[汽車(chē)之家 技術(shù)]  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(dòng)品牌人們就想到它,。既然后起之秀如此上進(jìn),，傳統(tǒng)車(chē)企自然不會(huì)坐視不管，這不保時(shí)捷就準(zhǔn)備拿出Taycan應(yīng)戰(zhàn),，不過(guò)在這之前他們做出了一臺(tái)名為Mission E Cross Turismo的概念車(chē)來(lái)小試牛刀。但你知道嗎,？在核心部件驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)上,，特斯拉貌似有些“落后”。關(guān)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的故事還有很多,，今天我就和朋友們一起聊聊電機(jī)的那些事兒,。

　　特斯拉Model S P100D有著2.7秒的0-100km/h加速時(shí)間，這個(gè)成績(jī)?cè)谌加蛙?chē)?yán)镆彩欠浅Ｖ�快��,。而一個(gè)傳統(tǒng)車(chē)企中的老牌勁旅,，在內(nèi)燃機(jī)稱(chēng)霸時(shí)代大紅大紫的保時(shí)捷，為了能夠證明自己玩電動(dòng)依然很牛,，他們也做出了0-100km/h加速時(shí)間在3.5秒以內(nèi)的Mission E Cross Turismo,，雖為概念車(chē)，但已是實(shí)力不俗,。不過(guò),，兩者選擇了截然不同的技術(shù)路線，到底誰(shuí)才能成為真正的贏家呢,？

看完以下內(nèi)容,，你就看完了文章的70%：

　　1,、保時(shí)捷和特斯拉選用了不同的驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)路線，前者為永磁同步電機(jī),，后者為感應(yīng)異步電機(jī),；

　　2、永磁同步電機(jī)有著效率高,、體積小等優(yōu)勢(shì),，但相對(duì)成本較高，受溫度變化影響大,；

　　3,、感應(yīng)異步電機(jī)有著成本低、可靠性相對(duì)較高的特點(diǎn),，但能耗高是其最大短板,；

　　4、特斯拉曾因電機(jī)能耗高,，導(dǎo)致車(chē)主掏約7萬(wàn)元的“排放超標(biāo)”罰款,。

● 孿生兄弟：長(zhǎng)相相似，性格卻截然不同

　　永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)就好像是一對(duì)孿生兄弟,，長(zhǎng)相極其相似,，但卻有著不一樣的脾氣秉性。在基本結(jié)構(gòu)和外觀上兩種電機(jī)大致相同,，都是由定子,、轉(zhuǎn)子、電機(jī)外殼等常見(jiàn)部件組成,。只不過(guò)轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu),、用料和工作原理上存在差異。永磁同步電機(jī)屬于交流電機(jī)的一種,，其轉(zhuǎn)子是由帶有永久磁場(chǎng)的鋼制成,，電機(jī)工作時(shí)給定子通電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),，而“同步”的意思是在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度同步。

　　感應(yīng)異步電機(jī)也屬于交流電機(jī),，轉(zhuǎn)子是由導(dǎo)電性好的金屬材質(zhì)制成,，如鋁、銅等材質(zhì),，且轉(zhuǎn)子大多采用鼠籠式結(jié)構(gòu),，工作時(shí)也是通過(guò)給定子通電，此時(shí)與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī),�,！爱惒健敝�意就是在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度,，故稱(chēng)之為異步,。

　　說(shuō)的再簡(jiǎn)單一些，這兩種電機(jī)均為交流電機(jī),，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子自帶磁場(chǎng),，而感應(yīng)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子只是導(dǎo)體，并不帶磁場(chǎng),，是通電之后產(chǎn)生了感應(yīng)磁場(chǎng)才能與定子發(fā)生作用,。由于技術(shù)路線的不同，也就使得兩種電機(jī)有著各自的特點(diǎn),，接下來(lái)就跟大家聊聊他們各自的優(yōu)劣勢(shì),。

◆ 保時(shí)捷為什么會(huì)選永磁同步電機(jī)？

　　我們還是結(jié)合之前提到的車(chē)型來(lái)分別看這兩種類(lèi)型的電機(jī),。在2018北京車(chē)展上亮相的Mission E Cross Turismo搭載了兩臺(tái)永磁同步電機(jī),，兩個(gè)電機(jī)分別布置在前后軸之間，可同時(shí)輸出動(dòng)力,，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng),。這種布局形式在實(shí)現(xiàn)四驅(qū)的同時(shí)可以使前后配重更加均勻。

　　在雙電機(jī)同時(shí)工作的情況下,，Mission E Cross Turismo的動(dòng)力系統(tǒng)最大功率為600Ps（440kW）,，0-100km/h加速時(shí)間在3.5秒以內(nèi)，加速到200km/h的時(shí)間只需12秒,，這樣的實(shí)力足夠碾壓燃油超跑,。這也是德國(guó)人決定快速轉(zhuǎn)型，進(jìn)軍純電動(dòng)領(lǐng)域的表現(xiàn),，畢竟對(duì)于這些超跑專(zhuān)業(yè)戶而言，為了贏值得付出一切,。

