导语:在燃油汽车发展的一百多年时间里,燃油发动机经历了多轮次的技术迭代。当燃油发动机经历了多次“技术转折”之后,也拥有了多种形态。从燃料形式的角度来看,目前有汽油机、柴油机、甲醇发动机;从气缸排列的形式来看,也有 V 型发动机、直列发动机以及水平对置发动机……
现如今,新能源时代已然来临,电机则逐步取代发动机,成为了汽车的主要驱动源。
那么在今天的新能源车型中,电机的技术发展到了何种地步?而在不同车型中,电机的结构布局和排列方式又有何种不同?
主流电机技术全解析,从布局到形态,原来新能源车没那么简单© 由 ZAKER汽车 提供
首先,我们从电机排列方式说起
不知道大家有没有发现一个现象,那就是越来越多的新能源车,开始做起了后驱以及四驱的布局。
举个例子,从大众 ID.3 到长安启源 A07 以及零跑 C01,不少采用单电机的新能源车型,都实现了后置后驱布局。这在燃油时代,十几二十万的车型,其实是很难实现后驱布局的。
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而这背后的原因,其实主要有两点:
其一,新能源车的造车平台架构,有着更高的灵活性优势。
我们以一台具有 120kW 动力储备的三合一驱动电机为例,其电机总成的体积,还不到普通 2.0L 直列四缸燃油发动机 + 变速箱体积的 1/5。从结构上来看,电机具有更高的灵活性优势,只要平台支持,无论是放在前轴还是放在后轴位置,都十分节省空间。
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而电机的小体积优势,不仅仅能够让新能源车轻松布局后驱。
同时,前后双电机、前后四电机的四驱布局,也并非什么难事。比如仰望 U8,就能在前后轴分别布置两组电机,带来更强的动力和通过性能。当然,还有一些企业比如华人运通(高合)也在研发轮毂电机,不过由于轮毂电机的簧下质量比较大,目前并未形成太大的优势。
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其二,后驱和四驱,其实是更好的驱动形态。
在燃油时代,很多家用车为了节省成本、增大乘员舱空间,会采用横置前驱的动力结构。而这一结构的驱动效率其实是比较一般的,比如车头位置过重在转向时容易推头、爬坡和快速起步时容易打滑。
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来到新能源车型中,由于电机的特性使然,新能源车的扭矩输出很直接。如果是前驱布局的话,其实在起步的时候,如果“电门”踩得深一点也很容易打滑。所以,在目前有不少新能源平台架构,放弃了单前驱的布局,转而采用后驱和四驱。
相较于发动机,电机的特性有何不同?
在上一个部分我们已经提到,电机在动力输出特性上,与传统的燃油发动机有较大的不同。
通过燃油发动机的动力特性图,我们可以看到:燃油发动机的扭矩曲线是随着转速而逐渐上升,并且在一定的区间内保持峰值输出,而当发动机转速达到一定程度之后,便会逐渐衰减。
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而电机的扭矩输出特性,则更为直接。当电机有了一定的转速之后,电机可以直接输出峰值扭矩。而随着转速的上升,电机的功率输出也会上升。然而,而由于电机磁场会随着转速提升而减弱,所以在转速高于额定功率点之后,电机扭矩会直接“清零”。当然,电机扭矩直接“清零”,需要很高的转速。比如一般驱动电机的转速为 16000rpm,基本涵盖了各大速域阶段,除非转速能达到 16000rpm 以上的话,其扭矩也是不会被清零的。
所以,从动力曲线的角度来看,电机的扭矩输出更为直接。
这也解释了我们为什么在开新能源车的时候,为什么动力响应很快,并且在相同的动力储备之下,新能源车要比燃油车更加轻巧。
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那么一个新的问题,也随之而来:为什么纯电动汽车,不像燃油车那样增加变速箱呢?
其实,从电机的动力特性图来看,电机从一开始就有高扭矩,而且转速很高。在驱动车辆的时候,基本上不用更多的传动速比,就能满足不同速域区间的驱动需求。
不过我们也可以举一个例子:纯电动汽车就和自行车一样,我们可以通过单挡位(普通自行车)来满足日常的出行需求,同样也可以通过多挡位(带变速器的自行车)满足运动需求。比如保时捷 Taycan 和上汽飞凡 MARVEL R 这两款纯电动车型,就搭载了 2 挡 AT 自动变速箱。
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其实在有了变速箱之后,纯电动汽车可以在中低速阶段采用更大的传动比,获得更强的驱动性能和爬坡性能;而在高速阶段,车辆采用更小的传动比来降低电机的转速,从而节省一定的能耗。在变速箱的赋能下,其综合性能虽然提升不大,但对于追求极致的运动车型来说,这些数据提升倒也比较可观。
在电机产品中,还有哪些细分化的差异?
了解过电机形态布局、电机基本动力输出特性之后,相信大家都对新能源车的驱动电机有了一个基础的认知与概念。但笔者想要告诉大家的是,新能源发展至今,电机技术也经历了多个轮次的调整与变革。诸如三合一电机、八合一电机、永磁同步电机、励磁电机、扁线电机……各种电机类型花样繁多,而它们又有何种区别?
首先,我们从电机的整合结构说起。
所谓的三合一,其实就是将电机、电机控制器和减速器整合在了一起,相当于打造出了电机总成;而八合一电机,则是在三合一电机的基础上,在总成体内增加了车载充电器、直流交换器、整车控制器等若干元件。
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其实这种集成式的电机总成,其主要目的就是降低整车重量和空间占用量,从而实现更高效的驱动与空间利用能力。
既然提到了驱动效率,我们也有必要来了解一下“油冷扁线电机”。
其实所谓的“扁线电机”,就是在电机的“定子”中,采用横截面比较扁的铜线来取代横截面为圆形的铜线。这一绕线形式可以充分填充定子横截面的空间,其满槽率相较于圆线大约能提升 20% 以上,再加油冷的形式,可以提升降温效率。综合来看,油冷扁线电机能够帮助新能源车提供更高的功率和扭矩输出、
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最后,在一些新能源车的介绍中,我们也可以看到有“永磁电机”和“励磁电机”的区分。
首先来说永磁电机,它的一大特点,就是采用了永磁体。这一结构的电机,在低转速的状态下可以提供非常大的扭矩,但是当转速高到一定程度后,需要付出比较大的定子电流代价用于弱磁,因此其高速性能受到很大限制,而且永磁电机往往需要稀土材料,对资源依赖性比较强。
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其实在目前,大部分新能源车型都采用了永磁电机。例如比亚迪、长城等车企,均采用这一类型,因此永磁电机也算是目前新能源车的主流解决方案。
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励磁电机则采用了转子绕组实现励磁,这一电机特点是只有通电时候才有磁性(永磁电机是不通电也有磁性),因此励磁电机在低转速工况下,需要额外付出电能,能耗相对来说更高,而且属于是“高速性能优、低速性能弱”的一类。不过,励磁电机由于没有永磁体,所以并不依赖稀土能源,其造价更低。
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而在目前,只有宝马等少数几家车企在使用励磁电机。值得一说的是,由于励磁电机的高速性能更优,所以更加受到宝马等运动化品牌的青睐。
阿川评车
其实在新能源汽车领域,“高科技含量”不仅仅存在于电池系统之中。
新能源车的电机,从宏观的结构再到细节层面的技术性,其实都不简单。而通过对电机技术的解读,我们也看到无数车企和研发人员也都在努力,让电机走向高性能、高效率的新阶段。