新能源汽车的工作原理，以及技术差异，带你学会最新时代的科普
您最后一次停下来思考电动汽车的实际工作原理是什么时候？我们汽车行业的超级粉丝大多已经对燃烧动力系统的工作原理有了合理的理解。我们大多数人都可以想象燃料和空气进入燃烧室、爆炸、向下推动活塞以及旋转曲轴，最终使车轮转动。我们通常了解直列式、扁平式、V 形甚至汪克尔转子内燃机之间的区别。
诸如此类的机械工程概念相对容易理解。但可以打赌，只有少数阅读本文的人可以在餐巾纸上准确解释隐形电子如何转动汽车车轮，或者永磁电机与交流感应电机有何不同。电气工程对于汽车疯子来说似乎是黑魔法和巫术，所以是时候揭开这个大胆的电动汽车新世界的神秘面纱了。
新能源汽车的工作原理：电机它与磁性以及电场和磁场之间的自然相互作用有关。当电路闭合允许电子沿着电线移动时，这些移动的电子会产生一个完整的带有北极和南极的电磁场。当这种情况发生在另一个磁场的存在下时——无论是来自不同批次的高速电子还是来自 Wile E. Coyote 的巨型 ACME 马蹄形磁铁，这些相反的磁极会相互吸引，而相同的磁极会相互排斥。
电动机的工作原理是将一组磁铁或电磁铁安装到轴上，将另一组安装到围绕该轴的外壳上。通过周期性地反转一组电磁体的极性（交换北极和南极），电机利用这些吸引力和排斥力来旋转轴，从而将电力转化为扭矩并最终转动车轮。相反——如在再生制动的情况下——这些磁力/电磁力可以将运动转化为电能。
交流还是直流？供应到您家的电力以交流电 (AC) 的形式到达，之所以如此称呼是因为电源的北/南或正/负极性每秒变化（交替）60 次。（也就是说，在美国和其他以 110 伏电压运行的国家/地区；采用 220 伏标准的国家/地区通常使用 50 赫兹交流电。）直流电 (DC) 是流入和流出每个电池。如上所述，电机需要交流电才能旋转。没有它，电磁力只会将它们的北极和南极锁定在一起。正是不断切换南北的循环使电机保持旋转。
今天的电动汽车旨在管理车载交流和直流能源。电池存储和分配直流电流，但同样，电机需要交流电。为电池充电时，能量在 1 级和 2 级充电期间作为交流电流进入车载充电器，在 3 级“快速充电器”中作为直流高压电流进入。复杂的电力电子设备（我们不会在这里解释）处理多个板载 AC/DC 转换，同时将电压从 100 到 800 伏的充电电源升压到 350 到 800 伏的电池/电机系统电压到许多需要 12-48 伏直流电的车辆照明、信息娱乐和底盘功能。
什么类型的电机？直流电机（有刷）：是的，我们刚才说交流使电机运转，这些为 1900 年代早期电动汽车提供动力的老式电机也不例外。来自电池的直流电流通过弹簧加载的碳或铅“刷子”传送到转子绕组，这些“刷子”为连接到线绕组的旋转触点提供能量。每旋转几度，电刷就会为一组新的触点供电；当电机轴转动时，这会不断反转转子上电磁铁的极性。（这个触点环称为换向器）。
围绕转子电磁绕组的外壳通常具有永磁体。（“串联直流”或所谓的“通用电机”可以使用电磁定子。）优点是初始成本低、可靠性高、电机易于控制。改变电压可调节电机速度，而改变电流可控制其扭矩。缺点包括较低的使用寿命以及维护电刷和触点的成本。除了一些印度铁路机车外，这种电机今天很少用于运输。
无刷直流电机 (BLDC)：通过将永磁体移到转子上，将电磁铁放置在定子（外壳）上，并使用外部电机控制器将各种励磁绕组从正绕组交替切换到负绕组，消除了电刷及其维护，从而产生旋转磁场。
优点是使用寿命长、维护成本低和效率高。缺点是更高的初始成本和更复杂的电机速度控制器，通常需要三个霍尔效应传感器才能正确确定定子绕组电流的相位。定子绕组的切换会导致“转矩脉动”——传递的转矩周期性地增加和减少。这种类型的电机在电动自行车和踏板车等小型车辆中很受欢迎，并且用于一些辅助汽车应用，如电动助力转向辅助。
