實為電機之爭 保時捷與特斯拉性能之戰

2018-06-25 14:09:33 來源:汽車之家 瀏覽:

 特斯拉Model S的快相信已毋庸贅述,快到今天一提起高端純電動品牌人們就想到它。既然后起之秀如此上進,傳統車企自然不會坐視不管,這不保時捷就準備拿出Taycan應戰,不過在這之前他們做出了一臺名為Mission E Cross Turismo的概念車來小試牛刀。但你知道嗎?在核心部件驅動電機的技術上,特斯拉貌似有些“落后”。關于驅動電機的故事還有很多,今天我就和朋友們一起聊聊電機的那些事兒。

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  特斯拉Model S P100D有著2.7秒的0-100km/h加速時間,這個成績在燃油車里也是非常之快了。而一個傳統車企中的老牌勁旅,在內燃機稱霸時代大紅大紫的保時捷,為了能夠證明自己玩電動依然很牛,他們也做出了0-100km/h加速時間在3.5秒以內的Mission E Cross Turismo,雖為概念車,但已是實力不俗。不過,兩者選擇了截然不同的技術路線,到底誰才能成為真正的贏家呢?

看完以下內容,你就看完了文章的70%:

  1、保時捷和特斯拉選用了不同的驅動電機技術路線,前者為永磁同步電機,后者為感應異步電機;

  2、永磁同步電機有著效率高、體積小等優勢,但相對成本較高,受溫度變化影響大;

  3、感應異步電機有著成本低、可靠性相對較高的特點,但能耗高是其最大短板;

  4、特斯拉曾因電機能耗高,導致車主掏約7萬元的“排放超標”罰款。

● 孿生兄弟:長相相似,性格卻截然不同

  永磁同步電機和交流異步電機就好像是一對孿生兄弟,長相極其相似,但卻有著不一樣的脾氣秉性。在基本結構和外觀上兩種電機大致相同,都是由定子、轉子、電機外殼等常見部件組成。只不過轉子在結構、用料和工作原理上存在差異。永磁同步電機屬于交流電機的一種,其轉子是由帶有永久磁場的鋼制成,電機工作時給定子通電,產生旋轉磁場推動轉自轉動,而“同步”的意思是在穩態運行時,轉子的旋轉速度與磁場的旋轉速度同步。

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  感應異步電機也屬于交流電機,轉子是由導電性好的金屬材質制成,如鋁、銅等材質,且轉子大多采用鼠籠式結構,工作時也是通過給定子通電,此時與轉子感應電流相互作用產生電磁轉矩,從而使轉子轉動的電機。“異步”之意就是在運行時,轉子的轉速總是小于旋轉磁場的速度,故稱之為異步。

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  說的再簡單一些,這兩種電機均為交流電機,永磁同步電機的轉子自帶磁場,而感應異步電機的轉子只是導體,并不帶磁場,是通電之后產生了感應磁場才能與定子發生作用。由于技術路線的不同,也就使得兩種電機有著各自的特點,接下來就跟大家聊聊他們各自的優劣勢。

◆ 保時捷為什么會選永磁同步電機?

  我們還是結合之前提到的車型來分別看這兩種類型的電機。在2018北京車展上亮相的Mission E Cross Turismo搭載了兩臺永磁同步電機,兩個電機分別布置在前后軸之間,可同時輸出動力,實現四輪驅動。這種布局形式在實現四驅的同時可以使前后配重更加均勻。

保時捷 Mission E 2018款 Cross Turismo

  在雙電機同時工作的情況下,Mission E Cross Turismo的動力系統最大功率為600Ps(440千kW),0-100km/h加速時間在3.5秒以內,加速到200km/h的時間只需12秒,這樣的實力足夠碾壓燃油超跑。這也是德國人決定快速轉型,進軍純電動領域的表現,畢竟對于這些超跑專業戶而言,為了贏值得付出一切。

保時捷 Mission E 2018款 Cross Turismo

■ 能量轉化率高、適用于低速及復雜多變的路況

  能量轉化率高是永磁同步電機電機特點之一,可以達到90%以上。相比之下從化學能轉化為動能效率只有35%的汽油發動機,以及電動轉化為動能85%-90%的感應異步電機就相形見絀了。

保時捷 Mission E 2018款 Cross Turismo

  其次是其調速范圍比較大,“調速范圍”這種說法可能有些過于晦澀,說白了就是能夠適應車輛在低速行駛和高速行駛的動力需求,而且各工況都保持著比較高的能量轉換效率。也就是說不論是在城市擁堵還是高速暢通的工況下,永磁同步電機在提供車輛所需動力性能的同時,還可以做到相對比較省電。

