解決續航焦慮就只能瘋狂堆電池 錯了 搞定這個才是關鍵

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搗擺https://www.xinseopr.com/170864-17/20220217182249/image_0.jpg油水分離機

在討論電動車技術的時候,大家經常會說到“三電系統”,這“三電”主要指電池、電機和電控。談到影響電動車普及的最大痛點——續航里程的時候,大家都會把電池的容量和充電速度看得非常重要。

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但是不斷堆電池對續航的增加是存在邊際效應的。無腦堆電池不僅會增加車重,充電時間也會相應變長,對續航的增加卻會不斷減少。

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想要進一步增加續航里程,得想想另外的辦法了。不如就從電機入手?

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和內燃機比起來,電機的體積和構造簡單得多,因此在實際中用途實在是太廣泛了。從手機的振動器,到風力發電機中的大型電機,電機都扮演着重要的角色。

電機的原理其實非常簡單,通電導線在磁場中受力,導線切割磁感線產生電動勢,所以電機的兩大構成就是定子和轉子,一般為永磁體(磁鐵)和繞組線圈構成。永磁體和繞組線圈的不同組合結構就構成了不同種類的電機。

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電機的輸出特性和發動機差別非常大,發動機需要外接起動機才能起動,而只要給電機通上一定的電流,電機就可以開始旋轉並輸出動力。而且在起動時的扭矩輸出中,電機的扭矩要比發動機大得多。當然在高轉速區間,電機的扭矩輸出會偏低一些。

電機在運轉過程中的效率其實是非常高的,最高效率能達到95%,這也讓電動車的能耗對燃油車形成了降維打擊,在燃油車時代要做到1L/100km的油耗需要用到很多前衛且昂貴的技術,但是現在有非常多身型比較小的電動車,它們都能做到與1L/100km相當接近的能耗表現。

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所以電動車需要怎麼樣的電機呢?

電機的功率等於扭矩*轉速,要增強電機的動力性能的話,必須增大電機的尺寸。但是電動車的電池也要占據很大的空間,所以電機占據的空間就沒那麼大了。所以電動車需要的電機,必須兼顧工作範圍廣、高效率、小型化、高功率密度、低成本等幾大特點。因此目前在電動車上用的最多的電機還是永磁同步電機。

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和風扇、四驅車等工況較為固定的使用的電機相比,電動車所使用的電機,需要有非常廣泛的轉速和動力輸出區間,工況要複雜得多,所以電動車的電機和發動機一樣,高效率的範圍還是有限的。只不過總體而言電機的效率還是比發動機高得多的。下麵就是電機效率分佈的圖表。

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和發動機一樣,電機的最高效率區間集中在中速附近。在低轉速高扭矩和高轉速低扭矩區間中,效率都會略有降低。這就涉及到了電機的兩大主要運轉損失——銅損和鐵損。

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銅損顧名思義,就是銅線產生的損失。銅線雖然電阻比較低,但是當起步時銅線通過的電流還是非常大的。這樣銅線就會發熱,一部分能量以熱的形式損失掉。所以銅損主要產生在電機的低轉速高扭矩區間中。

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而到了高轉速區間,電機就會產生較大的鐵損。在電機運行過程中,繞組線圈的磁場是不斷在變化的,這樣的變化會在繞組鐵芯內產生渦電流和磁滯損耗。渦電流的產生最終還是會以熱量的形式散失掉。

電機轉速越高,繞組線圈的磁場變化頻率就會越大,因此產生的渦電流和磁滯損耗也會越大。再加上高速續航更大的空氣阻力和滾動阻力,電動車在此時會非常耗電。

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降低銅損和鐵損有非常多的辦法,在主流的電機中,最好的辦法就是使用扁線繞組結構。扁線繞組結構不僅橫截面積更大,減少了單位長度的電阻和發熱量,而且與鐵芯接觸面積更大,更利於散熱,通電時產生的磁通量也更大,目前已逐漸用在了主流的混合動力車和電動車的動力電機上。

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至於降低鐵損的辦法也有,一個是將鐵芯使用的電磁鋼板換成薄片,換成薄片後就能降低渦電流。另外還有將鐵芯更換為非晶體合金的做法,但這樣會降低電機的功率密度,同時非晶體合金的加工難度也比較大,不適合用於大批量生產。

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雷諾-日產聯盟提出了這樣的一個解決辦法——把永磁同步電機的永磁體換成可改變電流的繞組線圈,通過改變電流來改變轉子的磁場強度來進行弱磁控制,從而降低渦電流、磁滯損耗的強度,並增強了電機的高轉速動力輸出。

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但是因為是繞組線圈產生的磁場,電機體積要比永磁同步電機大一些,而且繞組線圈產生磁場同樣需要耗費功率,所以極限效率是不如永磁同步電機的。

有更完美的解決方案嗎?開關磁阻電機算是一個,它的高轉速性能要比永磁同步電機好上不少,這也是未來車用電機的研究重點。如果能夠解決轉矩脈動和噪聲、震動問題,它會是比永磁同步電機更好的解決方案。

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因為電機和發動機輸出特性的巨大差別,與其匹配的傳動系統也和燃油車有着比較大的差異。所以大部分的電機不需要起動機,不需要離合器,只需要一個減速齒輪箱就足夠了,但還是有車企給出了不同的解決方案。
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保時捷就為Taycan配備了一套行星齒輪兩速變速箱。這套兩速變速箱自動根據駕駛模式和速度調整擋位,能夠很好地解決電機在高轉速狀態下效率低的問題。豐田最近也在專利網站上申報了匹配電動車的手動變速箱專利,但目前尚不知道這套系統的工作原理。

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另外還有一些零部件供應商,比如博世的CVT4EV就為電機匹配了一個鋼帶式CVT變速箱,從而最大程度發揮電機在單工況狀態下的優勢。並且在高轉速低扭矩的高速巡航工況下,CVT變速箱能降低電機的轉速,從而減少鐵損,提高效率。

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當然為電機匹配的傳動系統非常豐富多樣,我將在下一篇中用一些實例繼續給大家介紹。

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