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特斯拉Model XS将换永磁电机 唐EV又领先了一步

2020-01-14 02:23

  动力,是汽车的灵魂,只不过,当我们还在焦虑续航里程的时候,却忽略了纯电汽车动力的重要性。而现在,随着优秀纯电汽车产品在续航能力上的突破,消费者开始更多关注纯电汽车的动力表现。实际上,在纯电汽车驱动技术路线上,早已形成了“东方”和“西方”两大阵营,一方曾经的代表是特斯拉,让交流感应式电机(以下简称交感)被大家熟知;而另一方,也是目前市场占有率最大的,使用永磁同步电机的纯电产品,以比亚迪作为代表,一直坚持永磁同步电机的技术路线,并且对应其全球第一的出货量,带动了这一技术路线的普及。

  一般认为,老款特斯拉Model S/X所采用的交感电机具有抗过载能力强、成本低的特点,说通俗点就是输出的动力强、还很“抗造”!贯流式电机这也帮助特斯拉开局就用4秒级的破百加速能力,树立了纯电动汽车的性能标杆身份。而超高性能和可靠性,也是永磁系产品在发展初期很难实现的。在驱动技术路线竞争的上半场,特斯拉或者说交感电机赢了,以至于很多急于用性能标签招揽用户的造车新势力们纷纷效仿。

  然而,就在3月份,伴随全新一代唐EV的上市,局面却似乎发生了改变。这辆比亚迪的纯电旗舰SUV用官方0-100公里/小时加速4.4秒,实测4.1秒的成绩,成功俘获了用户以及媒体的注意,这也是永磁同步电机在量产纯电产品上,第一次达到如此之高的性能水平。无独有偶,4月份,特斯拉放出了将为下一代Model X/S升级永磁电机的消息。这意味着,此前一直坚持交感电机路线的特斯拉,将会在全部产品上普及应用永磁电机,对于特斯拉和其交感技术追随者而言,这将是一次巨变!

  交感电机的高性能是有代价的!最大的痛点是效率很难再有提升,特斯拉Model 3使用的永磁电机比之前使用交感电机效率提升了6%,省下的电,换来的都是用户的续航里程。为什么交感电机费电?交感电机在运行过程中需要耗费电力,为转子建立磁场,然后再为定子通电,产生动力。电流越大磁场越强,输出扭矩就越大,最终加速能力就越强,而这个过程中需要消耗大量电能,浪费在转子线圈中。而我们常见的永磁同步电机,转子上采用钕铁硼永磁体建立磁场,转子是不需要再通电的,只需要为定子通电产生方向磁场,就可以驱动转子输出动能。这也是永磁同步电机更省电的核心。

  除此之外,高性能交感电机的大电流需求也反向影响了整个高压系统的电气架构。在电池输出功率一定的情况下,系统的电流和电压是此消彼长的关系,特斯拉为了适应交感电机大功率输出,尤其是双电机情况,将系统电压设置的比较低,无论是纯粹使用交感电机的Model S/X,还是采用交感、永磁混装的Model 3,系统电压都只有350伏(未来新车型将有可能采用400伏系统)。如此低的系统电压与目前纯电汽车高压化的发展趋势相悖,一方面意味着整个系统的工作电流都很大,让内阻损耗加剧,另一方面也会影响安全性,需要匹配相关技术,防止过热自燃。

  另外,低电压对于充电效率的影响也是巨大的,除特斯拉自己的超级充电桩以外,电网和商业充电桩均采用均衡成本考虑的宽电压限流模式。以国家电网60kW充电桩为例,输出电流最高120安培,可兼容200伏至700伏的需求电压。所以,即便去年特斯拉放开了对国标充电桩的兼容性,但是用户直接在商业充电桩上充电时,仍然只能以最高350伏、120安培的状态充电,核算下来最高充电功率在40kW左右,这与其在特斯拉超级充电桩上可实现120kW的成绩相差太远,不考虑涓流阶段,一小时只能充40度电,并不能发挥其全部充电功率。

  当然,将永磁同步电机做到高性能并不简单!此前,对应国内纯电汽车市场的起步阶段,厂家一般选用功率较低的永磁同步电机,刚好满足车主日常使用而已。但也有比亚迪这样的厂家,较早布局高性能永磁同步电机,在最新的e平台技术下,驱动三合一的输出功率覆盖了从40kW至180kW多种电机型号,来匹配不同的产品。同时,比亚迪也支持双电机架构,增强动力输出。在全新一代唐EV上,通过前后双电机的配置,实现了最大输出功率360kW,最大扭矩660牛·米,达到了传统汽车V8级的动力性能。

  永磁同步电机实现高性能远比交感电机更难。永磁转子虽然效率高,但要首先解决高温退磁问题,这需要从研发初期,就能建立精准的热模型,通过完备的监测和保护措施维持电机的适宜工作温度。在唐EV所使用的比亚迪第三代永磁同步电机中,定子与冷却水路采用一体化设计方案,通过冷却液的循环带走了大部分热量。同时,高速转子除采用超薄硅钢片降低涡流发热以外,也设计了专门的轴向风道,在运行过程中带走转子中心的热量。

  当然,其15000rpm的高转速能力超过了目前10000~12000rpm行业平均水平,这可以充分利用传动比,用比别人更高的转速实现相同的车速,降低每一圈的转子负荷,以缩小电机的体积和重量。让永磁同步电机性能提高的同时,不增加整车重量,同时缩小体积减轻车身的布局压力,把空间还给用户。同时,高转速也对结构强度和技术能力提出了更高要求。比亚迪第三代永磁同步电机也针对高转速工况进行了优化设计,使用四段斜极超薄硅钢片叠压转子,降低扭矩波动,磁体与定子之间的间隙更小,降低高速弱磁化对动力和效率的不良影响。

  基于永磁同步电机技术路线,比亚迪为全新一代唐EV也构建了一个目前还很少有人达到的高电压系统。全新一代唐EV 600D的82.8kWh容量电池组额定电压为613.2伏,这就意味着系统承压应该为800伏水平。输出同等功率时,电流用量少一半以上,内阻损失少一个几何级数(损耗功率与电流的平方成正比)。同时,对于充电桩的适应能力明显增强,配合升压功能,兼容目前还没有完全普及的高压电桩,使用商业直流快充桩可以达到近90kW的充电功率。在快充阶段,12分钟就可以补电100公里。

  全新一代唐EV所采用的永磁同步电机代表了目前业界的高水平,即使与世界强国相比,贯流式电机也有突出的优势,并且结合比亚迪大量实车应用经验,在动力配合、电压匹配和能量、扭矩管理方面,展现出了一流的技术实力,可以说在交感和永磁竞争的下半场,搬回了胜局。其实,无论是比亚迪不断将永磁同步电机的性能表现推上新高度,还是特斯拉悄然转向永磁电机路线,对于消费者来说,都将意味着纯电汽车的驱动更加高性能、高转速、高可靠性,拥有更好的体验。而优秀、稳定的动力也将是纯电汽车真正挑战燃油车必不可少的因素。

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关键词: 贯流式电机