电动汽车在哪个转速区间工作效率更高?
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电动机的最高效率并不出现在某一个点,而是出现在扭矩-转速平面上的某个区域;在大多数现有设计中,该区域对应低-中转速和中扭矩范围.因此,这个问题的简短答案是:在全油门或走走停停之外的、车辆日常使用大部分时间所处的中等负载区间内,电机效率最高.所谓的效率图,展示的正是这一区域.
亮点
- 效率图是在扭矩和转速坐标轴上绘制效率等值线的图表.
- 以一台永磁电机为例,其高效区 集中在 4,000 rpm 以下 和 250 Nm 以下 的区域.
- EPA 指出,电动车对来自电能的能量 约 87%-91% 一直利用到车轮.
- 在双电机车辆中,基于效率图的扭矩分配已展示出 高达 8.94% 的 节能效果.
- 在一个逆变器实例中,峰值效率为 99.57%,而在 5% 负载下则为 98.5% .
如何读取效率图?
效率图是一张将电机整个工作范围呈现在单个方框中的图表.横轴为转速(rpm),纵轴为扭矩(Nm),其上以等值线的形式绘制出电能转化为机械能的百分比.这些类似液位图的等值线的最内部区域,就是电机的效率岛:电机在该岛上运行得越多,从电池汲取的能量就有越多的部分传递到车轮.
让我们把解读具体化.在一幅已发表的内置式永磁(IPM)电机图中,电机在 4,000 rpm 以下和 250 Nm 以下的扭矩范围内 于其最高效区域运行.这并不意味着电机性能弱;只是表明电能以最少损耗转化为机械能的工作点位于那里.在同一分析中,除了效率图外,还会生成电流图和损耗图;损耗图分别显示焦耳损耗、铁损、机械损耗和附加损耗.工程师在优化效率岛时,实际上就是在逐项压缩这些损耗.
要理解这张图,需要了解两个工作区域.在基速以下,电机运行于恒扭矩区域:它从零转速起就能输出峰值扭矩,这就是电动车起步加速如此迅猛的原因.在基速以上,则开始恒功率区域;弱磁(field weakening)控制介入,扭矩大致与转速成反比下降.由于功率等于扭矩乘以转速,扭矩曲线与功率曲线互为镜像.
不同电机类型的效率岛位于何处?
每台电机的效率地图都不相同;效率岛的位置随电机类型直接变化.永磁同步电机的转子依靠自身磁体而非感应励磁,因此通常能提供更高的效率和扭矩密度;满载效率高于异步电机.代价则是嵌入转子的磁体成本.异步电机的特性恰好相反:在高转速和高扭矩下能更好地保持效率,但在低速和低负载下表现较弱;部分负载时效率可能明显下降.
| 特性 | 永磁同步 (IPM) | 异步 |
|---|---|---|
| 高效区间 | 低转速、低中扭矩 | 高转速、高扭矩 |
| 低负载表现 | 效率保持较高 | 效率下降 |
| 扭矩特性 | 宽而平坦的恒扭矩区间 | 存在转差,启动扭矩约为额定扭矩的150-200% |
| 扭矩密度 | 高 | 较低 |
| 成本 | 因转子磁体而较高 | 无磁体,较低 |
这两张地图的差异本身并非一种偏好,而是一个设计空间.以城市为主的使用方式会让车辆电机在大部分时间处于低转速、低扭矩状态——这正是永磁电机效率岛所在之处.而在高速长途行驶中,异步电机的效率不会随速度提升而崩塌.一些制造商正是出于这种互补性,在驱动主轴的主电机上采用永磁电机,而在前部小电机上采用异步电机:异步电机在效率较低的低负载工况下不会带来额外收益,必要时才会介入工作.
城市还是高速:电机在哪个区域工作?
电动汽车中效率与速度的关系与燃油车不同.内燃机在高速下运行温暖高效,而在城市走走停停时效率很差;EV的情况恰好相反.由于空气动力学阻力随速度急剧增加,电动汽车在高速上的油耗(电耗)上升,而多数车型的城市工况电耗低于高速工况.真实世界续航测试也证实了这一点:EV的实际高速续航通常低于官方综合数值,因为高速并非最高效的工作区间.
电机本身则是整个画面中最出色的一环.EPA给出的数字表明,EV能将来自电能的能量中约 87-91% 传递到车轮;这是内燃机无法比拟的完整度.需要区分这一效率中多少来自电机,多少来自电力电子的贡献.电机效率随工作转速、扭矩和控制策略而变化;硬件设定了边界,但实际使用由控制策略勾勒.磁场定向控制 (FOC) 正是将定子电流分解为扭矩分量和磁通分量并独立管理二者、使电机保持在效率岛内方法.逆变器也不是链条中的薄弱环节:在200 kW级别的设计中,峰值效率实测达99.57%,5%负载下为98.5%.因此,车辆在城市中高效,很大程度上是电机的效率地图与城市工况相重合的结果.
