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www.455157.com|www.ra655.com:汽车电动机通解:它能秒杀传统发动机吗?

2018-01-05 10:38 来源: 驾仕派
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摘要:它的结构比鼠笼式电机更简单,转子不再是绕组或者鼠笼式导体,而是普通硅钢片叠压而成的,结构简单、散热条件好、体积轻、重量小、可靠性高、易于调速,功率密度和效率非常接近永磁同步电机,而且适用于恶劣环境、频繁启停和正反转,非常适合作为电动汽车的驱动电机使用。

虽然目前纯电动车还有着很多不完善的地方,但是依然不妨碍大部分人把它当成是未来汽车的主流进化方向——我相信很大一部分原因就是特斯拉通过MODEL S/MODEL X,给大家展现出了一种耳目一新的高级驾驶体验,呈现出了电动车这块璞玉所蕴藏的可能性……

而这一切又和汽车电动机与传统燃油机有着天壤之别的特性密不可分。今天,我们就给大家做一次关于汽车电动机的简单科普。

 汽车电机的优越性在哪?

不要以为电动车里除了特斯拉之外,就只有一堆又小又慢的老年代步车。如今已经诞生了很多性能强悍的电动超跑,譬如蔚来EP9、RimacConcept One等等。它们都有一个共同的特点,那就是加速能力足以甩掉绝大部分传统燃油车一大截——很多车型的百公里加速都已经突破到了3秒以内。它们之所以能做到如此恐怖的地步,原因都是和电动机的动力输出特性紧密相关的。

几乎所有的电动机,在转速为零的时候都能够提供接近最大的扭矩,而且调速范围非常大,基本上就不需要传统燃油车的多挡位变速箱,充其量只需要两到三个挡位就好了,这样变速箱的体积、重量可以大幅度压缩,制造难度和成本也相应下降,后续调校也显得简单许多。很多电动车甚至直接匹配一套单级的减速箱就可以了。

上面这个图就是电动机的外特性曲线,其中红色线是扭矩输出特性,绿色线是功率输出特性,而黄色的部分就是电动机运行比较高效的区间。

可以看出,电动机的特性和传统燃油机差异非常大,除了低速下扭矩非常大之外,还有着很大的恒功率区间,而且在中低转速区域非常高效——要知道电动机的运转效率普遍都能够超过90%,相比之下目前往复活塞式汽油机的最高效率也不过42%左右。

另外,电动机的运转部件就只有转子,相比燃油机要少太多了,结构简单、体积紧凑、可靠性也要高不少。如此种种,都是很多人都愿意看好电动车的原因。

电动车的动力布置方式?

由于电动机本身体积小、布置更简单,所以电动车的动力总成布置方式也显得非常多样化,可以灵活选择各种类型的布置方案。

目前,很多传统厂商碍于开发成本的原因,沿用了传统燃油车留下的车身框架,把电动机、变速箱和控制器等放在了传统燃油所在的车头位置。实际上,很多新诞生的重新独立开发的电动车,已经实现了非常自由的电机布局方式。

譬如MODEL S,将单电机+减速箱+差速器的一套组合放在了靠近前后车桥的位置。

不但电机的布局方式更自由,而且还可以引入同轴的多电机方案。譬如蔚来的电动方程式赛车,采用了双电机的后驱方案,左右车轮分别由独立的电机驱动,这样一来就可以省去传统的差速器,通过控制策略的优化,实现两侧车轮输出扭矩的分别控制,驱动力分配的效率更高。

而本田新一代的NSX,采用的则是非常复杂的3.5 V6双涡轮增压发动机,外加三电动机的混合动力四驱系统。其中后轴是发动机+单电机,而前轴用的就是双电机方案。在过弯的时候,前轴两个电机可以根据当前的过弯速度、加速度,自行调节两侧电机的输出扭矩,帮助提升过弯速度。

