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开聊电动汽车-电机篇

发布人:三德子时间:2022-06-13来源:工程师

现在这年景,许是真的像鲁迅先生笔下那位“九斤老太”说的:一代不如一代了。曾几何时,相声、脱口秀、喜剧人搞得热火朝天,只要是能让人笑出来的节目,人们就愿意掏大价钱买乐。

 

由此也拉开了轰轰烈烈的造富运动。在这场运动中,最是赚得盆钵盈满的当属那位“举头望明月”的郭德纲。虽然有一次他在节目里说过自己“不止十几亿身价”,但仍然一直谦虚地说自己只是相声界的一名小学生。

 

和郭德纲先生的谦虚相比,国内造车新势力那股子敢把牛皮吹破天的劲儿,就显得格外扎眼了。


1、百公里加速


这几年来,各路造车新势力、自主品牌、传统巨头纷纷杀入智能电动汽车这个领域,你方唱罢我登场,一个个撸起袖子加油干,颇有一种天地转光阴迫,一万年太久只争朝夕的既视感。

 

这些电动汽车的新秀们,胆子肥,干劲足,同时也脸皮壮,吹起牛来个顶个地不遑多让。

 

每每发布一款要和诸多小白鼠车主一起打磨、靠后期OTA打补丁的新车时,都会拿出百公里加速这个指标来,彰显自己的屌炸天。

 

不知道从什么时候开始,电动车的百公里加速基本都在四秒以下了。更激进的,蔚来EP9百公里加速2.7秒。特斯拉roadster2百公里加速1.9秒。

 

要知道,在内燃机时代,超级跑车百公里加速能够进入3秒内,都相当了不得了。比如百公里加速2.5秒的布加迪威航,2.8秒的兰博基尼V12超级跑车,各个用的都是汽车界最顶尖的发动机技术,为了把风阻降低,车内空间已经被挤压得令人发指了。

 

但是,且慢,这些没什么技术底蕴的新势力们搞出来的车,竟能秒杀有着百年积淀的传统燃油车巨头了?

 

事出反常,必有蹊跷!各位瓜友,莫要急,莫要燥,看看下面这张图,您就一目了然了

小鹏P7电机和某发动机的扭矩外特性曲线.jpg 

 

这是新势力扛把子小鹏汽车的P7和某款燃油车发动机的扭矩外特性曲线对比图。看出来没,电动汽车之所以可以“大力出奇迹”,将你牢牢地按在座椅上,完全是电机的功劳。

 

因为,牛顿老先生告诉我们:F=ma

 

这个公式可谓经典力学的灵魂。初中英语老师解读为:Bigger,Stronger,Faster,星爷《功夫》里的油炸鬼则说:能力越大,责任越大!

 

正是电机加速阶段的恒转矩特性,使其可以瞬间输出大力矩,产生爆表的加速度,才会带来极致的推背感,秒杀一众内燃机车!

 

各位特斯拉的友商们,不要再贪天之功了好不好?


2、电机


轻弹琴,慢煮茶,今天拉拉电机的呱!

 

在我们的日常生活里,空调、洗衣机、吹风机、电风扇、各类电动工具,虽然我们看不到摸不着,却哪哪都离不开电机。

 

这几年经常有人说起这样的话:如果你觉得岁月静好,那是因为有人在替你负重前行。没错,电机就是那个默默扛下所有、隐身幕后的英雄。


从汽车动力总成的架构上来看,燃油车和电动车都是一边吃,一边拉,储能系统、驱动系统两把抓在电动汽车里,驱动系统的核心便是电机。

 

它就是那个先对电池包来个吸星****,再来一招乾坤大挪移,把电能转换成动能的无忌哥哥。

 

讲完作用,再讲原理。

 

电机的原理是法拉第老爷子发现的电磁感应定律:电生磁,磁生电。

 

您可不要把它理解为中国古人常说的蛋生鸡,鸡生蛋。蛋鸡背后的哲学本质是无中生万有,道中生万物,而电磁背后的哲学本质则是电磁不可分割,永世纠缠交织的共生共灭

 

电动汽车里的电机为交流电机,分享一个动图,大家体会一下它是怎么动起来的。

 

交流电机动图.gif 

一言以蔽之:三相定子绕组叠加产生一个旋转的磁场,吸引着转子追着不断旋转的磁场一直转。

 

大家可以想象一头驴在拉磨,它想磨洋工,想偷懒,主人就会在它前面挂上一根萝卜,吸引着它,又让它偏偏吃不着,于是,这头傻驴就追着萝卜转了一圈又一圈。。。

 

没错,定子绕组就是那根萝卜,转子就是那头傻驴!