■ 能量轉(zhuǎn)化率高,、適用于低速及復(fù)雜多變的路況

　　能量轉(zhuǎn)化率高是永磁同步電機(jī)電機(jī)特點(diǎn)之一，可以達(dá)到90%以上,。相比之下從化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能效率只有35%的汽油發(fā)動(dòng)機(jī),，以及電動(dòng)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能85%-90%的感應(yīng)異步電機(jī)就相形見(jiàn)絀了。

　　其次是其調(diào)速范圍比較大,，“調(diào)速范圍”這種說(shuō)法可能有些過(guò)于晦澀,，說(shuō)白了就是能夠適應(yīng)車(chē)輛在低速行駛和高速行駛的動(dòng)力需求，而且各工況都保持著比較高的能量轉(zhuǎn)換效率。也就是說(shuō)不論是在城市擁堵還是高速暢通的工況下,，永磁同步電機(jī)在提供車(chē)輛所需動(dòng)力性能的同時(shí),，還可以做到相對(duì)比較省電。

　　最后是其體積較小,、重量輕,，這個(gè)特點(diǎn)要相對(duì)于相同功率密度的感應(yīng)異步電機(jī)而言。打個(gè)比方,，同樣是可以舉起100kg重量的運(yùn)動(dòng)員,，舉重運(yùn)動(dòng)員的個(gè)頭就要比相撲運(yùn)動(dòng)員要小得多，這就是舉重運(yùn)動(dòng)員的“功率密度”比較大,。體積小就能給車(chē)輛的整體布局帶來(lái)更多的優(yōu)勢(shì),，車(chē)輛前機(jī)艙和后備廂能夠設(shè)計(jì)更多的儲(chǔ)物空間，底盤(pán)上可以設(shè)計(jì)一些動(dòng)力電池的擴(kuò)展空間等等,。也有利于車(chē)輛的輕量化設(shè)計(jì),。

■ 成本相對(duì)較高、性能會(huì)受溫度變化影響

　　除此之外,，永磁同步電機(jī)也不是沒(méi)有缺點(diǎn),，相對(duì)于感應(yīng)異步電機(jī)，理論上說(shuō)其單位功率升本較高,，也就是說(shuō)相同功率的兩種電機(jī),，永磁同步電機(jī)的造價(jià)更高一些。再有就是永磁材質(zhì)的轉(zhuǎn)子會(huì)隨著溫度的大幅變化引起退磁現(xiàn)象,，這種情況下就會(huì)使電機(jī)的性能下降,。這種感覺(jué)就有點(diǎn)兒像人到了炎熱的沙漠之后產(chǎn)生了脫水現(xiàn)象，導(dǎo)致身體機(jī)能下降,。

◆ 先進(jìn)的特斯拉卻用了“落后”的交流異步電機(jī)？

　　再來(lái)看特斯拉Model S P100D,，其在開(kāi)啟狂暴模式時(shí)的0-100km/加速時(shí)間僅為2.7秒,，最高車(chē)速同樣為250km/h。這樣出色的性能得益于其看似“落后”感應(yīng)異步電機(jī),。為什么說(shuō)這種電機(jī)比較“落后”,？這是因?yàn)橐恍┍容^低端的純電動(dòng)車(chē)，比如大家常說(shuō)的老年代步車(chē),、公園里的電瓶車(chē),，大都使用的是感應(yīng)異步電機(jī)。所以“廉價(jià)感”,、“落后”這樣的標(biāo)簽就被貼在了這種電機(jī)上,。但在特斯拉成功之前,，大多數(shù)人其中也包括我都不知道，其實(shí)感應(yīng)異步電機(jī)可以做到性能如此強(qiáng)大的地步,。

■ 成本相對(duì)較低,、性能不會(huì)受溫度影響

　　看著這些數(shù)據(jù)，真的可以用“可怕”來(lái)形容這臺(tái)車(chē)子,。那么它那顆強(qiáng)大的“心臟”還有什么其它的優(yōu)勢(shì)呢,？首先，相對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō),，感應(yīng)異步電機(jī)的成本比較低,，主要是因?yàn)闊o(wú)需使用昂貴的永磁材質(zhì)來(lái)制造轉(zhuǎn)子。其次,，就是其轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)是通電之后形成的電磁場(chǎng),，所以轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)不會(huì)存在退磁現(xiàn)象，其可適應(yīng)的工作環(huán)境溫度要比永磁同步更廣一些,。

■ 能耗相對(duì)較高,、低速性能不如永磁同步電機(jī)

