聊聊電動汽車的動力點擊

來自專欄智車智駕

電動汽車有三大核心部件：電機、電池、電控。今天和大家聊聊將電能和機械能相互轉換的裝置——電機。

當電機作為電動機工作時，將電能轉化為機械能為車輛提供前進動力；當電機作為發電機時，將機械能轉化為電能儲存在電池中。通常情況下，加速時作為電動機使用，制動時作為發電機使用。

電動汽車上的動力電機需滿足以下幾個特點：

• 結構緊湊，體積小，重量輕。
• 可靠性高、失效模式可控，以保證乘車者的安全。
• 啟動轉矩大，保證汽車良好的啟動和加速性能。
• 恆功率區寬，保證汽車在不同速度下都能保持高的效率。
• 調速範圍大，低速行駛時具有大轉矩，高速行駛時具有高功率。
• 效率高，功率密度較高。要保證在較寬的轉速和轉矩範圍內都有很高的效率， 以降低功率損耗，提高一次充電的續駛里程。
• 制動再生效率高。在汽車減速時，能夠實現反饋制動，將能量回收並反饋回電池，使得電動汽車具有最佳能量利用率。
• 成本低，以降低車輛生產的整體費用。
• 環境適應性好。要適應汽車本身行駛的不同區域環境，即使在較惡劣的環境中也能夠正常工作，具有良好的耐高溫、耐潮濕性能。

目前市場上使用的動力電機有直流電機、永磁同步電機、感應非同步電機和開關磁阻電機四種電機。

1 直流電機

結構原理：直流電機的結構應由定和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞。

優點：結構簡單，起動加速轉巨大，電磁轉矩控制特性良好，調速方便，控制裝置簡單，成本較低，技術成熟。

缺點：存在電刷和機械換向器，不但限制了電機過載能力與速度的進一步提高，而且如果長時間運行，勢必要經常維護和更換電刷和換向器。另外，由於損耗存在於轉子上，使得散熱困難，限制了電機轉矩質量比的進一步提高。

市場應用：相較於其它形式的動力電機而言，直流電機有著明顯的劣勢，僅在早期的車型上使用，已經逐漸淘汰。由於成本低，控制簡單，那種低速代步車依然在使用。

2 永磁同步電機

結構原理：永磁同步電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置感測器等組成。在結構上與前面提到的直流電動機相似，只是由永磁體代替了直流電機中的磁場線圈和感應電機中定子的勵磁體，由採用永磁體來產生氣隙磁通量。同步是指定子根據位置感測器檢測轉子的位置形成同步交變的磁場。

優點：功率因數大，效率高，功率密度大；結構簡單、便於維護，使用壽命較長、可靠性高；調速性能好，精度高；具有良好的瞬時特性，轉動慣量低， 響應速度快；頻率高，輸出轉矩大，極限轉速和制動性能優於其他類型的電機；採用電子功率器件作為換向裝置，驅動靈活，可控性強；形狀和尺寸靈活多樣，便於進行外形設計；採用稀土永磁材料後電機的體積小、質量輕。

缺點：轉子上的永磁體在高溫或振動的情況下，會出現磁性衰退現象，在某些複雜工況下，電機有可能損壞。永磁材料的價格高導致電機成本高，並且電機的控制系統成本也較高。

市場應用：由於永磁同步電機具有明顯的優勢，同時中國是稀土永磁材料大國，目前較多中國企業採用永磁同步電機。

3 感應非同步電機

結構原理：感應非同步電機轉子置於旋轉磁場中，在旋轉磁場的作用下，獲得一個轉動力矩，因而轉子轉動。 轉子是可轉動的導體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機中不轉動的部分，主要任務是產生一個旋轉磁場。旋轉磁場並不是用機械方法來實現。而是以交流電通於數對電磁鐵中，使其磁極性質循環改變，故相當於一個旋轉的磁場。

優點：結構緊湊、堅固耐用；運行可靠、維護方便；價格低廉，體積小、質量輕；環境適應性好；轉矩脈動低，雜訊低。交流非同步電動機成本低而且可靠性高，逆變器即便損壞而產生短路時也不會產生反電動勢，所以不會出現急剎車的可能性。

缺點：功率因數低，運行時必須從電網吸收無功電流來建立磁場；控制複雜，易受電機參數及負載變化的影響；轉子不易散熱；調速性能差，調速範圍窄。

市場應用：儘管在體積和重量上感應非同步電機並不佔優勢，但其大的轉速範圍可以滿足各級別車輛的高速巡航轉速需求。至於重量對續航里程的影響會被高能量密度電池的掩蓋。以特斯拉為代表的企業首選感應非同步電機。

4 開關磁阻電機

結構原理：開關磁阻電動機主要由開關磁阻電動機（SRM）、功率變換器、控制器、轉子位置檢測器四大部分組成。其運行遵循「磁阻最小原理」——磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。

優點：簡單可靠、可調速範圍寬、效率高、控制靈活、成本低。

缺點：控制系統設計相對複雜、轉矩波動大、雜訊大、需要位置檢測器、有非線性特性等。

市場應用：開關磁阻電機在實際運行過程中發出的噪音以及振動是電動車無法容忍的，特別是高負載情況下。或許在不久的將來這類電動機的硬傷將會得以解決，將會廣泛應用於電動車領域。

5 蔚謀君總結

無論是直流電機、永磁同步電機、感應非同步電機還是開關磁阻電機，它們各有優缺點。就中國當前技術發展和市場需求來看，永磁同步電機將會逐步處於主導地位。特斯來在之前車型中都採用感應非同步電機，但是在Model 3上開始採用永磁同步電機。前瞻電機技術中還有輪轂電機，但由於其結構設計複雜和簧下質量大等原因導致很多OEM依然在尋求技術突破，也許隨著技術的突破，配置輪轂電機的量產車即將面世，將來的汽車將會模塊化，設計上將會更加柔性化。