柔和。其展示了兩種解決方案：

·左側的解決方案使用6歐姆的功率分流電阻(與燈相同)創建一個電阻分壓器，在兩個負載之間分配能量。

·右側的解決方案使用PWM版本，效果更佳。

第一個解決方案效率不高，因為電池提供的一半能量在分壓器的電阻中以未使用的熱量浪費掉。它的效率相當低，大約為50%。然而，第二個解決方案效率更高，因為沒有使用額外元件，負載在一半時間內供電，而另一半時間則關閉。燈接收的脈沖序列如此之快，以至于人眼無法察覺。其效率非常高，甚至超過98%。

電子設備是電動車的基礎，現在比以往任何時候都更加依賴理論思想。電池、電動機、控制電路、電力設備、照明和娛樂系統都遵循穩固的電子工程原理，以實現道路上越來越安全和舒適的駕駛。

本文探討的只是一些基本原理，實際上還有許多更多的原理。如今，電動車的設計已經成為一種真正的藝術，設計師必須仔細審查他們的數據并進行多次測試，以計算系統的效率，尤其是在最壞的情況下。