電力電子是電動(dòng)汽車的主要領(lǐng)域之一，在電動(dòng)汽車的能源管理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它是電氣工程的一個(gè)分支，涉及控制和將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。它涉及使用固態(tài)電子元件（例如晶體管、MOSFET和二極管）來控制和管理高功率電能。

通常，電力電子系統(tǒng)工作效率高，研究和應(yīng)用管理5-10A以上電流的方法。對于幾毫安的小信號(hào)放大器，不需要借助電力電子，但要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)能夠提供40A電流的電源，就必須依靠它。

如今，電力電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來，由于有了新的半導(dǎo)體材料，可以創(chuàng)建能夠有效管理數(shù)千瓦功率且不會(huì)產(chǎn)生大量熱量的電路。重要的應(yīng)用都是以效率為主要目標(biāo)進(jìn)行的。電力是一種非常寶貴的資源，必須以盡可能少浪費(fèi)的方式使用，因?yàn)閺拇蠼嵌葋砜?，一小部分電力損失就等于一筆不小的支出。從理論上講，從設(shè)備輸入端傳輸?shù)捷敵龆说哪芰坎粦?yīng)減少。

如今，電力電子應(yīng)用涉及各個(gè)領(lǐng)域，例如轉(zhuǎn)換器、UPS、照明系統(tǒng)、電池充電器和電源。設(shè)備的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，當(dāng)前的研究非常重視確保電路的性能盡可能高。電力電子的目標(biāo)之一是節(jié)省電力，以降低運(yùn)營成本并提高電路性能。不可能將電力電子的討論集中在一個(gè)段落中，而且關(guān)于這個(gè)主題的文獻(xiàn)極其豐富。無論如何，這個(gè)領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，大學(xué)和研究人員進(jìn)行的研究旨在改善電子能量傳輸和運(yùn)行速度。

效率

效率是電力電子中廣泛使用的參數(shù)，它表示可用能量的使用與損失的能量之比。例如，效率為 100% 的設(shè)備會(huì)毫無浪費(fèi)地使用所有可用能量，而效率為 40% 的設(shè)備只會(huì)使用不到一半的可用能量，剩余的能量會(huì)以未使用的熱量形式浪費(fèi)掉。

如今，效率是研究的關(guān)鍵因素之一，各公司力求達(dá)到盡可能高的效率，以節(jié)省能源并地減少空氣污染。導(dǎo)通階段電阻較低的 MOSFET 和晶體管占據(jù)市場主導(dǎo)地位，這些電子開關(guān)可確?？焖偾袚Q，且耗散率極低。

在高功率轉(zhuǎn)換器中，即使效率提高很小一部分，也能節(jié)省大量能源。效率就是輸出功率與輸入功率之間的百分比，其公式如下：

效率（%）= [ P（輸出）÷ P（輸入）] × 100

其中：Eff（％）是效率百分比，介于 0％ 和 100％ 之間；P（輸出）是負(fù)載消耗的功率；P（輸入）是向電路供電的電源所使用的功率。

高效率可使電子元件工作得更好，發(fā)熱更少，并且完全可靠、安全地運(yùn)行。對效率有重大影響的因素之一是開關(guān)器件的 R DS(on)參數(shù)，即導(dǎo)通階段 DS 通道的電阻。該值越低，整個(gè)系統(tǒng)的效率越高，如圖 1 所示。該圖以對數(shù)為基礎(chǔ)，顯示了電氣圖的效率與 MOSFET 的 R DS(on)的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著器件導(dǎo)通電阻的增加，系統(tǒng)效率會(huì)降低，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的功率會(huì)以熱量的形式損失。

系統(tǒng)的效率主要受電子設(shè)備的RDS(on)參數(shù)的影響。

圖 1：系統(tǒng)效率主要受電子設(shè)備的R DS(on)參數(shù)的影響。

儲(chǔ)能

電池是電動(dòng)汽車的，儲(chǔ)存電能為發(fā)動(dòng)機(jī)和其他設(shè)備供電。電池的運(yùn)行基于可逆化學(xué)反應(yīng)，為此，兩個(gè)電極浸入特殊溶液中?；瘜W(xué)反應(yīng)在電極之間產(chǎn)生電位差（電壓），電動(dòng)勢推動(dòng)電子在電路中流動(dòng)，產(chǎn)生電流。如今，使用的電池主要是鋰離子電池，即使成本仍然很高，它也在能量密度、持續(xù)時(shí)間和重量之間提供了極好的平衡。

圖2顯示了兩種不同技術(shù)的電池的放電曲線。電池管理操作對于優(yōu)化性能以及重要的長期耐用性至關(guān)重要。市場上提供不同類型的電池，每種電池都有自己的特點(diǎn)和性能，相應(yīng)的購買必須特別小心。如果成本高，則需要在其他參數(shù)上做出妥協(xié)。通常，要觀察的電池特性是功率密度、重量和尺寸、存儲(chǔ)容量、生命周期（可充電和放電的次數(shù)）、持續(xù)時(shí)間（可使用的年數(shù)）、技術(shù)（鉛酸、鋰等）和價(jià)格。沒有單一的電池，每種型號(hào)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。鋰電池的特點(diǎn)是能量密度高。它們相對較輕，但比其他電池貴得多。

鉛酸電池和鋰離子電池的放電曲線。

圖 2：鉛酸電池和鋰離子電池的放電曲線

電動(dòng)馬達(dá)

