把 枪口 对准 电机

把 枪口 对准 电机-有驾
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编译 | 杨玉科
编辑 | 葛帮宁
出品 | 帮宁工作室(gbngzs)

对电动汽车来说,效率就是金钱。

哪怕只有2%~3%的效率提升,一辆电动汽车就可以为汽车制造商节省数百美元。这样一来,电动汽车成本可以逐渐接近燃油车,其盈利能力将越来越强。

当整个汽车行业将产品开发的枪口对准某一个部件时,这个部件最终会变得更小、更轻、更简单、更强大、更高效。通常情况下,由于工程师们找到了减少贵金属和其他原材料含量的方法,且提高了制造效率,这个组件的成本会更低。

这正是电动汽车的核心部件之一——电机正在经历的事情,它刚刚步入一场漫长的改造之旅。

效率提升3%意味着什么

通用汽车总裁马可·睿思(Mark Reuss)在接受Automotive News采访时表示:“主要是损耗问题,目前,我们才刚刚开始优化损耗,并对电机进行管控。”

跟其他汽车制造商和大多数供应商一样,通用汽车正在向电机领域投入大量资金。其目标不仅要让电机在使用更少电力,以及稀土磁体和铜的情况下更有效地运行,而且要降低制造成本。

“作为一个行业,我们可以相互学习,这方面我们一直做得很好。”今年10月,睿思在介绍由电池驱动的凯迪拉克CELESTIQ活动上如是说。

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硅谷初创公司图拉科技(Tula Technologies)创造的现代汽缸休止技术,目前已应用于通用汽车大型皮卡和SUV。

未来,该公司将完善一种节能策略——电动汽车动态电机驱动系统(Dynamic Motor Drive)。该系统通过电流脉冲控制电机,每秒关闭和打开电机数千次。

负责该项目的图拉科技副总裁约翰·福尔斯特(John Fuerst),诠释了3%的效率提升对雪佛兰Bolt意味着什么。图拉科技正在使用Bolt车队测试动态电机驱动系统。

“行业真正衡量收益百分比的方式是每千瓦时的电池成本。电池有多大?以Bolt为例,其电池价值7200美元。如果把它缩小3%,就可以节省216美元。”

在汽车制造商已经竭力节省开支的当下,节省几百美元相当难得,这也正是为什么大家开始竞相改进电机,以及控制电力电子设备的原因。

事实是,电机已有近200年历史。在交通运输领域,电机为从踏板车到火车头的一切交通工具提供动力。

但由于汽油所含能量,以及与其他燃料相比的低成本优势,过去120年里,除丰田普锐斯和雪佛兰Volt等混合动力车型外,电机只是断断续续地出现在汽车上。

截至目前,电机的极少使用阻碍了优化进程,以适应乘用车的独特需求。当然,随着汽车制造商竞相用电动汽车取代燃油车,情况正在发生变化。

英国供应商GKN电动动力总裁德克·凯塞尔格鲁伯(Dirk Kesselgruber)认为,电机的发展速度远远快于内燃机,后者已经持续发展一个多世纪。“我不认为电机需要如此长的旅程,才能达到最佳状态。”他说。

与博世、美国车桥、达纳和其他传动系统供应商一样,GKN拥有一系列电动驱动装置,其中大多数已经大批量生产。

凯塞尔格鲁伯称,电动机器(马达)非常古老,有很多关于它的研究和学习。在汽车行业,他们关注两个方面:其一是,电机的效率,需要多少能量才能转化成转矩?

其二是,成本因素,这涵盖一切——电机的尺寸、接触关键材料的程度、冷却和热管理,以及电机的高速等。

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改进无处不在

美国能源部表示,一个典型的电动汽车驱动系统,通常要造成15%到20%的能源损失。相比之下,汽油发动机能源损失为64%到75%,其中一些损失由摩擦引起,另一些则是热损失。

目前,汽车制造商和供应商的工程师们取得了快速进展,在提高整体效率的同时降低了成本。提高效率不仅仅是减少电机和齿轮箱的内部摩擦,还包括减少电机的重量和尺寸,控制热量,优化电机速度以适应车辆需要。

Lucid Air配备的紧凑电机是目前上市的最轻最强劲的电机。在一段视频演示中,Lucid管理人员解释了它的工作原理,并展示如何减轻重量,提高功率。

电机中,定子72槽比其他竞争对手的电机更大,一股粗铜线形成一个连续的波。大多数其他电机的槽中都充满了大量绝缘铜线,每根铜线之间的空气间隔导致效率低下。

Lucid首席执行官彼得·罗林森(Peter Rawlinson)在发布会上说:“我把效率看得比什么都重要。”

在定子冲片中加入微型冷却槽,使高压传动流得以通过,从而从源头消除热量,这是Lucid的一大突破。这样做大大提高电机的功率和效率,特别是在较高速度下。电机额定功率为670马力,但重量只有67磅。

