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电机之争 保时捷与特斯拉性能之战

2018-06-25    来源: 中国财经网  跟贴 0

  特斯拉Model S的快相信已毋庸赘述,快到今天一提起高端纯电动品牌人们就想到它。既然后起之秀如此上进,传统车企自然不会坐视不管,这不保时捷就准备拿出Taycan应战,不过在这之前他们做出了一台名为Mission E Cross Turismo的概念车来小试牛刀。但你知道吗?在核心部件驱动电机的技术上,特斯拉貌似有些“落后”。关于驱动电机的故事还有很多,今天我就和朋友们一起聊聊电机的那些事儿。

  特斯拉Model S P100D有着2.7秒的0-100km/h加速时间,这个成绩在燃油车里也是非常之快了。而一个传统车企中的老牌劲旅,在内燃机称霸时代大红大紫的保时捷,为了能够证明自己玩电动依然很牛,他们也做出了0-100km/h加速时间在3.5秒以内的Mission E Cross Turismo,虽为概念车,但已是实力不俗。不过,两者选择了截然不同的技术路线,到底谁才能成为真正的赢家呢?

    ● 孪生兄弟:长相相似,性格却截然不同

  永磁同步电机和交流异步电机就好像是一对孪生兄弟,长相极其相似,但却有着不一样的脾气秉性。在基本结构和外观上两种电机大致相同,都是由定子、转子、电机外壳等常见部件组成。只不过转子在结构、用料和工作原理上存在差异。永磁同步电机属于交流电机的一种,其转子是由带有永久磁场的钢制成,电机工作时给定子通电,产生旋转磁场推动转自转动,而“同步”的意思是在稳态运行时,转子的旋转速度与磁场的旋转速度同步。

  感应异步电机也属于交流电机,转子是由导电性好的金属材质制成,如铝、铜等材质,且转子大多采用鼠笼式结构,工作时也是通过给定子通电,此时与转子感应电流相互作用产生电磁转矩,从而使转子转动的电机。“异步”之意就是在运行时,转子的转速总是小于旋转磁场的速度,故称之为异步。

  说的再简单一些,这两种电机均为交流电机,永磁同步电机的转子自带磁场,而感应异步电机的转子只是导体,并不带磁场,是通电之后产生了感应磁场才能与定子发生作用。由于技术路线的不同,也就使得两种电机有着各自的特点,接下来就跟大家聊聊他们各自的优劣势。

  ◆ 保时捷为什么会选永磁同步电机?

  我们还是结合之前提到的车型来分别看这两种类型的电机。在2018北京车展上亮相的Mission E Cross Turismo搭载了两台永磁同步电机,两个电机分别布置在前后轴之间,可同时输出动力,实现四轮驱动。这种布局形式在实现四驱的同时可以使前后配重更加均匀。

  在双电机同时工作的情况下,Mission E Cross Turismo的动力系统最大功率为600Ps(440千kW),0-100km/h加速时间在3.5秒以内,加速到200km/h的时间只需12秒,这样的实力足够碾压燃油超跑。这也是德国人决定快速转型,进军纯电动领域的表现,毕竟对于这些超跑专业户而言,为了赢值得付出一切。

  ■ 能量转化率高、适用于低速及复杂多变的路况

  能量转化率高是永磁同步电机电机特点之一,可以达到90%以上。相比之下从化学能转化为动能效率只有35%的汽油发动机,以及电动转化为动能85%-90%的感应异步电机就相形见绌了。

  其次是其调速范围比较大,“调速范围”这种说法可能有些过于晦涩,说白了就是能够适应车辆在低速行驶和高速行驶的动力需求,而且各工况都保持着比较高的能量转换效率。也就是说不论是在城市拥堵还是高速畅通的工况下,永磁同步电机在提供车辆所需动力性能的同时,还可以做到相对比较省电。

  最后是其体积较小、重量轻,这个特点要相对于相同功率密度的感应异步电机而言。打个比方,同样是可以举起100kg重量的运动员,举重运动员的个头就要比相扑运动员要小得多,这就是举重运动员的“功率密度”比较大。体积小就能给车辆的整体布局带来更多的优势,车辆前机舱和后备厢能够设计更多的储物空间,底盘上可以设计一些动力电池的扩展空间等等。也有利于车辆的轻量化设计。

  ■ 成本相对较高、性能会受温度变化影响

  除此之外,永磁同步电机也不是没有缺点,相对于感应异步电机,理论上说其单位功率升本较高,也就是说相同功率的两种电机,永磁同步电机的造价更高一些。再有就是永磁材质的转子会随着温度的大幅变化引起退磁现象,这种情况下就会使电机的性能下降。这种感觉就有点儿像人到了炎热的沙漠之后产生了脱水现象,导致身体机能下降。

  ◆ 先进的特斯拉却用了“落后”的交流异步电机?