電動(dòng)機(jī)（見圖 3）是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的部件，可驅(qū)動(dòng)車輪。電動(dòng)機(jī)有多種類型，技術(shù)不斷改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功耗，以降低摩擦并提高扭矩。與內(nèi)燃機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)要簡單得多，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程比內(nèi)燃機(jī)更平穩(wěn)。大多數(shù)電動(dòng)汽車都是直接驅(qū)動(dòng)的，因此不需要變速箱，因?yàn)樗鼈冊诿糠昼娹D(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)具有高驅(qū)動(dòng)扭矩。汽車用電動(dòng)機(jī)可以輕松地從 0 到 15,000 rpm 運(yùn)行，具有恒定的驅(qū)動(dòng)扭矩并始終保持相同的檔位。推進(jìn)力的很大一部分直接取決于電池的特性。

電動(dòng)機(jī)。

圖 3：電動(dòng)機(jī)（來源：Cascadia Motion）

高壓和低電流的接線，反之亦然

在電路中，功率 ( P ) 定義為電壓 ( V ) 與電流 ( I ) 的乘積，根據(jù)以下公式：

P =電壓×電流

高功率設(shè)計(jì)不僅涉及電子元件、PCB 和其他設(shè)備，還涉及各種電氣部件之間的布線和連接。使用粗電纜并不總是的選擇，這取決于應(yīng)用類型和具體要求。通常，粗電纜的電阻較低，使用壽命更長，可以處理大電流，因此適合熱量是重要因素的應(yīng)用。然而，細(xì)電纜也有很多優(yōu)點(diǎn)。它們更靈活，更容易折疊到狹小空間，重量很輕，價(jià)格更便宜，通常用于空間和重量是關(guān)鍵因素的應(yīng)用。

重要的是要記住，每根電纜都有容量，即可以安全傳輸?shù)碾娏髦?，而不?huì)因焦耳效應(yīng)而過熱。不幸的是，厚度與成本和重量成正比。因此，在設(shè)計(jì)階段必須仔細(xì)評估電纜的不同部分。

隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的增加，制造商正在從 12 V 電源轉(zhuǎn)向 48 V 電源。更高的電壓可提供更大的驅(qū)動(dòng)力，而相關(guān)接線成本更低。12 V 電池必須為發(fā)動(dòng)機(jī)提供非常高的電流，尤其是在啟動(dòng)時(shí)，并且電纜必須具有足夠的橫截面積來支持這種電子流動(dòng)以避免過熱。使用 48 V 電源，情況完全不同；在相同功率下，流通的電流要低得多，電纜可以采用更小的直徑，以實(shí)現(xiàn)更輕、更便宜的總接線。

開關(guān)損耗

關(guān)于這個(gè)主題的文獻(xiàn)很多。所有開關(guān)轉(zhuǎn)換設(shè)備都存在這種類型的損耗，并且會(huì)在開關(guān)過程中發(fā)生，因?yàn)樵O(shè)備狀態(tài)改變不夠快，相關(guān)的渦流會(huì)導(dǎo)致能量耗散。實(shí)際上，由于 MOSFET 開關(guān)速度非?？?，因此無法立即執(zhí)行導(dǎo)通通道的打開和關(guān)閉操作，在這種情況下，耗散功率會(huì)顯著上升（見圖 4）。在電流的上升沿，會(huì)出現(xiàn)對稱的電壓下降沿，但由于這些信號(hào)不是瞬時(shí)的，因此平均耗散功率往往會(huì)增加。不幸的是，的功率損耗恰恰發(fā)生在上升或下降前沿。但是，有一些技術(shù)可以減少這些問題，例如軟開關(guān)和硬開關(guān)。

功率損耗主要發(fā)生在開關(guān)邊緣。

圖 4：功率損耗主要發(fā)生在開關(guān)邊緣。

使用 PWM 進(jìn)行功率計(jì)量

脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 是一種通過一系列高速數(shù)字脈沖來控制數(shù)字信號(hào)向負(fù)載傳輸?shù)钠骄β实募夹g(shù)。它可以比作一個(gè)開關(guān)，不僅可以打開或關(guān)閉，還可以非常快速地打開和關(guān)閉。通過改變相對于總周期的有效脈沖寬度，您可以調(diào)整設(shè)備感知的平均電壓和功率。這種技術(shù)對于控制 LED、燈或電機(jī)等設(shè)備非常有用，因?yàn)檫@些設(shè)備的亮度或速度與平均電壓成正比。

在電機(jī)中使用 PWM 的優(yōu)點(diǎn)是，驅(qū)動(dòng)扭矩對于任何百分比的占空比都是恒定的。圖 5 中的示例顯示了通常需要用所需電壓的一半來為 12 V、2 A 燈供電以獲得較低的亮度。該燈的電阻為 6 Ω。因此，當(dāng)以 12 V 供電時(shí)，它會(huì)耗散 24 W。但是，該方案需要將一半的功率施加到燈上以使其更暗地發(fā)光。它顯示了兩種解決方案：

左邊的解決方案使用 6 Ω 功率分流電阻器（與燈相同）來創(chuàng)建電阻分壓器并在兩個(gè)負(fù)載之間分配能量。

右邊的解決方案使用 PWM 版本，其效率更高。

種解決方案效率不高，因?yàn)殡姵靥峁┑囊话肽芰勘焕速M(fèi)在分壓器電阻產(chǎn)生的未使用熱量中。它的效率相當(dāng)?shù)?，約為 50%。然而，第二種解決方案效率要高得多，因?yàn)闆]有使用額外的組件，負(fù)載在半個(gè)周期內(nèi)通電，而另一半周期則處于停用狀態(tài)。燈接收的脈沖串非?？?，人眼無法察覺。它的效率非常高，甚至高于 98%。

PWM 允許您改變輸送到負(fù)載的功率，而不會(huì)造成顯著的能量損失。

圖 5：PWM 允許您改變輸送到負(fù)載的功率，而不會(huì)造成顯著的能量損失。