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纯电动汽车限速的背后到底隐藏了什么秘密?

作者: 来源: 发布时间:2018-11-24 14:43 浏览: 字体大小:大号 中号 小号

  虽然新能源汽车发展迅速,但我们对于其结构发展却少有关注,而本期我们就从新能源汽车三大件中的电动机以及变速箱当下以及未来发展来为大家做一个简单的解读。新能源汽车发展速度自不必多说,在国内,国六排放法规以

  虽然新能源汽车发展迅速,但我们对于其结构发展却少有关注,而本期我们就从新能源汽车三大件中的电动机以及变速箱当下以及未来发展来为大家做一个简单的解读。

  新能源汽车发展速度自不必多说,在国内,国六排放法规以及双积分政策双重压力之下,车企研发重心也开始转向了新能源汽车,在新能源补贴政策的引导下,纯电动以其高积分、高补贴等因素成为了车企进军新能源的踏板。

  相信很多购买或者关注纯电动汽车的朋友都会发现一个非常有意思的问题,首先是纯电动汽车加速时间与速度上远超传统燃油车,但在高速阶段的提升却稍微疲弱,并且,不少车企还对于车辆的最高速度进行了限制,从市场主流多款电动车来看,最高速一般限制在130km/h左右,相比传统燃油车的180km/h的速度,显然,纯电动汽车的高速行驶能力是远低于燃油车的,当然特斯拉除外。对于纯电动汽车最高速限制,不少车企也给出了“防止快速放电,保护电池”的说法,但其背后真的是这么简单吗?

  要想从根本上了解隐藏在背后的秘密,我们就从电动机结构原理以及发展路线来说起。

  电动机的基本原理想必大家都已经非常清楚了,相比传统的内燃机,电动机在低速甚至零转速下也可以输出很大的扭矩,且转速范围特别广,轻松可达到1万-2万转,按照传统内燃机的思路,电动机高转速应该是具有很强潜力的,为何还要对其进行限速呢?

  从其工作原理来区分,电动机大约可分为直流电机、交流电机和开关磁阻电机三类,而市场量产的新能源汽车则主要应用交流感应(异步)电机、永磁同步电机、开关磁阻电机这三大类。而其他如轮毂/轮边电机、混合励磁电机、多相电机、双机械端口能量变换器等特殊形式的驱动电机,由于目前市场应用较少且有些还处于研发阶段,因此,新宝5登录我们就不对这类驱动电机进行过多的讨论了。

  从表格中可以看出,三种不同的电动机各有优势,我们下面就具体的分析下它们的性能优势。

  一般在新能源车型中使用最为广泛的一种驱动电机,这类电动机一般采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构,其转子均由永磁材料制成,定子采用三相绕组,采用旋转磁场带动永磁转子转动。

  按照其结构细分又可分为永磁同步电机与永磁无刷直流电机(永磁转矩电动机),其中永磁同步电机具有更高的过载能力以及功率密度、体积相对较小,相比异步电机体积降低15%、结构灵活、设计自由度也比较大,并且在高转速中可以通过弱磁调速,扩大工作范围等优势,且没有励磁损耗和散热问题,成为了当下不少纯电动汽车的首选。

  但缺陷也比较明显,首先是运行方面,永磁同步电机低速采用矢量控制,而高速则需要退磁以增加恒功率转速,虽然变相的增加了电动机恒功率运行范围,但相应的造成了控制较为复杂。此外就是永磁材料需要大量的稀土,变相的增加了成本,这对于国内企业来说原材料相对比较容易获得。

  而另一方面就是退磁问题,电动机在运行的阶段,过大的电流会产生磁势方向,并且与永磁体磁化方向正好相反抵消,因此,长时间使用会造成电动机逐步退磁,在经过几年使用后,磁力下降的电动机会进一步影响其性能。并且由于市场监管等问题,部分制造企业在制造中使用低等级的永磁体或减量永磁体的用量,造成电动机性能蜕化严重。