  再来看特斯拉Model S P100D,其在开启狂暴模式时的0-100km/加速时间仅为2.7秒,最高车速同样为250km/h。这样出色的性能得益于其看似“落后”感应异步电机。为什么说这种电机比较“落后”?这是因为一些比较低端的纯电动车,比如大家常说的老年代步车、公园里的电瓶车,大都使用的是感应异步电机。所以“廉价感”、“落后”这样的标签就被贴在了这种电机上。但在特斯拉成功之前,大多数人其中也包括我都不知道,其实感应异步电机可以做到性能如此强大的地步。

  ■ 成本相对较低、性能不会受温度影响

  看着这些数据,真的可以用“可怕”来形容这台车子。那么它那颗强大的“心脏”还有什么其它的优势呢?首先,相对于永磁同步电机来说,感应异步电机的成本比较低,主要是因为无需使用昂贵的永磁材质来制造转子。其次,就是其转子的磁场是通电之后形成的电磁场,所以转子的磁场不会存在退磁现象,其可适应的工作环境温度要比永磁同步更广一些。

  ■ 能耗相对较高、低速性能不如永磁同步电机

  由于感应异步电机构造的原因,想要更有劲儿,电机内部的导电体就要增加体积,所以在与永磁同步电机相同功率的感应异步电机体积会相对大一些、重量沉一些。那带来的副作用就是占用车内的空间更多,给车辆的自重加码,增加了自身的能量损耗。不过,Model S P100D用100kWh的超大容量电池弥补了这一点不足。但电机重量大、加上超大载电量的电池体重固然轻不了,所以其能量转化的效率会受自重的影响而减小。

  其次,就是其调速范围小,在高转速的工况下能量转化效率比较高。这就导致Model S P100D在低速行驶时能耗会比同功率的永磁同步电机要大;而高速行驶中,虽然这种工况下感应异步电机的能量转换效率会高一些,但风阻给车辆带来的高能耗又使车辆电量消耗很快。总结起来,Model S P100D在各个工况下都要比同功率的永磁同步电机能耗水平高,简单的说就是什么时候都费电。

  ● 永磁同步和感应异步到底谁会成为主流?

  通过两个极具代表性的车子,我们也对两种不同技术路线的电机有了一个初步的了解。那么在它们之间,到底谁将会成为未来的发展趋势呢?在下结论之前,我们还是先来总结一下这两种电机各自的特点吧。

  从两种电机的优缺点上来看,永磁同步电机功率密度大,低速、高速工况均处于较高的能量转换效率。所以相对于高速工况才有较高效率的感应异步电机来说,更适合低速工况较多、频繁起步停车的城市道路。这也就不难解释为什么现在生产的纯电动车型中,永磁同步电机处于主流地位。

  再有一个原因就是由于大多数的纯电动车并不追求极高的性能,就算永磁同步电机的单位功率成本较高,但各家采用的电机功率并不会高到会大幅影响造车成本的地步,所以除了性能车之外,车企还不会因为这一点而考虑使用感应异步电机的技术路线。

  那么特斯拉也知道感应异步电机在低速工况下存在能耗相对较高的劣势,但为什么还要坚持采用这种电机?仅仅是由于成本低吗?也不尽然,特斯拉选择这种技术路线还有其他的考虑。其中,最主要的原因是制造永磁转子的材质——钕铁硼,对于美国本土来说属于稀缺资源。钕铁硼永磁材料是稀土资源,对于稀土资源缺少或稀土工业不发达的国家而言,车用动力电机的技术方案是与国家安全相关的,所以“米国”大叔们仍然坚持着感应异步电机的“技术壁垒”。但相比之下,欧洲人并没有美国人对于稀土资源那么“过分紧张”,很多欧洲企业还是选择了永磁同步电机的技术路线。

  既然说到了稀土资源,在这里给大家再提供一个冷知识,我国和日本对于其他国家而言在稀土资源方面有着绝对的先天优势。我国拥有全球70%的稀土资源,钕铁硼磁性材料的总产量达到全球的80%(尽管高端钕铁硼产量有限)。日本则是稀土产业的大国,世界销量前三的钕铁硼公司:住友特殊金属公司、新越化学实业公司和TDK集团都是日本公司,其实力可见一斑。所以,在中国品牌和日本品牌的纯电动车型上使用永磁同步电机可以说是件稀松平常的事情。

  不过,目前有消息表明特斯拉也开始向永磁同步电机的技术路线转变了。之前曾有海外媒体称在采访特斯拉电机设计师Konstantinos Laskaris时他透露,特斯拉MODEL 3车型将放弃使用感应异步电机而改为使用永磁同步电机。按常理来看,这是特斯拉“迷途知返”,为了提高电机的能量转换效率、降低能耗、增加续航里程而改变了技术路线。但还有一个原因也可能是导致特斯拉改变技术路线的导火索。

  永磁同步电机和感应异步电机在纯电动车领域是两大主要技术方向,并不能泛泛的评论谁好谁坏,还是要看使用场景和车辆的设计初衷。在同等功率条件下,永磁同步电机的体积更小、效率更高,比较适合路况复杂、频繁起停的工作环境;而感应异步电机,成本相对较低,收环境温度变化影响较小,更适合高速路段行驶的工况,可以说两种电机各有千秋。而随着永磁材料技术的不断进步,永磁同步电机在高转速方面也逐渐有了突破,目前可以达到16000rpm甚至更高。而且在一些国家的法规面前,车企不得不想方设法去降低能耗,以满足当地政策的要求。所以,由此可见,在乘用车上,无论是家用车还是性能车,在没有更新、更高效的技术出现之前,动力系统上应用永磁同步电机将会是一个大趋势。

 


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