討論電動車,言必稱電池容量多少千瓦時,續航里程多少公里。因為續航焦慮和充電焦慮,一直是困擾電動車的兩大難題。
但前段時間奔馳EQC電機故障風波,讓人們認識到了電機這個電動化車型中最重要的驅動部件,其地位同樣不可小覷。
在電動化車型當中,有一個動力輸出強大,同時能耗高效的電機,往往對車輛的性能提升做出巨大貢獻。
所以從100多年前的羅納·保時捷混合動力車,到現在百花齊放的電動車,電動化車型的電機也在不斷地進化中。今天就讓教授帶大家一起看看從最開始的混合動力車型到現在的電動車,電機經歷了怎樣的發展歷程,未來的電機將會是怎樣的。
純電動車早在第一輛汽車發明之前就已出現,但因為續航能力極差,實用性低下而很快被拋棄。對於混合動力車而言,最早的車用電機出現在1900年的羅納·保時捷混合動力車,這是現存的歷史最悠久的電動化車輛,它使用了兩個輪轂電機,羅納·保時捷也成了輪轂電機的始創者。
輪轂電機在這個時候用作驅動電機並不是因為它技術成熟,而是因為當時的機械潤滑技術未如現在那麼先進和完善,在驅動過程中,機械傳動越少效率越高。所以在那時候,輪轂電機就成為了這輛車的總設計師費迪南德·保時捷的首選項。
輪轂電機不存在複雜的傳動系,電機外殼轉子直接就是輪轂,最大特點當然是傳動路徑極短,效率相比具有減速齒輪箱的傳動系統而言要高得多。在1900年,這樣的輪轂電機可以減少高達83%的機械傳動損失,着實非常高效。
但輪轂電機會導致較大的簧下質量,嚴重影響舒適性和操控性,在目前傳動系統效率越來越高的情況下,輪轂電機的高驅動效率優勢並不明顯。所以輪轂電機在乘用車上的能見度並不是那麼高,在商用車等對簧下質量要求較低的車型中,輪轂電機使用就比較廣泛了。
現在依然有整車和零部件廠商在研發乘用車用輪轂電機。比亞迪即將在今年發佈的全新高端品牌中,首款亮相的越野車將會用到輪轂電機。而比亞迪早在大巴等商用車上應用了輪邊電機,足見比亞迪技術儲備之深厚。
在汽車發展歷史很長的一段時間內,由於電氣技術的滯後,電動化車型很長一段時間內都無法成為主流,電動化車型的發展經歷了一輪真空期。
直到1997年豐田憑藉着第一代普鋭斯,宣告了“世一混”——THS的到來。
THS的電機其實也有非常悠久的歷史了,雖然一路用的都是永磁同步電機,但在一些技術細節上,THS的電機仍在不斷進化,這些技術進化還輻射到了豐田的純電動車和燃料電池車上。
包括THS在內的豐田電動化車型上,無一例外使用了永磁同步電機,比如在第二代豐田MIRAI上使用的1KM型電機,就是從雷克薩斯GS450h上的電機改進而來。
GS450h使用的1KM型電機最大功率147kW,最大扭矩275Nm。而第二代MIRAI使用的1KM電機最大功率134kW,最大扭矩則提升至300Nm。同樣是1KM型電機,除了賬面數據還有什麼不一樣?
答案就隱藏在永磁轉子中。永磁轉子的外殼增加了幾道橫溝,這是為了更好地引導磁阻轉矩和磁鐵轉矩,而永磁轉子內部進行了較大幅度的升級。
轉子單元中原本兩塊磁石被重新分割成了3塊,並重新佈置了位置,磁石用量因此減少了20%,而且電磁鋼板的掏空設計也讓永磁轉子更加輕量化,並提供了更高的合成轉矩,整個電機的峯值扭矩因此得到了提升。
至於電機本身的效率,經過20多年來的進化後,THS的電機最高效率達到了95%,相比第一代普鋭斯使用的電機,效率提升高達40%。雖然説1KM型電機還在使用圓線集中式繞組,但是在最新的TNGA混合動力車型中的MG2驅動電機已經升級為更高效的分佈繞組扁線電機了。
豐田還在多種能源路線齊發力,隔壁的本田已經鐵下心來投入純電動車研發了。他們在電機技術上的積累同樣非常深厚。
下面就是用在Honda e、e:HEV車型上的F/H5型電機和用在i-MMD系統上的H4型電機。看圖就能很明顯看出兩款電機的區別。
H4和H5型電機均用上了分佈式繞組,但是H5的一個最大的改動是將圓線換成了扁線。扁線相對圓線的優勢我已經在上一篇文章中提到了,電阻更低,磁通量更大,功率密度更大,更利於做出小尺寸高功率密度的電機。
F/H5型電機的繞線也非常有特色,在電機外緣,扁線的纏繞形式像一個S形,本田將這種繞線方式稱為“Watari”,在不產生磁場的繞線中,通過這種獨特的繞線方式儘可能縮短繞線長度,進一步降低銅損。
同時為了儘可能降低將電機高速旋轉時產生的渦電流,從外部採購的電磁鋼板厚度僅為2毫米,整個轉子部分有多層電磁鋼板疊合而成。這非常考驗加工時的精度,多層電磁鋼板一旦在加工時出現錯位,插入其中的磁石就很容易造成損壞。
針對e:HEV車型的工作區間,本田還給專供混動車型的H5電機增加了一個升壓轉換器(VCU),幫助電機在高速運轉時有更好的動力表現和效率。
上面兩款電機都是日系混合動力電機的代表,他們為汽車電動化做出了不可磨滅的貢獻,那來到純電時代,電機又會是怎樣的呢?
奧迪在前不久發佈了基於MLB Evo平台打造的e-tron S,相比使用雙感應異步電機的e-tron,e-tron S的解決方案來得更加簡單粗暴——直接在後橋塞下了兩個感應異步電機,和前橋的感應電機組成了三電機系統,在Boost模式下可輸出370kW的最大功率和973Nm的最大扭矩。
相比永磁同步電機,e-tron S使用的感應異步電機結構上會有少許差異,轉子變成了繞線組。但是e-tron S電機的精髓不是在它的結構,而是在它的控制。
奧迪為e-tron S打造了一套扭矩矢量控制系統,在幾毫秒內就能改變兩個後橋電機的扭矩輸出,最大扭矩輸出差高達2100Nm。相比使用託森差速器或電控LSD的quattro系統而言,響應速度提升了4倍。
當然這套系統的缺點當然是感應異步電機相比永磁同步電機體積更加龐大且笨重,這個問題只能留給後續使用PPE平台打造的新車了。但電機響應速度之迅捷,還是能在這台e-tron S上可見一斑。
未來電動車的研發,到底是電池主導還是電機主導,至少目前大家最關注的續航里程這項數據,電池依然是最關鍵的因素。
但是可以説電機就一無是處嗎?當然不是。電機作為將電能轉化為驅動力的核心,是能和電池相提並論的電動車三大系統之一。沒有了電機,想讓電動車跑起來也就無從談起。
而且如果未來相當長的一段時間內電池技術是遲遲未能出現大幅度突破,提高電機效率將成為研發人員攻關的下一座山。高效率電機+換電系統,可能會因此成為未來一段時間內電動車的主要構成。所以電機研發的地位依然不可小覷。