  永磁体退磁的另一方面就是居里点退磁,所谓居里点退磁是指永磁的特性在超过了该温度后就不再是永磁体了,例如稀土铷铁硼居里温度在320度左右,也就是说,只要电动机温度超过了320度,永磁体就会永久退磁,进而造成电动机报废。而永磁同步电机这一特性也成为了纯电动汽车限速的一个原因。

  永磁无刷直流电机相对于永磁同步电动机,其弱磁调速范围较小,功率密度也比较低,但具有电机动态响应速度快的优势,在市场应用中,一般作为小功率电动汽车、低速电动车以及汽车内部的伺服驱动之用。

  相比永磁同步电机,异步电机结构则比较简单成熟,主要结构在于定子绕组中输入三相交流电,利用内部铁芯产生的旋转磁场推动转子做旋转运动,通过变频器控制电流的电源变化继而实现电机调速。

  由于交流异步电机优势在于结构简单、转速较高,通常转速可达2万转左右,即使不匹配二级差速器也可满足纯电动汽车的高巡航需求,并且,由于内部没有永磁体,不用担心退磁以及高温问题,因此可靠性比较强,后期维护成本也比较低,并且矢量控制调速技术比较成熟,目前仍广泛应用于纯电动汽车的驱动。

  但其缺陷也同样比较明显,首先在于能耗比较高,转子虽然转速较高,但相应的发热比较快,高速工况下需要冷却系统的介入,增加了其结构的复杂性,另外,大容量的变频器造价比较高,调速性也相对较差。并且相比永磁同步电动机其功率较低,再加上其较大的体积等原因,因此,小型纯电动汽车一般是不考虑异步电动机的。

  开关磁阻电机属于一种较为新型的电动机,其结构原理较为简单,具有成本低、扭矩大、恒功率转速范围广、启动制动性能比较高等特点。但其最大的缺陷就是转矩脉动比较大,非线性也比较严重,运作时噪声大,并且由于结构原因,需要使用位置传感器,增加了结构复杂性,在功率以及效率上相对永磁电机偏低。但无传感器的开关磁阻电机正在研发之中,开关磁阻电机也是未来电动机发展的一个趋势,并且潜力比较大。

  在当下的纯电动汽车市场中,永磁同步电机、异步电机以及开关磁阻电机是应用较为广泛的,尤其是永磁同步电机,基本占据了纯电动汽车多半的市场份额,而异步电机由于其高速性能等原因,主要被特斯拉等车企采用,而从特斯拉近期推出的车型来看,其搭载永磁同步电机比例整逐渐上升。

  我们从永磁同步电机、异步电机的性能可以发现,其恒功率大转速工作状态下会产生非常大的热量,异步电机虽然有冷却装置配备,但仍难以长时间在极限工况下运行,而永磁同步电机由于其内部的永磁材料温度特性差(市场电动机温度一般在200-300℃左右),在极限高温条件下极易造成电动机失效报废。因此,不管是出于电池组的考虑还是电机性能原因,纯电动汽车的限速问题将会持续存在。

  此外,最为重要的就是电动机相匹配的变速箱尚未规模化量产,相比传统燃油车变速箱已经极为成熟的当下,纯电动汽车变速箱仍配备单速或者不配备变速箱。单速的减速器虽然可以低速条件下增加扭矩,但也会造成高速工况下驱动力较低,减速比调高后,低速状态下加速迅猛,但相应的不能顾及高速工况,反之则能高速不能低速。减速器不管如何调校,不能同时兼顾高速和低速工况,因此,多级变速箱的出现,才能根本性的解决纯电动汽车高速工况的问题。

  但从当下市场量产车型来看,仅有极少数车型搭载了二级变速箱,而多级变速箱设计难度也比较大,从特斯拉发展历程来看,第一款车型最初设计的电机+2档变速箱的动力总成,因为变速箱迟迟不能达到生产标准,被迫采用了取消变速箱这一方案,但也因此错过了其出场的最佳时机,差点使特斯拉胎死腹中,由此可见多级变速箱设计难度。但随着新能源汽车的发展,变速箱的研制已呈遍地开花之势,但发展路线上也是五花八门,我们下一章,将为大家详解新能源汽车变速箱的发展路线。