另一项创新包括——将差速器放在转子内部,使整个驱动单元非常紧凑和轻便。

Lucid动力总成副总裁艾玛德·德拉(Emad Dlala)向Automotive News解释道,之所以能实现如此突破性的动力密度和效率,是因为采取了全面方法。

“你不能只关注一个领域,必须处处寻找改进的地方,哪里可以进一步改进?简短的答案无处不在。我们看到了逆变器、电机和变速器的改进潜力。”

德拉补充道:“我们在电机冷却方面开辟了新领域,但我们认为,还有进一步改进的可能。铜绕技术将继续发展和改进,机电架构也如此。在电力电子方面还有更多事情可以做,比如芯片、电容器等。”

“每一个领域在功率密度和效率方面都有不同程度的改进,综合来看,整个动力系统的改进潜力巨大。我们绝不能躺在过去的功劳簿上。”他强调道。

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效率就是金钱

电机的转速比内燃机快得多,而且随着技术进步,每分钟转数可能还会增加。一些汽车电机的转速可达到每分钟2万转或更高,这意味着,转子、定子和磁铁必须非常强大,才能防止它们飞散。

蒂姆·格雷(Tim Grewe)是通用汽车负责电气化战略和电池工程的总经理。他认为,在如何控制这些磁铁,以及如何实现高速运转方面,需要进行大量调整和工程设计,就像调整进气歧管一样。

格雷参与过通用汽车生产的每一款电动汽车和混合动力汽车——从1990年代末的EV1到凯迪拉克Celestiq,这款最新电动汽车将于明年第四季度上市。

目前,通用汽车已经投入大量电动汽车研发资源,学习如何优化电机中的磁铁。自2011年推出雪佛兰Volt混合动力车以来,通用汽车在该领域所做的改进,只是工程师提高效率和降低成本的部分途径。

“从设计层面来讲,我们通过使用更少的稀土来制造更好的电机。铽、钕和镝就像磁铁内部的催化剂,第一代Volt中,我们在磁铁各处使用铽和镝。第二代Volt中,我们基本把铽和镝用量减半,只放在需要的地方。

格雷补充道,Ultium电机已经提升到一个新水平。“我们完善了磁模型和三维磁场计算能力,只在需要的地方直接将关键稀土涂在磁铁上。”

短短3年内,德国供应商博世的工程师将其中一款电动驱动装置的尺寸缩小近50%。他们将电机、逆变器和变速器集成到一个冲压外壳组成的单元中,这一策略降低了制造和材料成本及重量。

博世还在寻找减少稀土磁铁使用的方法——稀土磁铁是电机中最昂贵的部件。其电机产品经理阿图罗·玛雅(ArturoMaya)称,电机有很大的改进潜力,稀土材料非常重要,我们希望以一种更实惠的方式获得磁铁。

磁铁的成本相当于一台电机的一半。博世工程师还在研究电机中的铜绕组和用于部件构造的金属。

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日本变速箱和传动系统部件供应商爱信(Aisin)虽然不生产电机,但它正在以热管理形式研究电动汽车动力系统的效率。保持电池和电机在最佳温度,就能提高驾驶里程和延长电池寿命。

在今年9月举行的底特律车展上,爱信展示了一款完整的电动汽车动力总成,它集成了汽车的暖通空调系统。如果电机需要冷却,汽车空调压缩机就可以完成这项工作。暖通空调系统也可以使电池保持在最佳温度。

爱信动力系统工程副总裁爱德华·佩罗斯基(Edward Perosky)说,对电机本身进行直接冷却,可以使它们保持在适合驾驶的热管理水平。

由于电池组是电动汽车中最昂贵的部分,更高的电机效率使汽车制造商,能在不影响行驶里程或性能的情况下减小尺寸。

快速改进电力传动系统是可能的,部分原因在于,电机及其附属驱动装置比传统汽油发动机和传动装置简单得多。一辆典型的前轮驱动四缸汽车,其动力系统大约有200个活动部件。相比之下,雪佛兰Bolt只有13个活动部件。

这些改进电动汽车的努力涉及汽车行业的所有领域。

就连生产全车使用的小型电机的供应商——比如德国博泽——也在努力改进它们的电机。博泽生产的电机涉及动力推拉门、窗户、后挡板、风扇和天窗等领域。电机消耗的电能越少,重量越轻,直接影响电动汽车一次充电后的行驶里程。

博泽最近推出了一个轻量级的冷却模块,它集成了散热器的冷却风扇、护罩和电机。汽车用来提供动力电机消耗的能量越小,行驶里程就越长。

正如Lucid罗林森所言,实现更高的效率将推动降低电池尺寸,降低成本,进而推动电动汽车的广泛采用。

(本文部分内容综合Automotive News报道,部分图片来自网络)
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