电动汽车及其发动机的秘密:伙计们,这并不完全是电池的问题

车迷们对电动汽车的马达知之甚少,但它们是创新的核心。

通过 埃里克·亚当斯 | 更新 2018年1月9日下午4:05
电动汽车及其发动机的秘密:伙计们,这并不完全是电池的问题
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内燃机已经存在了大约140年。在这段时间里,我们已经完全了解了它们的细微差别。我们可以和朋友们聊聊压缩比、马力和阀门正时。我们知道排气量的优点和涡轮增压器的效率。汽车会议很快就变成了爆胎的海洋。即使是最新的超级跑车中最尖端的发动机技术也在汽车媒体中被彻底分析。我们了解引擎。我们谈论引擎。我们引擎。

我们不爱汽车不过,那是电动的。你知道,这些发动机已经存在了近250年,在19世纪80年代为汽车提供动力,直到汽油发动机因其航程和快速加油而超过了它们。(最早的交流感应电动机发明家之一:尼古拉·特斯拉。)事实上,我们对当今道路上所有新型电动汽车的车轮驱动原理缺乏了解,这令人费解。这个问题有多严重?大多数电动汽车车主可能都不知道在哪里他们的车里有马达,也不知道有多少马达,也不知道它们长什么样。

更糟糕的是:技术信息是稀缺的,大多数只能在论坛和小众技术网站上找到。再考虑一下这个事实我们的亚历克斯·罗伊刚刚评测了全新的特斯拉Model 3,在4000个精心设计的单词中他一次也没提马达。

你也不能怪他,因为特斯拉汽车的Model 3页面,其中包括一个“规格”部分,但它本身并没有提到马达。此外,该公司去年向美国环保署(EPA)提交的汽车合格证书(Certificate of Conformity)申请中,用了250个词来描述电池,但只用了20个词来描述电机。(如果你想知道的话,这是一个“三相6极交流内部永磁电机”,产生258马力或192千瓦和317磅英尺的扭矩。)同样的,雪佛兰的页面上的新Bolt EV除了说汽车有一个“电力驱动单元”,没有提到电机。即使是宝马公司字面意思是“马达”作为中间名-只屈尊透露在其i3产品页面电机是“交流同步的”。与此同时,只需点击几下,宝马3系基础车型的发动机被描述为“2.0升宝马TwinPower Turbo直列4缸16气门180马力发动机,结合了双涡旋涡轮增压器、可变气门控制(Double-VANOS和Valvetronic)和高精度直喷。”在此之前,该网站将继续介绍发动机的电子油门控制、自动启停功能、带震击控制的直接点火系统、电控发动机冷却(地图冷却)、制动能量再生以及Eco Pro、Comfort和Sport设置的驾驶动态控制。

在评论家中,罗伊并不是唯一一个对马达不屑一顾的人。大多数电动车评论都忽略了这一关键技术,只提到了它的相对安静、扭矩响应、简单性和长期低维护要求。大部分关于动力系统的篇幅都集中在电池上——电池的大小、结构和组成、位置、续航里程、充满电需要多少天等等。

特斯拉Model S P 90D的电动马达位置,特斯拉

但是,你很难责怪那些不在乎的人。大多数消费者——见鬼,甚至是汽车迷——都不具备权威地谈论电动机的知识或词汇,而且从表面上看,似乎几乎没有迹象表明,关于电动机有任何有意义的讨论。比如说,永磁体和交流感应之间的区别要比v8和双涡轮六缸之间的区别让人兴奋得多。汽车制造商和媒体不宣传汽车创新,这一事实自然会让公众认为没有什么了不起的事情发生。

除了……这是不对的。

虽然电动马达已经有了一个世纪的进步,但仍有很多事情可以做。首先,考虑到大多数汽车制造商已将汽车制造业务纳入内部。如果没有创新的空间,他们就会从外部供应商的目录中订购产品。汽车工程师们的目标是在汽车结构中使用更轻的材料,稀土磁铁的新替代解决方案,以及针对不同车辆需求优化的整体性能特征。卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)研究电动汽车性能的机械工程教授文卡特•维斯瓦纳坦(Venkat Viswanathan)表示,这仅仅是个开始。

Viswanathan说:“电机效率图,即其效率作为扭矩和速度的函数,决定了消费车辆的能源消耗,峰值功率特性是高性能需求的重要因素。”“此外,高速加热电机是另一个具有创新和发展空间的领域。”

