双电机EV逻辑:为什么前部用永磁电机,后部用异步电机?
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双电机电动汽车在前后轴使用两种 不同 电机类型的原因是一个简单的工程平衡:永磁同步电机峰值效率高,因此用于持续受力的车轴;而异步电机在断电时几乎无损耗地自由旋转,因此作为备用轴工作.这样,一辆双电机电动汽车既能在巡航模式下保持高效,又能在需要扭矩时灵活地从四个车轮输出动力.
重点提示
- 永磁电机 达到95%-97%的 峰值效率;异步电机通常停留在 90%-93% 的区间.
- 当异步电机的定子供电被切断时,转子可自由旋转;这使其成为双电机布局中理想的 备用轴 .
- 同等功率的异步电机 重45-60公斤 ,而PMSM约为 22公斤;扭矩密度高出2-3倍.
- Tesla Model 3 Dual Motor在前轴使用感应电机,后轴使用内置式永磁(IPM)电机;Mercedes-Benz EQ车型则相反.
为什么不把两个电机设计成一样?
给两个车轴都配备永磁电机在纸面上看似合理:毕竟电机更高效、更轻、更紧凑.问题在于PM电机的磁场永远无法关闭.这类电机转子上的磁体时刻都在产生磁场;即使车辆处于滑行模式,即电机断电时,旋转的带磁转子仍会在定子绕组中产生不必要的电流和铁损.简而言之,PM电机无法真正被"休眠".
而在异步(感应)电机中,转子电流由定子间接感应产生.当定子供电被切断时,转子便失去磁场,机械上处于自由状态,拖曳损耗降至接近零.这一特性正是双电机架构的基本逻辑所在: 不使用的车轴应当无损耗地旋转,而能做到这一点的电机就是异步电机.
两种电机类型的特性:效率、重量、扭矩密度
永磁同步电机(PMSM)的优势不仅在于峰值效率,更在于效率的分布.由于没有转子电流损耗,它在宽广的转速和扭矩范围内都能保持高效;在日常使用中,这往往比固定在某个点上的峰值效率更有价值.异步电机的损耗有一部分是结构性的:转子落后于定子磁场的转速差(转差)越大,转子中产生的电流和热量就越多.产生相同的磁通量,异步电机需要更多的铁和铜——一台50 kW的异步电机重45-60公斤,而同等功率的PMSM只有22公斤.PM电机的扭矩密度也高出2-3倍,也就是说,相同的性能可以装进更紧凑的封装里.
| 特性 | 永磁同步(PMSM) | 异步(感应) |
|---|---|---|
| 峰值效率 | 95%-97% | 90%-93% |
| 自由旋转损耗 | 低但不是零(恒定磁体磁场) | 极低,实际上可自由旋转 |
| 50 kW电机质量 | 约22公斤 | 45-60公斤 |
| 扭矩密度 | 高(2-3倍) | 较低 |
| 负载范围内的效率 | 宽转速范围内高效 | 在可变负载下效率下降更快 |
| 需要永磁体 | 需要稀土元素 | 不需要 |
| 典型角色 | 持续承载的驱动轴 | 备用车轴/辅助动力 |
基于效率图的匹配逻辑
每台电机都有自己的效率图:这是一张等值线图,展示在转速-扭矩平面上哪个区域有多高的效率.损耗主要来自三个方面——绕组电阻产生的欧姆损耗、铁芯中变化磁通引起的铁损,以及永磁电机中磁体本身带来的额外损耗.优秀的双电机布置会将这些效率图的最高效区域,对准车辆典型使用工况下停留时间最长的点.
其工作策略是:车辆在定速巡航时,仅由永磁电机工作,而永磁电机的尺寸正是针对这种低负载工况选择的,使其恰好落在效率图最高效的"岛屿"上.异步电机通过逆变器指令关闭,转子自由旋转,拖曳阻力几乎为零.当加速、爬坡或牵引力需求出现时,第二台电机开始输出扭矩.车辆软件会随时调整前后车轴之间的扭矩分配,以实现油耗/电耗最优化;这些扭矩分配算法同时也为基础扭矩矢量控制搭建了架构,并试图平衡每个车轴的侧向力承载能力.