NSX的前轴双电机,中央还带有多片离合器和制动能量回收系统

更进一步,当然业界已经提出了轮毂电机的方案,直接把电机+减速器的组合塞进轮圈内部,甚至可以把减震器也内置其中。由此一来,四个车轮全部通过独立电机驱动,就能变成智能化程度非常高的四驱系统。不但舍去了复杂的传统多差速器机械四驱系统,还可以完全独立分配四个车轮的转矩,配合悬架的独特设计,甚至可以实现近似于原地掉头这样传统燃油车无法想象的“高难度动作”。不过,这种方案明显会增加簧下质量以及车轮的转动惯量,一定程度上影响操控和滤震性能,另外电机的散热设计也要变得更复杂。

 常用的汽车电动机有哪些?

电动机的原理,相信学过高中物理的人都知道,就是利用电流的磁效应,通过控制电流在线圈中产生的磁场变化,驱动电机中的定子和转子发生相对转动。如今电动机早已走进了我们日常生活的每个角落,而电动车本身也不是什么新鲜事物了,它早在1881年就诞生了。然而直到近十几年随着全世界节能减排的呼声越来越大,大规模的电动车革命才开始掀起,车用的驱动电机才开始大规模应用起来。

目前最为主流的汽车驱动电机是两类无刷电机,一类是感应异步电机,另一类是永磁同步电机。

感应异步电机也有很多种叫法,譬如直流感应电机、鼠笼式电机等等。它的定子和转子都是导体,一般来说定子是通电的绕组线圈,而转子实际上是多组线圈组成的类似鼠笼一般的导体,所以才得名“鼠笼式电机”。只要改变定子线圈的电流来产生可旋转的磁场,就会产生转子中的导体切割磁感线的效果,导体因为电磁感应现象而产生电流,带电流的导体就会被定子的磁场“牵”着走,所以也才被称之为“异步”电机。它成本低、工艺简单、运行可靠耐用、维修方便,而且能承受大幅度的工作温度变化。

特斯拉最早的量产车——第一代的Roadster、MODEL S以及最新上市的蔚来ES8,用的就是这种电机,其中MODEL S所用的异步电机,最高转速可以达到20000rpm左右。但是到了MODEL 3,特斯拉就换成了下面的这种电机——永磁同步电机。

永磁同步电机和感应异步电机的最大区别,就是把转子的导体“鼠笼”直接换成了永磁体。它的永磁体转子,和异步电机中被“牵”着走的导体转子不同,可以实现转子的转速和定子磁场旋转的速度是完全同步的。这一类电机的优势非常多,最重要的就是功率密度和控制精度高,而且重量更轻、体积更小、噪音低。但是这类电机中所采用的永磁体磁铁,制造过程中都需要用到成本高昂的重稀土元素,这也直接抬高了电机整体的成本,而且也容易在高温、震动、过流的情况下发生退磁现象。它是目前大部分汽车厂商研发电动车的首选,特斯拉目前也在往这个方向过渡。

在这两者之上,还有一种更具有前景的开关磁阻电机。它的结构比鼠笼式电机更简单,转子不再是绕组或者鼠笼式导体,而是普通硅钢片叠压而成的,结构简单、散热条件好、体积轻、重量小、可靠性高、易于调速,功率密度和效率非常接近永磁同步电机,而且适用于恶劣环境、频繁启停和正反转,非常适合作为电动汽车的驱动电机使用。为数不多的缺点在于控制比较复杂、扭矩波动大、噪音偏大。它有望会在未来成为车用电机的一个新普及方向。

驾仕总结:

可以明显地看出,目前的电动机技术,已经足以给汽车提供远超传统燃油发动机的性能,而且电动机本身功率密度大、外特性更出色、更容易布置的特点,给了汽车驱动技术更大的发展空间。所以,只要电池技术的桎梏、充电场景的普及能够进一步取得突破的话,电动车全面超越传统汽油车的可能性还是非常大的。

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