讓特斯拉秒殺超跑 電動車的電機為啥這麼猛 ?

03-05

酷暑難耐,紅燈下的我自以為胯下新買的摩托所向披靡,指望它用撲面之風帶來些許清涼,但綠燈閃現的剎那卻被一旁的電摩搶先沖出,並留下瞭蔑視的目光。這一刻的失敗,電機才是幕後的操盤手,也就是這回我要聊的純電動車 " 三電 " 之一。

新時代下,當大傢都把焦點放在續航裡程上時,殊不知電動車若沒有電池這貨拖後腿,也許早就篡位登基當上瞭主人。那麼問題來瞭,可以讓電摩風馳、讓電車電掣的電機身上有什麼可以仔細品味的幹貨?它將擁有怎樣的未來?

題外話:一個有意思的事兒

與搭載 6.2L 機械增壓 V8 發動機、峰值扭矩 875 牛米的大切比拼後,我們來看看特斯拉與超跑的對決。我們邀請到瞭特斯拉 MODEL S P100D 和蘭博基尼 Huracan LP580-2 這二位,前者無論是功率、扭矩還是最終的百公裡加速時間,都對傳統超跑完成瞭超越,關鍵售價還便宜很多。對此明眼人都瞧得出來,造成這種結果是因為純電動車和傳統能源車的特點所致,說白瞭就是電機和內燃機的特性不同,兩者最主要的工作就是驅動車輛前進,來自不同世界的二位有著不同的優缺點,而如果要單說加速能力,則正中電機的下懷。

再聊正事兒之前先扯會兒閑篇兒,要說電機的誕生,就不得不提交流電與直流電之間的 PK。愛迪生想必大傢都認識,就是那個 " 電燈泡之父 ",他是直流電的死忠,後來還成立的 " 愛迪生電器公司 " 讓美國人民享受到瞭這個福利。不過,有個人卻不這麼認為,他有個耳熟能詳的名字 - 特斯拉,尼古拉 · 特斯拉,克羅地亞人,後移民美國,正經的科班兒出身,曾就職於愛迪生公司且貢獻不小,後來由於報酬等原因特斯拉把愛迪生給炒瞭,出來單幹四年後發明瞭交流電。

說到這兒好戲才剛剛開始,特斯拉發明的 " 三相交流電輸電線路 " 有著較直流電更方便轉換電壓、低熱消耗的特點,後來被威斯汀豪斯電氣公司給買瞭,於是乎成為瞭愛迪生公司最大、最直接的競爭對手。後來,愛迪生同學氣急敗壞,通過一系列不太光彩的手段去詆毀交流電,期間甚至發生過蓄謀電死人和動物的事情。當然,最後的結果是愛迪生沒有抵擋住科學的力量,愛迪生公司最終也改用交流電,並變成瞭後來的 GE,也就是通用電氣。

扯完閑篇兒回歸正題,之前我就說過,純電動車之所以加速給力,最主要原因是因為電機驅動特性決定的。說白瞭,電機的應用原理我們上學那會兒都學過,那就是電磁感應原理,其是應用這個原理運行的旋轉電磁機械,最主要的工作和任務是將電能轉化為機械能,吸收電功率並向機械系統輸出機械功率。

如上圖所示,電機在零轉速下便可以輸出非常大的扭矩,雖然後期也會衰減,但從 0 開始的最大扭矩輸出特性決定瞭其要比傳統內燃機更加 " 直給 "!並且,這一切還是建立在高效率與零排放的基礎上。不過電機這貨也不是輕易就可以從完美數據到大規模應用的,其必須要具備輕量化、可靠性高、成本低、效能高等特點。

要說我們最熟悉的電機類型,莫過於應用最為廣泛的永磁同步電機,包括寶馬、豐臺、日產、本田,以及國內自主品牌榮威、騰勢、北汽、比亞迪等,旗下新能源車都在使用。簡單來說,永磁同步電機的核心是永磁體,永磁體可以建立磁場,其是磁化後撤去外磁場而能長期保持較強磁性的物質。永磁同步電機有著效率高、功率密度大、結構簡單、可靠性高等特點,當然,他的缺點也很明顯,那便是成本高。

此外,交流異步電機也應用比較廣泛,這個就是我們俗稱的感應電機,其可以產生旋轉的磁場,在旋轉磁場的作用下,轉動力就出來瞭。交流異步電機的核心是轉子和定子,顧名思義,轉子是轉動的導體,定子則不動,主要任務是產生一個旋轉磁場。交流異步電機的優點是可靠性高、成本低、體積和質量小,說白瞭就是耐操!高速的電動車一般都會用它,比如特斯拉。但是他也有缺點,比如功率因數低、控制復雜、易受影響、調速性能差、范圍窄等。

所以,究竟這兩種電機誰優誰劣,套用特斯拉電機工程師 Wally Rippel 的觀點:

1、永磁電機的轉子產生的熱量小,效率也略高於感應電機。但是永磁電機存在退磁的問題,在低負荷的條件下效率會減少。

2、感應電機雖然最高效率小於永磁電機,但是平均效率表現得更好。

3、感應電機不容易控制,在研發成本上是增加的,但是原材料成本要小於永磁電機。

所以,兩者的最明顯區別在於一個有磁一個沒磁,永磁同步電機依靠永磁體制造磁,而交流異步電機則是通過轉子和定子形成磁場。兩者不分勝負,沒有誰更厲害,也沒有誰是無敵的。

眾所周知,特斯拉此前一直采用的是三相 4 極交流異步電機(三相交流電:由三個頻率相同、電勢振幅相等、相位差互差 120° 角的交流電路組成的電力系統)。不過讓人感到意外的是,特斯拉在 Model 3 上放棄瞭它的使用,轉而改用永磁同步電機。這不免讓九泉之下的尼古拉 · 特斯拉有些尷尬,畢竟特斯拉這個名字,當初就是為瞭紀念發明瞭感應電機的尼古拉 · 特斯拉。

那麼,特斯拉這個改變的原因是什麼?我們通過永磁體需要的材料 - 釹鐵硼也許可以找到答案。釹鐵硼是永磁同步電機上永磁體需要的稀土材料,其是目前磁性最強的永久磁鐵,中國占據瞭全球釹鐵硼產量的 90%。那麼,此次改變,是否意味著特斯拉未來將更傾向於中國市場,甚至落地中國?如此看來,這個技術上的調整或許真沒那麼簡單。

談到未來,和電池技術一樣,電機技術也在尋求更廣闊的天空。無論是混合勵磁電機、雙定子永磁電機、記憶電機磁性齒輪永磁無刷復合電機,還是非晶電機,都在為本體永磁化、控制數字化以及系統集成化而努力著,在保證輕量化、高可靠性、高效性的同時,還要進一步降低成本、噪音以及提升耐久性與應用范圍。

寫在最後:現階段是電池技術在拖電機的後腿,有朝一日,電池技術也會朝著成熟與前端大踏步前進,其與電機未來是否可以碰撞出更精彩的火花,可否打出漂亮的配合,這是近憂。除瞭純電動車,燃料電池車也是電機的重要應用對象,可否適應更多、更先進的新能源車,將是電機面臨的遠慮。(圖 / 文 網通社 張屹鵬 部分圖片來源於網絡)

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