　　由于感應(yīng)異步電機(jī)構(gòu)造的原因，想要更有勁兒,，電機(jī)內(nèi)部的導(dǎo)電體就要增加體積,，所以在與永磁同步電機(jī)相同功率的感應(yīng)異步電機(jī)體積會(huì)相對(duì)大一些、重量沉一些,。那帶來(lái)的副作用就是占用車(chē)內(nèi)的空間更多,，給車(chē)輛的自重加碼，增加了自身的能量損耗,。不過(guò),，Model S P100D用100kWh的超大容量電池彌補(bǔ)了這一點(diǎn)不足。但電機(jī)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(zhuǎn)化的效率會(huì)受自重的影響而減小。

　　其次,，就是其調(diào)速范圍小,，在高轉(zhuǎn)速的工況下能量轉(zhuǎn)化效率比較高。這就導(dǎo)致Model S P100D在低速行駛時(shí)能耗會(huì)比同功率的永磁同步電機(jī)要大,；而高速行駛中,，雖然這種工況下感應(yīng)異步電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率會(huì)高一些，但風(fēng)阻給車(chē)輛帶來(lái)的高能耗又使車(chē)輛電量消耗很快,。總結(jié)起來(lái),，Model S P100D在各個(gè)工況下都要比同功率的永磁同步電機(jī)能耗水平高,，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是什么時(shí)候都費(fèi)電,。

● 永磁同步和感應(yīng)異步到底誰(shuí)會(huì)成為主流？

　　通過(guò)兩個(gè)極具代表性的車(chē)子,，我們也對(duì)兩種不同技術(shù)路線的電機(jī)有了一個(gè)初步的了解,。那么在它們之間，到底誰(shuí)將會(huì)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)呢,？在下結(jié)論之前,，我們還是先來(lái)總結(jié)一下這兩種電機(jī)各自的特點(diǎn)吧。

　　從兩種電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)上來(lái)看,，永磁同步電機(jī)功率密度大,，低速、高速工況均處于較高的能量轉(zhuǎn)換效率,。所以相對(duì)于高速工況才有較高效率的感應(yīng)異步電機(jī)來(lái)說(shuō),，更適合低速工況較多、頻繁起步停車(chē)的城市道路,。這也就不難解釋為什么現(xiàn)在生產(chǎn)的純電動(dòng)車(chē)型中,，永磁同步電機(jī)處于主流地位。

　　再有一個(gè)原因就是由于大多數(shù)的純電動(dòng)車(chē)并不追求極高的性能,，所以電機(jī)的功率不會(huì)太大,，就算永磁同步電機(jī)的單位功率成本較高，但各家采用的電機(jī)功率并不會(huì)高到能大幅影響造車(chē)成本的地步,。所以除了生產(chǎn)需要搭載大功率電機(jī)性能車(chē)之外,，車(chē)企在生產(chǎn)乘用車(chē)的時(shí)候還不會(huì)因?yàn)檫@一點(diǎn)而考慮改為使用感應(yīng)異步電機(jī)的技術(shù)路線。

　　那么特斯拉也知道感應(yīng)異步電機(jī)在低速工況下存在能耗相對(duì)較高的劣勢(shì),，但為什么還要堅(jiān)持采用這種電機(jī),？?jī)H僅是由于成本低嗎？也不盡然,，特斯拉選擇這種技術(shù)路線還有其他的考慮,。其中，最主要的原因是制造永磁轉(zhuǎn)子的材質(zhì)——釹鐵硼,，對(duì)于美國(guó)本土來(lái)說(shuō)屬于稀缺資源,。釹鐵硼永磁材料是稀土資源，對(duì)于稀土資源缺少或稀土工業(yè)不發(fā)達(dá)的國(guó)家而言,，車(chē)用動(dòng)力電機(jī)的技術(shù)方案是與國(guó)家安全相關(guān)的，所以“米國(guó)”大叔們?nèi)匀粓?jiān)持著感應(yīng)異步電機(jī)的“技術(shù)壁壘”,。但相比之下,，歐洲人并沒(méi)有美國(guó)人對(duì)于稀土資源那么“過(guò)分緊張”，很多歐洲企業(yè)還是選擇了永磁同步電機(jī)的技術(shù)路線,。

　　既然說(shuō)到了稀土資源,，在這里給大家再提供一個(gè)冷知識(shí),，我國(guó)和日本對(duì)于其他國(guó)家而言在稀土資源方面有著絕對(duì)的先天優(yōu)勢(shì)。我國(guó)擁有全球70%的稀土資源,，釹鐵硼磁性材料的總產(chǎn)量達(dá)到全球的80%（盡管高端釹鐵硼產(chǎn)量有限）,。日本則是稀土產(chǎn)業(yè)的大國(guó)，世界銷(xiāo)量前三的釹鐵硼公司：住友特殊金屬公司,、新越化學(xué)實(shí)業(yè)公司和TDK集團(tuán)都是日本公司,，其實(shí)力可見(jiàn)一斑。所以,，在中國(guó)品牌和日本品牌的純電動(dòng)車(chē)型上使用永磁同步電機(jī)可以說(shuō)是件稀松平常的事情,。

