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为什么电动车跑高速费电?原来电机的影响如此不可忽视

时间:2019-01-09 14:44:53 阅读: 来源: 分享到:
很多购买了新能源纯电动车的用户往往对续航里程有很大的怨言。原本兴致冲冲的冲着厂商宣传的300-400公里续航里程做的购买决策,但实际使用起来,行驶200-300公里就需要充电,电量消耗远比自己的预期快。特别是在跑高速或长途时,实际行驶里程与厂商的宣传出入更大。那么为什么传统燃油车越跑高速越省油,而电动车却是速度越快越费电呢?本期来为大家解读。

■  电动机特性曲线与传统燃油发动机特性曲线对比

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▲左图为传统自然吸气燃油发动机功率扭矩曲线,右图为电动机功率扭矩输出曲线

从这两张对比图不难看出,传统自然吸气发动机,功率几乎与转速成正比关系,也就是说转速越高功率越大。这主要是因为:转速越高,单位时间内发动机点火做工的次数就更多,所以功率随之上升。而扭矩,从低转到高转相对来说波动不大,基本维持在120牛·米到150牛·米之间。加上在变速箱的作用下,一旦进入高速匀速行驶,发动机的转速可以被超速挡控制在较低的转速区间,此时释放的功率较低,仅需要一些功率提供车轮的转速和克服空气阻力及滚动阻力,所以发动机可以在跑高速时获得一个较经济的油耗水平。

而电动机的动力输出特性与发动机完全不同,它有一个基速转速。也就是说在基速转速之前具有恒扭矩特性,基速转速之后有恒功率特性。如果这句话不好理解,简单的说如上图:基速转速为1500转/分。那么就以之为例:在1500转之前按照最大扭矩400恒定输出,而此时功率会随着转速的提高而攀升。一旦过了1500转,功率输出保持恒定的60千瓦,而扭矩输出会随着转速的升高而呈双曲线下降。当然,内燃机当中:功率=转速*扭矩 的公式在电动机中仍然适用。所以当功率保持恒定之后,转速越高扭矩越小。

■  转速比是电机的重要隐含参数,因为它扭矩和效率不可兼得

电动机中有一个非常重要的参数,叫做转速比。很容易理解:它指的是最高转速与基速的比值。不同特性的电机,转速比会不一样。

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▲图为三种不同转速比的电机扭矩输出曲线。X为转速比。

通常永磁同步电机,由于磁场衰减小,所以转速比小于2;异步电机的转速比通常在4左右,开关磁阻电动机转速比可以大于6 。从电机的功率扭矩输出曲线可以看出,在基速之前,电机处于最大扭矩恒定输出状态,且在基速之前,转速越低,输出功率越小。功率小就意味着能耗低,所以对于电动机来说,转速越低,电耗就越低。

也就是说,在基速转速之前,电动机的效率是最高的。一旦过了基速转速,放电功率始终处于恒定的最大值,而扭矩随着转速的提升不断减小,所以,基速之后电机的效率会随转速的升高而减小,能耗由此不断增加。

由此:转速比越小,电动机效率就越高但最大扭矩越小;转速比越大电机效率就越小,但最大扭矩输出就越大。

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上图是由 ABRP统计的511特斯拉Model S车主日常行驶数据得出的速度与续航里程关系曲线,横坐标为速度,纵坐标为续航里程,不同颜色代表不同环境温度。

 从上图可看出,虽然低温会减小续航里程,但更重要的是,在不同速度情况下续航里程也会存在很大差别。很明显50-60公里/小时 的速度区间,是ModelS最经济的巡航速度,速度越快,续航里程衰减得越明显。同样情况下,60公里时速可以获得超过700公里的续航,但到了120公里时速却只能续航400公里,差别快要达到一倍之多了。所以,这都是由于电动机的特性曲线造成的。速度超过120之后,电机始终在用最大功率的放电速度消耗着电池里的电能,而扭矩却不断衰减导致需要更多的电能来维持高速转速。

要想获得较高的高速续航里程,就需要选择转速比较小的电机,当然,这也会导致最大扭矩的降低。我们知道,特斯拉Model S采用的是交流异步电机,转速比在4左右。所以,高速续航能力不及比他更便宜得多的、采用永磁同步电机的荣威吉利等自主品牌纯电动车型。4

▲最高车速与转速比和扭矩的关系

上图为转速比为6的电动机扭矩输出与车速的关系。横坐标为车速,纵坐标为轮端扭矩。我们从这张图可以看出,随着车速的提高,滚动阻力和空气阻力也会呈抛物线的方式提高,因为空气阻力与速度的平方成正比,所以,速度越快阻力越大。

随着车速的提高(也就意味着电机转速的提高),按照电动机扭矩输出的特点,扭矩会呈双曲线不断衰减。我们知道扭矩是用来克服空气阻力的唯一要素。所以,当扭矩大于阻力时,车辆会不断加速,而这个不断加速的过程同样也是扭矩不断减小、阻力不断增大的过程,知道扭矩与阻力值相等,则达到了动态平衡,速度无法再提升,这个速度就是这台车的极速。

■ 结论

   要想获得较好的高速续航里程,除了常规的轻量化设计(减小滚动阻力)、空气动力学设计(减小空气阻力)以外,电机的类型对高速续航里程的影响也是非常大的。转速比越小的电动机(永磁同步电机),无论是高速续航里程还是日常使用的电能利用效率都非常高,但是缺点是最大扭矩小。而最大扭矩较大的交流异步电机,甚至是开关磁阻电动机,能够给用户的带来超强的加速性能,但整体电耗较高、高速能耗更高,要想获得同样的续航里程必须配备超大容量的电池组。但电池组越大,也意味着重量越大,带来更大的行驶阻力。所以,用户在选择时可以根据自己的侧重需求来购买。

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