永磁同步电机 (PMSM)：在物理上，BLDC 和 PMSM 电机看起来几乎相同。两者都在转子上具有永磁体，在定子中具有励磁绕组。关键区别在于，PMSM 不是使用直流电流和周期性地打开和关闭各种绕组来旋转永磁体，而是在连续正弦交流电流下工作。这意味着它没有扭矩波动，只需要一个霍尔效应传感器来确定转子速度和位置，因此它更高效、更安静。
“同步”一词表示转子以与绕组中磁场相同的速度旋转。其最大的优势在于其功率密度和强大的启动扭矩。任何带有旋转永磁体的电机的一个主要缺点是，它在不高速供电时会产生“反电动势”（EMF），这会导致阻力和热量使电机退磁。这种电机类型在动力转向和制动系统中也有一些作用，但它已成为当今大多数电池电动汽车和混合动力汽车的首选电机设计。
请注意，大多数永磁电机的南北轴线都垂直于输出轴。这会产生“径向（磁）通量”。一类新的“轴向通量”电机使磁铁的 NS 轴平行于轴定向，通常位于将固定定子绕组夹在中间的成对圆盘上。这些所谓的“扁平电机”的紧凑、高扭矩轴向磁通方向可应用于 BLDC 或 PMSM 型电机。
交流感应：对于这个电机，我们扔掉了转子上的永磁体（及其越来越稀缺的稀土材料），并保持交流电流流过定子绕组，就像上面的 PMSM 电机一样。
代表磁铁的是 Nikola Tesla 于 1888 年获得专利的概念：当交流电流流过定子中的各个绕组时，绕组会产生旋转的磁通量场。当这些磁力线穿过转子上的垂直绕组时，它们会感应出电流。然后这会产生另一个磁力，使转子转动。因为只有当磁场线穿过转子绕组时才会感应出这种力，所以如果转子以与旋转磁场相同（同步）的速度旋转，则转子不会受到扭矩或力的影响。
这意味着交流感应电机本质上是异步的。转子速度是通过改变交流电的频率来控制的。在轻载时，控制电机的逆变器可以降低电压以减少磁损并提高效率。在巡航期间不需要时将感应电机断电可以消除永磁电机产生的阻力，而在两个车轴上使用 PMSM 电机的双电机电动汽车必须始终为所有电机供电。BLDC 或 PMSM 设计的峰值效率可能略高，但交流感应电机通常可实现更高的平均效率。另一个小的折衷是启动扭矩略低于 PMSM。1990 年代中期的 GM EV1和大多数特斯拉都采用了交流感应电机。
磁阻电机：将“磁阻”视为磁阻：物体抵抗磁通量的程度。磁阻电机的定子具有多个电磁极——集中绕组形成高度局部化的北极或南极。在开关磁阻电机中(SRM)，转子由软磁材料制成，例如叠层硅钢，具有多个突出设计以与定子磁极相互作用。各个电磁极的开启和关闭方式与 BLDC 电机中的励磁绕组大致相同。使用不等数量的定子和转子磁极可确保某些磁极对齐（最小磁阻），而其他磁极直接位于相反的磁极之间（最大磁阻）。切换定子极性然后以异步速度拉动转子。
同步磁阻电动机（的SynRM）
不依赖于这种不平衡在转子和定子磁极。相反，SynRM 电机具有更分布的绕组，如 PMSM 设计中的正弦交流电流馈送，速度由变频驱动器调节，以及精心设计的转子，其空隙形状像磁力线，以优化磁阻。
最新趋势是将小型永磁体（通常是较简单的铁氧体）放置在其中一些空隙中，以利用磁性和磁阻转矩，同时最大限度地降低成本和反电动势（或反电动势）高速低效，而永磁体磁铁电机受到影响。
优点包括低成本、简单和高效率。缺点可能包括噪音和扭矩纹波（特别是对于开关磁阻电机）。丰田在普锐斯上引入了内部永磁同步磁阻电机 (IPM SynRM) ，而特斯拉现在在其双电机车型上将这样的电机与交流感应电机配对。特斯拉还使用 IPM SynRM 作为其后驱车型的单电机。
电动机可能永远不会像小块或平面曲柄法拉利那样唱歌。但也许，从现在起十年左右，我们会像对待那些发动机一样喜欢特斯拉格纹动力系统，每个汽车爱好者都可以详细描述它使用的电机类型。
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