　　不過(guò)，目前有消息表明特斯拉也開(kāi)始向永磁同步電機(jī)的技術(shù)路線轉(zhuǎn)變了,。之前曾有海外媒體稱(chēng)在對(duì)話特斯拉電機(jī)設(shè)計(jì)師Konstantinos Laskaris時(shí)他透露,，特斯拉MODEL 3車(chē)型將放棄使用感應(yīng)異步電機(jī)而改為使用永磁同步電機(jī)。按常理來(lái)看,，這是特斯拉“迷途知返”,，為了提高電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率、降低能耗,、增加續(xù)航里程而改變了技術(shù)路線,。但還有一個(gè)原因也可能是導(dǎo)致特斯拉改變技術(shù)路線的導(dǎo)火索。

● 花邊舊聞：特斯拉曾吃“排放超標(biāo)”罰單

　　大家是否還記得在2016年的時(shí)候,，一個(gè)有著“花園城市”之稱(chēng)的東南亞國(guó)家,，為特斯拉開(kāi)具了第一張“碳排放超標(biāo)”罰單。就憑借這一紙罰單,，就讓特斯拉車(chē)主繳納了折合人民幣約7萬(wàn)元的罰金,。說(shuō)來(lái)也是奇怪,，作為低碳環(huán)保零污染的純電動(dòng)車(chē)怎么會(huì)在新加坡攤上了“排放超標(biāo)”的罪名了呢,？

　　當(dāng)時(shí)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(chē)輛碳排放標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)時(shí),，被告知該車(chē)每公里要消耗444Wh電量（44.4kWh/100km）,，而新加坡的相關(guān)規(guī)定,，對(duì)于所有電動(dòng)車(chē)輛，電能源消耗標(biāo)準(zhǔn)是0.5g/Wh二氧化碳,，換算下來(lái),，當(dāng)時(shí)那輛Model S二氧化碳排放量為每公里222g，而一個(gè)百公里耗油7L的普通燃油車(chē)的碳排放量是189g,，所以判定特斯拉屬于超標(biāo)排放,。但是這一案例在全球的純電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域可以說(shuō)是被吵的沸沸揚(yáng)揚(yáng)，特斯拉CEO馬斯克還就此事向新加坡政府討過(guò)公道,，但有真實(shí)數(shù)據(jù)為證,，也只能乖乖受罰,。但罰金馬斯克有沒(méi)有贊助那位Model S車(chē)主，這就不得而知了,。

　　有了這樣的慘痛教訓(xùn)，特斯拉便開(kāi)始走上了“節(jié)能減排”之路,，比如優(yōu)化電控系統(tǒng)控制邏輯,，以降低能耗水平等。不過(guò),，到了Model 3上,，也可能是由于車(chē)型更小的原因，加上世界各國(guó)對(duì)低能耗的要求也越來(lái)越高,。這也就導(dǎo)致Model 3將使用永磁同步電機(jī)的消息從特斯拉內(nèi)部傳出,。

全文總結(jié)：

　　其實(shí)，永磁同步電機(jī)和感應(yīng)異步電機(jī)在純電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域是兩大主要技術(shù)方向,，并不能泛泛的評(píng)論誰(shuí)好誰(shuí)壞,，還是要看使用場(chǎng)景和車(chē)輛的設(shè)計(jì)初衷。在同等功率條件下,，永磁同步電機(jī)的體積更小,、效率更高，比較適合路況復(fù)雜,、頻繁起停的工作環(huán)境,；而感應(yīng)異步電機(jī)，成本相對(duì)較低,，收環(huán)境溫度變化影響較小,，更適合高速路段行駛的工況，可以說(shuō)兩種電機(jī)各有千秋,。而隨著永磁材料技術(shù)的不斷進(jìn)步,，永磁同步電機(jī)在高轉(zhuǎn)速方面也逐漸有了突破，目前可以達(dá)到16000rpm甚至更高,。而且在一些國(guó)家的法規(guī)面前,，車(chē)企不得不想方設(shè)法去降低能耗，以滿足當(dāng)?shù)卣�策的要��,。所以,，由此可�?jiàn)，在乘用車(chē)上,，無(wú)論是家用車(chē)還是性能車(chē),，在沒(méi)有更新、更高效的技術(shù)出現(xiàn)之前,，動(dòng)力系統(tǒng)上應(yīng)用永磁同步電機(jī)將會(huì)是一個(gè)大趨勢(shì),。（文/圖 汽車(chē)之家 許博）