单速变速箱与齿轮比:将效率地图映射到真实道路
绝大多数电动汽车采用单速变速箱,因为电机从零转速起就能在宽广的速度范围内产生扭矩,不存在需要换挡的狭窄区间.但其代价是:由于齿轮比固定,面对多变的车轮速度和扭矩需求,电机被推向效率地图上的不同工作点.齿轮比的选择会显著影响扭矩传递和电机的工作条件;不同的齿比会同时改变加速性能和能耗.把齿比往一个方向调整,可以让城市工况落在效率岛上,却会把高速巡航转速推到岛外;反过来做,结果则正好相反.
这一矛盾是当前工程界的热议话题.在重型车辆中,电机效率需针对所有速度-扭矩组合从效率地图中计算得出,而变速箱效率又随扭矩、速度和驱动齿轮而变化,因此整个传动链的优化并非仅靠电机地图就能完成.作为突破单速变速箱效率区域边界的方案,双挡变速箱与驱动电机尺寸优化正在研究中;其目的是让电机把更多的时间份额停留在效率岛上.在重型车辆中,齿轮比会同时影响电机行为的四个关键因素:扭矩、转速、效率和载重能力.简而言之,齿轮比就是将效率地图与真实世界道路轮廓相匹配的最后一颗调节螺丝.
双电机架构:两张地图协同使用
在双电机车辆中,每个电机都有各自的效率地图,且两者不必相同.在主后电机加小前电机的架构中,总能耗取决于扭矩如何在两个车轴之间分配.简单的50/50对半分配会让两个电机都在地图上同一点工作;而最优扭矩分配算法则会根据每一时刻哪个电机处于哪个效率区域,来分配驱动和制动扭矩.一个电机在岛中心、另一个在岛边缘的分配方式,可能比两个电机都被推向边缘的对称分配消耗更少的能量.
在这一通过电池功率分配以电子方式管理扭矩分配的架构中,这一收益并非抽象的工程目标.基于效率地图的扭矩分配策略已 展示出高达8.94%的节能效果 ;从电池中回收这么多额外的能量,会直接转化为续航里程.同样的逻辑也适用于制动:停车时由哪个电机产生多少再生扭矩,取决于当前速度和扭矩点下效率所处的位置.
再生制动:地图的负半区
再生制动是一种让电机反向运转、把制动时本会以热量形式损失的动能回收回电池的机制,也是EV能效看不见的第二引擎.但电机作为发电机运行时同样有效率图;能量回收有多少真正到达电池,取决于制动瞬间电机落入效率图的哪个区域.因此需要为再生本身单独建模:绘制不同制动条件下能量回收效率的曲线,并据此对控制策略进行分级.
这里的敏感点是低速:在车辆几乎停下的瞬间,可回收的能量很少,再生在低效区运行就失去了意义.最新研究表明,低速阈值根据驾驶条件最多可下调至5%,也就是说系统能把再生高效运行的范围延伸到更低的速度.多级再生控制策略也能明显改善动态响应.而在四轮独立电机的车辆上,基于效率图的能量节省控制会按每个车轮的效率图分配制动扭矩,分别在驱动和制动层面进行优化.从用户角度看,结论很简单:调校良好的再生系统,意味着在同样的路况下获得更长的续航.
效率图在实战中告诉我们什么?
读完数页等高线图后,给驾驶者留下的总结就是这三句话.第一,你的EV在城市和中速下油耗(电耗)低并非巧合,而是电机效率岛位于该区域的结果;高速电耗上升,账要算在空气动力学头上,而不是电机.第二,定速巡航在长途行驶中让车辆的扭矩需求保持平顺,保护电机不被突发的高扭矩需求推出效率图之外;平顺的需求就意味着留在岛上.第三,在双电机车辆上,系统会在你不知不觉中持续比较两张效率图,随时把工作交给更高效的电机;在再生制动时,同样的比较也会放大回收的能量.
效率图不必只是终端用户看不到的工程档案.了解你的车辆在哪个速度和扭矩区间最从容,可以让你的驾驶习惯建立在可衡量的基础上:把电机保持在效率岛内的驾驶方式,既能降低能耗,也能降低热负荷.以机械工程师的眼光来看,效率图是 electric 车辆 character 的最诚实文档——一张图就道尽电动车的性格.
参考资料
- 轻松看懂电机效率图 - Ansys
- 效率图 - 电机 - Altair文档
- 掌握电动汽车电机的扭矩曲线
- 电动汽车误区 | 美国环保署
- 电动汽车实际续航里程对比 - Consumer Reports
- 如何玩转电动汽车的能效 - Recurrent Auto
- 单速传动系统的高效齿轮比选择 - MDPI
- 两速变速箱牵引电机尺寸优化 - McMaster
- 电动汽车需要几个速比?一个实例 - Gear Technology
- 独立双电机电动汽车扭矩分配策略对比 - IEEE
- 电动汽车能耗优化 - DiVA portal
- 再生制动 - 维基百科
- 基于电机效率图的电动汽车节能控制 - SAGE
- 再生制动的能效提升框架 - 明尼苏达大学
- 电机控制:提升电动汽车效率 - EMobility Engineering
- 感应电机与永磁电机对比 - Horizon Technology
- 电机的工作转速、扭矩和控制策略如何影响其效率 - Charged EVs