  最后是其體積較小、重量輕,這個特點要相對于相同功率密度的感應異步電機而言。打個比方,同樣是可以舉起100kg重量的運動員,舉重運動員的個頭就要比相撲運動員要小得多,這就是舉重運動員的“功率密度”比較大。體積小就能給車輛的整體布局帶來更多的優勢,車輛前機艙和后備廂能夠設計更多的儲物空間,底盤上可以設計一些動力電池的擴展空間等等。也有利于車輛的輕量化設計。

■ 成本相對較高、性能會受溫度變化影響

 

  除此之外,永磁同步電機也不是沒有缺點,相對于感應異步電機,理論上說其單位功率升本較高,也就是說相同功率的兩種電機,永磁同步電機的造價更高一些。再有就是永磁材質的轉子會隨著溫度的大幅變化引起退磁現象,這種情況下就會使電機的性能下降。這種感覺就有點兒像人到了炎熱的沙漠之后產生了脫水現象,導致身體機能下降。

◆ 先進的特斯拉卻用了“落后”的交流異步電機?

  再來看特斯拉Model S P100D,其在開啟狂暴模式時的0-100km/加速時間僅為2.7秒,最高車速同樣為250km/h。這樣出色的性能得益于其看似“落后”感應異步電機。為什么說這種電機比較“落后”?這是因為一些比較低端的純電動車,比如大家常說的老年代步車、公園里的電瓶車,大都使用的是感應異步電機。所以“廉價感”、“落后”這樣的標簽就被貼在了這種電機上。但在特斯拉成功之前,大多數人其中也包括我都不知道,其實感應異步電機可以做到性能如此強大的地步。

特斯拉 Model S 2017款 Model S P100D

特斯拉 Model S 2017款 Model S P100D

■ 成本相對較低、性能不會受溫度影響

  看著這些數據,真的可以用“可怕”來形容這臺車子。那么它那顆強大的“心臟”還有什么其它的優勢呢?首先,相對于永磁同步電機來說,感應異步電機的成本比較低,主要是因為無需使用昂貴的永磁材質來制造轉子。其次,就是其轉子的磁場是通電之后形成的電磁場,所以轉子的磁場不會存在退磁現象,其可適應的工作環境溫度要比永磁同步更廣一些。

特斯拉 Model S 2017款 Model S P100D

■ 能耗相對較高、低速性能不如永磁同步電機

  由于感應異步電機構造的原因,想要更有勁兒,電機內部的導電體就要增加體積,所以在與永磁同步電機相同功率的感應異步電機體積會相對大一些、重量沉一些。那帶來的副作用就是占用車內的空間更多,給車輛的自重加碼,增加了自身的能量損耗。不過,Model S P100D用100kWh的超大容量電池彌補了這一點不足。但電機重量大、加上超大載電量的電池體重固然輕不了,所以其能量轉化的效率會受自重的影響而減小。

特斯拉 Model S 2017款 Model S P100D

  其次,就是其調速范圍小,在高轉速的工況下能量轉化效率比較高。這就導致Model S P100D在低速行駛時能耗會比同功率的永磁同步電機要大;而高速行駛中,雖然這種工況下感應異步電機的能量轉換效率會高一些,但風阻給車輛帶來的高能耗又使車輛電量消耗很快。總結起來,Model S P100D在各個工況下都要比同功率的永磁同步電機能耗水平高,簡單的說就是什么時候都費電。

● 永磁同步和感應異步到底誰會成為主流?

  通過兩個極具代表性的車子,我們也對兩種不同技術路線的電機有了一個初步的了解。那么在它們之間,到底誰將會成為未來的發展趨勢呢?在下結論之前,我們還是先來總結一下這兩種電機各自的特點吧。

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  從兩種電機的優缺點上來看,永磁同步電機功率密度大,低速、高速工況均處于較高的能量轉換效率。所以相對于高速工況才有較高效率的感應異步電機來說,更適合低速工況較多、頻繁起步停車的城市道路。這也就不難解釋為什么現在生產的純電動車型中,永磁同步電機處于主流地位。

  再有一個原因就是由于大多數的純電動車并不追求極高的性能,就算永磁同步電機的單位功率成本較高,但各家采用的電機功率并不會高到會大幅影響造車成本的地步,所以除了性能車之外,車企還不會因為這一點而考慮使用感應異步電機的技術路線。

