直流交流到底怎么流?浅析纯电动车的电机技术
纯电动车作为新能源车,在能源使用方式和能源效率上相比内燃机车无疑是有革命性进步的。归根到底,纯电动车相比内燃机车的优势主要在能源效率和机械效率上,相比内燃机车最高不过50%(仅限柴油机,汽油机最高效率仅40%左右)的机械效率,纯电动车的机械效率高达89-97%。而且在能源利用效率上,相比诞生于19世纪末期的四冲程内燃机,诞生于电气化革命时代后的电池+电机组合,在能源利用率上可谓远超内燃机。
但汽车的动力系统本质上是一样的,无论是内燃机车还是电动车,都是由车载能源+驱动装置组成。对于内燃机车,车载能源即燃油,驱动装置即发动机+变速箱。而对于电动车来说,车载能源就是电池组,驱动装置只有电机。
相比内燃机车驱动装置的千百万种组合形式,纯电动车的电机类型则相对简单得多。但就是这简单的三种不同类型的电机,往往对于一辆电动车的实际驾乘体验,有着决定性的作用。
纯电动车的驱动电机分为三种,分别是交流异步电机、直流异步电机和直流同步电机。三种电机看起来差不多?其实它们的差别非常巨大。首先说说交流异步电机,纯电动车由于需要巨大的动力,其驱动电机一定属于大功率电机,而交流异步电机,则是我们日常生活中最常见的大功率电动机。
交流异步电机由转子、定子、碳刷和高压铜线组成。这种电机的工作原理非常简单,因为交流电本身是没有方向性的,因此这种电机只要在定子端通入交流电(电池组输出三相交流电),交流转子接受到电感信号就会自然地向一个固定方向加速旋转,电机就产生了驱动力。而因为这种电机的转子是被动起转(受定子磁感线作用),因此这种电机也就叫做异步电机。
另外一种叫直流异步电机,顾名思义,直流异步电机的结构和交流异步电机类似,但电机定子输入的,是有方向的直流电。直流异步电机是目前绝大多数纯电动车都在使用的一种驱动电机。这种电机主要的技术难点在于电机的滤波模块上,如果滤波模块设计足够优秀,从电池组过来的交流电的波形被过滤得足够干净的话,直流异步电机是可以实现非常高效率的同时,还可以非常安静的。
最后一种叫直流同步电机。和上面两种异步电机不一样,直流同步电机的电流是直接作用在转子上的,整个电机的定子转子绕组结构也和异步电机完全不同(更复杂)。直流电机最大的优势在于,输入电流和机械能量传递几乎是同步进行的。所以这种电机装在车上,动力响应速度远超另外两种异步电机,这种电机同时也是三种纯电动车驱动电机里,最昂贵的一种。
首先,最适合纯电动车用的当然是造价高昂的直流同步电机,这种电机不仅动力响应速度奇快,还能承受非常大的电流电压,而且无论是全功率状态还是维持恒流状态(电机处于极低功率),基本上都没有什么电流噪音。然而直流同步电机造价非常高昂,纯电动车用的大功率型号造价更加惊人,因此实际上使用这种电机的企业并不多,特斯拉Model X、蔚来ES6是其中的典型。
直流异步电机是绝大多数纯电动车的首选,这种电机基本上只要解决好滤波模块的结构和用料,也可以实现接近95-97%的效率,同时还没什么电流声音。但关键问题在于,这种电机的滤波模块是会发出非常高频的啸叫声的,更要命的是,这种接近20000Hz的极高频啸叫,几乎无法通过车辆本身的NVH设计完全隔绝。因此如果你坐在车里能听见一种不可名状的,声音非常尖的,有点刺耳的声音,那大多就是一辆使用直流异步电机的车。
至于交流异步电机,它的最大优点是便宜耐用不爱坏,但缺点也很明显:声音奇大而且效率不太高(85-89%)。如果你坐过那些纯电动公交车,或者听过纯电动公交车离站加速的声音,那种很难听的,音调由低到高一路攀升的,让你不舒服的声音,就是交流电机的电流声。也因为交流电机这种缺点,基本上只有那些很便宜的纯电动代步车才会使用这类电机。
实际上,最适合电动车用的,也是唯一一种能让NVH工程师不至于无计可施的驱动电机,只有直流同步电机。目前我们已经能在越来越多的新推出的纯电动车型上看到这类电机的出现,毫无疑问,直流同步电机将会成为未来所有追求品质、追求舒适性的纯电动车的首选。直流异步电机将会成为较廉价的电动车的标配,而交流异步电机,则将成为纯电动商用车(它们相对更不注重静谧性)的标配电机。
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