汽車電動機通解:它能秒殺傳統發動機嗎?

2021-01-08 駕仕派

本文是駕仕派的原創文章,來自撰稿人韋陀。

雖然目前純電動車還有著很多不完善的地方,但是依然不妨礙大部分人把它當成是未來汽車的主流進化方向——我相信很大一部分原因就是特斯拉通過MODEL S/MODEL X,給大家展現出了一種耳目一新的高級駕駛體驗,呈現出了電動車這塊璞玉所蘊藏的可能性……

而這一切又和汽車電動機與傳統燃油機有著天壤之別的特性密不可分。今天,我們就給大家做一次關於汽車電動機的簡單科普。

汽車電機的優越性在哪?

不要以為電動車裡除了特斯拉之外,就只有一堆又小又慢的老年代步車。如今已經誕生了很多性能強悍的電動超跑,譬如蔚來EP9、RimacConcept One等等。它們都有一個共同的特點,那就是加速能力足以甩掉絕大部分傳統燃油車一大截——很多車型的百公裡加速都已經突破到了3秒以內。它們之所以能做到如此恐怖的地步,原因都是和電動機的動力輸出特性緊密相關的。

幾乎所有的電動機,在轉速為零的時候都能夠提供接近最大的扭矩,而且調速範圍非常大,基本上就不需要傳統燃油車的多擋位變速箱,充其量只需要兩到三個擋位就好了,這樣變速箱的體積、重量可以大幅度壓縮,製造難度和成本也相應下降,後續調校也顯得簡單許多。很多電動車甚至直接匹配一套單級的減速箱就可以了。

上面這個圖就是電動機的外特性曲線,其中紅色線是扭矩輸出特性,綠色線是功率輸出特性,而黃色的部分就是電動機運行比較高效的區間。

可以看出,電動機的特性和傳統燃油機差異非常大,除了低速下扭矩非常大之外,還有著很大的恆功率區間,而且在中低轉速區域非常高效——要知道電動機的運轉效率普遍都能夠超過90%,相比之下目前往復活塞式汽油機的最高效率也不過42%左右。

另外,電動機的運轉部件就只有轉子,相比燃油機要少太多了,結構簡單、體積緊湊、可靠性也要高不少。如此種種,都是很多人都願意看好電動車的原因。

電動車的動力布置方式?

由於電動機本身體積小、布置更簡單,所以電動車的動力總成布置方式也顯得非常多樣化,可以靈活選擇各種類型的布置方案。

目前,很多傳統廠商礙於開發成本的原因,沿用了傳統燃油車留下的車身框架,把電動機、變速箱和控制器等放在了傳統燃油所在的車頭位置。實際上,很多新誕生的重新獨立開發的電動車,已經實現了非常自由的電機布局方式。

譬如MODEL S,將單電機+減速箱+差速器的一套組合放在了靠近前後車橋的位置。

不但電機的布局方式更自由,而且還可以引入同軸的多電機方案。譬如蔚來的電動方程式賽車,採用了雙電機的後驅方案,左右車輪分別由獨立的電機驅動,這樣一來就可以省去傳統的差速器,通過控制策略的優化,實現兩側車輪輸出扭矩的分別控制,驅動力分配的效率更高。

而本田新一代的NSX,採用的則是非常複雜的3.5 V6雙渦輪增壓發動機,外加三電動機的混合動力四驅系統。其中後軸是發動機+單電機,而前軸用的就是雙電機方案。在過彎的時候,前軸兩個電機可以根據當前的過彎速度、加速度,自行調節兩側電機的輸出扭矩,幫助提升過彎速度。

NSX的前軸雙電機,中央還帶有多片離合器和制動能量回收系統

更進一步,當然業界已經提出了輪轂電機的方案,直接把電機+減速器的組合塞進輪圈內部,甚至可以把減震器也內置其中。由此一來,四個車輪全部通過獨立電機驅動,就能變成智能化程度非常高的四驅系統。不但捨去了複雜的傳統多差速器機械四驅系統,還可以完全獨立分配四個車輪的轉矩,配合懸架的獨特設計,甚至可以實現近似於原地掉頭這樣傳統燃油車無法想像的「高難度動作」。不過,這種方案明顯會增加簧下質量以及車輪的轉動慣量,一定程度上影響操控和濾震性能,另外電機的散熱設計也要變得更複雜。

常用的汽車電動機有哪些?

電動機的原理,相信學過高中物理的人都知道,就是利用電流的磁效應,通過控制電流在線圈中產生的磁場變化,驅動電機中的定子和轉子發生相對轉動。如今電動機早已走進了我們日常生活的每個角落,而電動車本身也不是什麼新鮮事物了,它早在1881年就誕生了。然而直到近十幾年隨著全世界節能減排的呼聲越來越大,大規模的電動車革命才開始掀起,車用的驅動電機才開始大規模應用起來。

目前最為主流的汽車驅動電機是兩類無刷電機,一類是感應異步電機,另一類是永磁同步電機。

感應異步電機也有很多種叫法,譬如直流感應電機、鼠籠式電機等等。它的定子和轉子都是導體,一般來說定子是通電的繞組線圈,而轉子實際上是多組線圈組成的類似鼠籠一般的導體,所以才得名「鼠籠式電機」。只要改變定子線圈的電流來產生可旋轉的磁場,就會產生轉子中的導體切割磁感線的效果,導體因為電磁感應現象而產生電流,帶電流的導體就會被定子的磁場「牽」著走,所以也才被稱之為「異步」電機。它成本低、工藝簡單、運行可靠耐用、維修方便,而且能承受大幅度的工作溫度變化。

特斯拉最早的量產車——第一代的Roadster、MODEL S以及最新上市的蔚來ES8,用的就是這種電機,其中MODEL S所用的異步電機,最高轉速可以達到20000rpm左右。但是到了MODEL 3,特斯拉就換成了下面的這種電機——永磁同步電機。

永磁同步電機和感應異步電機的最大區別,就是把轉子的導體「鼠籠」直接換成了永磁體。它的永磁體轉子,和異步電機中被「牽」著走的導體轉子不同,可以實現轉子的轉速和定子磁場旋轉的速度是完全同步的。這一類電機的優勢非常多,最重要的就是功率密度和控制精度高,而且重量更輕、體積更小、噪音低。但是這類電機中所採用的永磁體磁鐵,製造過程中都需要用到成本高昂的重稀土元素,這也直接抬高了電機整體的成本,而且也容易在高溫、震動、過流的情況下發生退磁現象。它是目前大部分汽車廠商研發電動車的首選,特斯拉目前也在往這個方向過渡。

在這兩者之上,還有一種更具有前景的開關磁阻電機。它的結構比鼠籠式電機更簡單,轉子不再是繞組或者鼠籠式導體,而是普通矽鋼片疊壓而成的,結構簡單、散熱條件好、體積輕、重量小、可靠性高、易於調速,功率密度和效率非常接近永磁同步電機,而且適用於惡劣環境、頻繁啟停和正反轉,非常適合作為電動汽車的驅動電機使用。為數不多的缺點在於控制比較複雜、扭矩波動大、噪音偏大。它有望會在未來成為車用電機的一個新普及方向。

駕仕總結:

可以明顯地看出,目前的電動機技術,已經足以給汽車提供遠超傳統燃油發動機的性能,而且電動機本身功率密度大、外特性更出色、更容易布置的特點,給了汽車驅動技術更大的發展空間。所以,只要電池技術的桎梏、充電場景的普及能夠進一步取得突破的話,電動車全面超越傳統汽油車的可能性還是非常大的。

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