 

关于这三个定子绕组是怎么产生旋转磁场的,大家看这张动图时,需要同时具备“空间”和“时间”两个视角。

 

从空间上来看,ABC三相绕组在360度空间上依次排开,空间上的相位差为120度,这是一目了然的。

 

从时间上来看,ABC三相绕组电压的波形在时间上相差了三分之一个周期,比如说绕组电压的频率为50Hz,一个时间周期对应20毫秒,ABC三相在时间上便是各自相差了6.67毫秒。

 

空间位置相差120度、时间相位相差三分之一个周期的三个正弦型的绕组电压,合成的空间电压矢量便是一个幅值恒定、旋转频率等于绕组电压频率的圆形轨迹。

 

考虑到有的瓜友想烧烧脑,在这里,笔者用一些简单的初中数学,给大家做一个推导。

Um为相电压幅值,ω为电源频率,则有:

1.jpg

那么,合成空间矢量Us(t)可以表示为:

2.jpg

看到了吧,合成空间矢量的幅值为相电压幅值的1.5倍,而且,其旋转速度为相电压的电源频率,所以它的轨迹就是电机领域里常说的矢量。就是它,一直带着转子愉快且平稳地旋转的。

插句题外话,电机有单相、双相、三相、四相。。。为什么选择三相,是因为老子在道德经里说了:“道生一,一生二,二生三,三生万物。。。”

 

‘三’可是一个“小满未满、充满了古人智慧”的好数字啊!

 人生小满.jpg

不过,定子合成的磁场在旋转,倘若转子没有磁链,电机也照样玩不转。

 

转子上的磁可以来自于电,也可以来自转子的先天。在电动汽车里,转子上缠绕组,不仅电生磁还要磁生电的,就是交流感应电机(AICM),转子本身带永磁体,先天就带着磁链的,便是永磁同步电机(PMSM)。

 

电机类型那么多,咱唠的便是AICM和PMSM这俩嗑。


3、AICMPMSM


交流感应电机又叫交流异步电机。称之“交流”,因为定子绕组通的是“交流电”;称之“感应”,因为转子磁场是通过电流“感应”而来;称之“异步”,因为转速和定子通电频率不同,两者“异步”,有个转差。

 

永磁同步电机,称之“永磁”,因为转子上不缠绕组,由永磁体制成;称之“同步”,因为转速和定子通电频率相同,两者“同步”。

 

这两款电机都在电动汽车上大放异彩。

 

比如蔚来ET7,它的动力系统是前置永磁同步电机,最大功率180千瓦,后置感应电机,最大功率300千瓦。特斯拉神车Model 3也是“前永磁、后感应”的双电机配置。

 

之所以这么搭档,是因为ACIM动力性能更强,PMSM效率更高,双电机配置可以发挥各自的优势。

 

这两款电机的优缺点也都比较明显。

 

交流异步电机定转子均由硅钢片叠压而成,皮实抗造价格低廉,绕组铜线耐高温,从而高速性能显著,但由于转子绕组需要电励磁,所以效率较低。永磁同步电机转子不用绕组励磁,效率但永磁体的成本高,且不耐高温容易出现高温退磁,电机稳定性较差。

 

综合来看,永磁电机效率高,能保证更长的续航,但成本高,所以整体功率占比较低;感应电机成本低,整体功率占比较高,同时它耐高温,能保证更强的性能表现。

 

头几年,特斯拉还只用交流感应电机的时候,还能听到永磁同步电机和交流感应电机之争,以及稀土永磁供应链的阴谋论,现在大家的中高端车型都用双电机了,ACIM+PMSM成了行业标配,这方面的争论也就淡下来了。

 

目前,车用电机的主要发展趋势是扁线、油冷技术、碳化硅控制器

 

扁线技术是在绕组上用扁线取代圆线,在相同的空间内便可以塞下更多根电线,从而提高功率密度。

 

油冷技术为大功率散热而生,在定子叠片上设计出油孔,向绕组上不断喷油带走高温。水冷?想想永磁电机的高温退磁。

 

碳化硅控制器则是为了应对高速转动而生的。据说,IGBT的开关频率快要不足以支撑地表最强电机的高转速了。。。。

 

电机的嗑还能再唠一大车,有机会再跟大家慢慢说!

 

文:兰陵笑笑生

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