  那么特斯拉也知道感應異步電機在低速工況下存在能耗相對較高的劣勢,但為什么還要堅持采用這種電機?僅僅是由于成本低嗎?也不盡然,特斯拉選擇這種技術路線還有其他的考慮。其中,最主要的原因是制造永磁轉子的材質——釹鐵硼,對于美國本土來說屬于稀缺資源。釹鐵硼永磁材料是稀土資源,對于稀土資源缺少或稀土工業不發達的國家而言,車用動力電機的技術方案是與國家安全相關的,所以“米國”大叔們仍然堅持著感應異步電機的“技術壁壘”。但相比之下,歐洲人并沒有美國人對于稀土資源那么“過分緊張”,很多歐洲企業還是選擇了永磁同步電機的技術路線。

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  既然說到了稀土資源,在這里給大家再提供一個冷知識,我國和日本對于其他國家而言在稀土資源方面有著絕對的先天優勢。我國擁有全球70%的稀土資源,釹鐵硼磁性材料的總產量達到全球的80%(盡管高端釹鐵硼產量有限)。日本則是稀土產業的大國,世界銷量前三的釹鐵硼公司:住友特殊金屬公司、新越化學實業公司和TDK集團都是日本公司,其實力可見一斑。所以,在中國品牌和日本品牌的純電動車型上使用永磁同步電機可以說是件稀松平常的事情。

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  不過,目前有消息表明特斯拉也開始向永磁同步電機的技術路線轉變了。之前曾有海外媒體稱在采訪特斯拉電機設計師Konstantinos Laskaris時他透露,特斯拉MODEL 3車型將放棄使用感應異步電機而改為使用永磁同步電機。按常理來看,這是特斯拉“迷途知返”,為了提高電機的能量轉換效率、降低能耗、增加續航里程而改變了技術路線。但還有一個原因也可能是導致特斯拉改變技術路線的導火索。

● 花邊舊聞:特斯拉曾吃“排放超標”罰單

  大家是否還記得在2016年的時候,一個有著“花園城市”之稱的東南亞國家,為特斯拉開具了第一張“碳排放超標”罰單。就憑借這一紙罰單,就讓特斯拉車主繳納了折合人民幣約7萬元的罰金。說來也是奇怪,作為低碳環保零污染的純電動車怎么會在新加坡攤上了“排放超標”的罪名了呢?

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  當時的情況是這樣的,被處罰的特斯拉Model S在接受新加坡政府車輛碳排放標準檢測時,被告知該車每公里要消耗444Wh電量(44.4kWh/100km),而新加坡的相關規定,對于所有電動車輛,電能源消耗標準是0.5g/Wh二氧化碳,換算下來,當時那輛Model S二氧化碳排放量為每公里222g,而一個百公里耗油7L的普通燃油車的碳排放量是189g,所以判定特斯拉屬于超標排放。但是這一案例在全球的純電動車領域可以說是被吵的沸沸揚揚,特斯拉CEO馬斯克還就此事向新加坡政府討過公道,但有真實數據為證,也只能乖乖受罰。但罰金馬斯克有沒有贊助那位Model S車主,這就不得而知了。

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  有了這樣的慘痛教訓,特斯拉便開始走上了“節能減排”之路,比如優化電控系統控制邏輯,以降低能耗水平等。不過,到了Model 3上,也可能是由于車型更小的原因,加上世界各國對低能耗的要求也越來越高。這也就導致Model 3將使用永磁同步電機的消息從特斯拉內部傳出。

全文總結:

  其實,永磁同步電機和感應異步電機在純電動車領域是兩大主要技術方向,并不能泛泛的評論誰好誰壞,還是要看使用場景和車輛的設計初衷。在同等功率條件下,永磁同步電機的體積更小、效率更高,比較適合路況復雜、頻繁起停的工作環境;而感應異步電機,成本相對較低,收環境溫度變化影響較小,更適合高速路段行駛的工況,可以說兩種電機各有千秋。而隨著永磁材料技術的不斷進步,永磁同步電機在高轉速方面也逐漸有了突破,目前可以達到16000rpm甚至更高。而且在一些國家的法規面前,車企不得不想方設法去降低能耗,以滿足當地政策的要求。所以,由此可見,在乘用車上,無論是家用車還是性能車,在沒有更新、更高效的技術出現之前,動力系統上應用永磁同步電機將會是一個大趨勢。(文/圖 汽車之家 許博)

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文章標簽: 保時捷 特斯拉 電機
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