再生制动中同样存在不对称性:永磁电机可自然切换到发电机模式,因为其磁场始终存在.而将异步电机用作发电机则稍复杂一些,因为转子磁场是通过感应间接建立的,控制层必须先建立这个磁场.尽管如此,在现代双电机车辆中,两个车轴都能参与能量回收.
制造商为何选择不同的搭配?
Tesla:前轴感应电机,后轴IPM
Tesla Model 3 的Dual Motor是这一架构中最受讨论的例子:前轴采用三相四极感应电机,后轴采用三相六极内置永磁(IPM)电机.该公司的发展轨迹也很有启发意义——最初的Roadster和Model S完全采用感应电机;从Model 3和Y开始,主驱动单元转向了PMSM技术.原因很明确:永磁电机更高的成本,换来的是值得的效率提升.Tesla还将永磁体与磁阻(磁阻扭矩)设计相结合,进一步提升了效率.这种被称为PMSR的新一代电机,可以看到IPM-SynRM混合架构的影子.
Mercedes-Benz:镜像布局
Mercedes-Benz EQ车型将同样的逻辑反过来应用:后轴采用永磁同步电机,前轴采用感应电机.这表明"永磁电机应该放在哪个车轴"这个问题并没有唯一的正确答案;决策取决于车辆的重量分布、典型驾驶负载以及热管理架构.由于大多数电动车后轴承担更高的持续功率,将永磁电机放在后部,可以让巡航负载落在效率最高的电机上——Tesla本质上遵循的也是同样的逻辑.
行业整体
比亚迪、丰田、现代和大众等品牌因高扭矩密度和宽转速范围内的效率,主要以PMSM系统为基础.绝大多数纯电动车使用永磁电机;雷诺Zoe和早期特斯拉Model S是这一规律的已知例外.行业研究表明,永磁电机在可预见的未来仍将占据主导地位;零部件巨头博世也已推出新一代量产永磁同步电驱动电机家族.
PM是否在所有情况下都占优?异步电机仍占优势的领域
这种比较并非单向的.异步电机拥有三个具体优势:由于不含永磁体,不依赖稀土元素;电机成本通常低20%–30%;且能抵抗磁体退磁——即使在120°C以上的环境中也不存在磁场损失问题.而对于PM电机,高温必须被视为磁体终身存在的风险.此外,PM转子的旋转会产生与所施加电压相反的电压(反电动势,back-EMF);这使电机能够汲取负载所需的电流,但在高转速下,电压和损耗管理成为设计中的关键课题.
效率差异的幅度也并非绝对:虽然5%–7%这一区间被广泛认可,但差距会根据负载点而收窄或扩大.PM的优势在变负载工况下尤为明显;在持续恒定负载下,差距会显著缩小.作为候选方案,电励磁同步电机(EESM)也在讨论之列:它不含永磁体,且励磁可调性带来控制灵活性,但由于需要持续的励磁电流来维持转子磁场,其部分负载效率通常低于PMSM.
常见问题:双电机会增加续航吗?
问题的答案取决于电机类型.将单PM电机车辆与采用PM+异步电机组合的AWD车辆相比,双电机布局不会损失续航——因为未被使用的异步轴自由旋转,几乎不影响效率.增益则来自扭矩向所需车轴的分配,以及每个电机都在自身效率图谱的最高效区域运行.如果两个车轴都采用永磁电机,铁芯中持续流动的损耗确实会侵蚀续航;这种组合配置正是为了消除这一损耗而存在的.
那么为什么所有制造商不采用相同的布局?PM轴的位置因车型和制造商而异;一些评估认为前电机是效率更高的PM电机,而车身拆解分析证实,在Model 3/Y上,后电机在典型行驶负载下是效率更高的PM类型.不变的不是规则,而是原则:巡航负载应由最高效的电机承担,另一个电机在非必要时保持休眠.
结论:一种深思熟虑的不对称
前部采用永磁电机、后部采用异步电机(或相反)的布局;这并非宣布某种电机技术优于另一种,而是两种不同特性之间的分工.PM电机凭借在宽负载范围内95%-97%的效率承担持续负载,异步电机则依靠自由旋转能力无损地保持备用轴.磁体成本、热耐久性以及稀土独立性等因素也从经济上巩固了这种组合.对于希望在不损失续航的情况下获得四轮驱动的工程师来说,这种不对称性仍然是现有技术中最平衡的答案.