目前,在電動汽車的電機方面,交流感應電機與永磁同步電機是采用較多的兩種。與永磁電機相比,感應電機的成本略低;但同時,它的性能與效率也相對較差。其中,永磁同步電機需要用到稀土資源,目前全球市場絕大部分的稀土資源是由中國提供的。所以基于資源的控制,以及制造成本的考慮,歐美市場的大部分純電動車或混動車型,采用的都是感應電機。
與這臺感應電機搭配的,是一個電流逆變器。它將電池組的直流電轉換為交流電,輸入到感應電機中;而感應電機的動力則通過一個9.73:1的固定齒比變速箱,將動力創送至輪端。此外,與上述驅動機構搭配的,還有一個差速器--這是任何一輛車都必備的零件。電池、電機、逆變器,以及固定齒比的變速箱,構成了特斯拉Model S的動力總成。
我們知道,Model S是一款后置后驅的車型,它的驅動機構位于車輛后橋,這讓其前輪僅負責轉向。所以,對于一款標榜運動性的豪華D級車來說,還差那么一點--就是四驅系統。說起四驅系統,大家都會聯想到quattro、X-Drive、4Matic這些四驅品牌,還會想到分動箱、差速器、差速鎖,以及什么粘性聯軸節之類的技術名詞。
可以說,四驅系統不亞于發動機、變速箱,是各大汽車品牌的另外一個競技場。然而電動化的進程卻改變了一些事情--四驅結構似乎不必像現在這么復雜。無論是插電式混合動力車型,還是純電動車型,四驅結構都變得相對簡單。這是因為,電動單元的加入,讓車輛可以同時擁有兩個動力來源。而這兩個來源,可以分別被安置在車輛的前后橋,來驅動前后輪。
比如某些插電式混動車型,選擇在后橋加裝一臺電動機來構成四驅結構。而對于特斯拉來說,擺脫了燃油發動機、傳統變速箱的束縛,實現四驅模式變得更加簡單。所以,在2014年10月,配合駕駛輔助系統,特斯拉推出了全時四驅版的Model S。要知道,對于Model S這樣的純電動汽車,雙電機四驅結構的應用,可不僅僅是實現四驅那么簡單。
人們聽到Model S上又加了一個電機,第一反應是電池的續航水平會不會下降?答案其實是相反的。與傳統汽車裝配四驅結構導致油耗升高不同,電動汽車實現四驅后,續航反而會提升。根據特斯拉官方的數據,全時四驅版的Model S 85D,能夠比兩驅版本多出5英里的續航。
原因是,大功率感應電機,雖然在起步時就能爆發最大扭矩,但當達到較高轉速時,扭矩就會大幅降低。這就是為什么Model S與超級跑車對飆時,前半段遙遙領先,后半段逐漸被趕超的原因。相反,燃油發動機一般在高轉速下爆發出最大扭矩。這個時候,高轉速下的電機不但扭矩下降,而且功率、效率降低。
但如果采用主電機+輔助電機的組合,效果就會有所好轉。其中輔助電機被設計為擁有較為平緩的扭矩曲線,雖然峰值很低,但不會因為轉速的增加而出現劇烈的變化。這樣,在主電機達到高轉速出現扭矩下降時,輔助電機就可以補充一部分扭矩,使車輛后半段的加速也保持有力的狀態。
說完這些,我們還是沒有解答為何續航會增加的疑問。不要急。前面說到,輔助電機的介入,讓四驅結構整體的扭矩增加了。但同時,輸出功率也增加了。這臺輔助電機的設計初衷,不僅要擁有平緩的扭矩曲線,還要擁有一個在電動機轉速區間內,緩慢上揚的功率曲線,要達到在主電機的功率出現下降時,輔助電機的功率依然在隨著轉速增加。
這樣一來,雙電機組合下的功率曲線,相比主電機的曲線,就能夠做到在更高的轉速下才有所下滑。如果采取單個電機驅動,那么這個電機一定是一個大功率電機,它的功率比上述的主電機、輔助電機分別都要大很多,最大輸出功率相當與后兩者之和。這時,與雙電機組合曲線相比,單個大功率電機在某個高轉速點就會出現功率下降,而雙電機組合曲線則可以“堅挺”到更高的轉速。
那么用一句話概括,就是兩個電機配合,可以優化功率輸出,相互配合提高能量的利用效率。其實,要想優化電機的輸出功率,有一個辦法可以解決,就是為電動車裝上擁有多個檔位的變速箱。不過,這樣一來電動汽車動力總成的結構就會變得更加復雜,同時動力輸出到輪端的流暢度、駕駛感受也會大打折扣。雙電機結構不僅優化了電機效率,還實現了四驅,是最完美的方案。
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