一旦深入研究,就会清楚有多少优化和开发真正在进行。其中一个关键的选择是电机的一般类型。维斯瓦纳坦说:“通常情况下,大多数制造商使用同步电机,但它是永磁还是电磁铁对性能有很大影响。”

以特斯拉为例,尽管它通常对自己的创新守口如瓶,但这次却做出了重大改变Model 3它决定使用永磁电动机而不是迄今为止使用的交流感应电动机。关键的区别是,交流感应电机必须用电来产生电机内部的磁电流,从而导致转子旋转,而永磁电机不需要额外的电流,因为它的磁铁(由稀土材料制成)总是“开着”的。这一切都意味着,Model 3的电机效率更高,因此更适合较小、更轻的汽车,但不适合高性能汽车,因为交流感应电机可以产生更大的功率。雪佛兰Bolt出于同样的原因采用了类似的策略。

雪佛兰Bolt的电动马达,通用汽车(General Motors)

其他时候,制造商将专注于降低电机成本的方法,以使电动汽车更实惠。丰田位于密歇根州安阿伯市的技术中心高级工程经理斯特凡农(Heraldo Stefanon)说,该公司主要在日本生产汽车,着眼于简化生产流程。

他表示:“我们和其他汽车制造商面临的挑战是,在降低成本的情况下,找到简化制造的方法,同时提高电机的效率和性能。”“2016款普锐斯引入了几项电机改进,包括不同的材料和控制,以最大限度地降低成本和功率损失。丰田混合动力系统II的成本已经降低到第一代普锐斯混合动力系统的四分之一以上。”

对于自己的电气化努力,本田一直在追求精心设计的电机所能提供的性能和效率效益。其双电机单元部署在混合动力系统讴歌MDX跨界车, RLX轿车,NSX超级跑车这款车设计紧凑,在前轮(NSX)或后轮(MDX, RLX)之间的一个包中,有两个36马力的小马达背靠背放置。这种配置允许在四轮驱动设置中进行精确的扭矩矢量控制,由传统或混合动力发动机为另一个轴提供动力。性能的好处源于电机的能力交替传递扭矩或阻力时,调制功率到个别车轮。与其他电动汽车和混合动力汽车的发动机一样,该发动机也提供再生制动功能,在行驶时充当发电机为汽车电池充电,甚至在产生动力的同时通过内置电阻提供制动作用,如果进行了调整的话。

讴歌NSX前置马达的位置,本田

此外,本田还将雅阁混合动力车的马达体积缩小,在定子(电动机的固定部分,产生交变磁场以旋转转子)中使用了方形铜线,因为方形铜线嵌套更紧凑、更密集。该公司表示,工程师们还使用了三个较小的磁铁来代替两个较大的磁铁,这有助于提高扭矩。所有这些变化使汽车的马力提高了14.8马力,达到181马力,扭矩提高了6磅-英尺,达到232扭矩。

本田还以其集成电动马达而闻名,它位于混合动力车型的发动机和变速箱之间。一位代表该公司的工程师指出:“本田的驱动电机是专门为应用而设计的。”“功率和扭矩特性、直径/长度比、速度和冷却性能都经过优化,以在有限的空间内实现所需的性能。它们不是现成的组件。”

在未来,电机的性能和效率自然会继续增长。一些创新者将寻找使用更低成本和非稀土元素制造的磁铁,就像本田最近与大东钢铁(Daido Steel)合作的一个开发项目一样。他们的钕磁铁不含重稀土材料,但仍有足够的动力供车辆使用。电机的速度也会提高;目前,它们的转速大约在12000 - 18000转/分钟之间,但研究人员正在开发转速可以达到30000转/分钟的电机,其好处是,更小、更轻的电机可以完成旋转速度更慢的大型电机的工作。

还将改进热管理,进一步提高效率,以及全新的电机设计,例如超轻轮毂电机——过去曾尝试过,但通常受到沉重硬件的阻碍。最后,随着电动方程式(Formula E)越来越受欢迎,迈凯轮(McLaren)和安德烈蒂赛车运动(Andretti Motorsport)等赛车巨头也在大力推进他们的电机技术——同时也在打磨从电机位置到控制电子设备的一切,甚至优化电线的位置以最大限度地减少电子干扰——在汽车比赛中,所有的机器也都在炫耀改装过的电动机,这只是时间问题。

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