前段時間,極氪推出了一款高性能版本 001 FR,在四顆電機的加持下,跑出了 2 秒出頭的加速和 280km/h 的極速,刷新了不少人對高性能電車的認知。
不過,很多人也就此認爲,想要做高性能電車,隻需要無腦增加電機就可以了,這種方法甚至比研發高性能油車還要簡單無腦。事實真是如此嗎?
電機:數量≠質量
有一點得承認,電機的數量确實和電車的性能有一定關系,比如雙電機版車型普遍比單電機版性能高。
而在雙電機之上,又有三電機的特斯拉 Model S Plaid、Lucid Air Sapphire 這樣更強悍的性能怪物。
但從三電機布局開始,高性能電車對電機的要求也開始全方位提升,這導緻車企不能再簡單靠增加電機數量來提升電車性能了。
功率密度
油車講究升功率,電車講究功率密度。
功率密度的大小取決于兩點,其一是功率本身,其二則是電機重量。電機功率越大&重量越輕,功率密度越大。
比如蔚來 ET7,它的後感應電機的功率密度爲 2.22kW/kg,而采用後軸雙永磁電機的特斯拉 Model S Plaid 則爲 2.96kW/kg。
對比之下,極氪 001 FR 的後軸雙永磁電機直接幹到了 4.4kW/kg,這可是對衆多技術、工藝、材料優化後才得到的成績。
比如其轉子采用了六磁極雙 V的設計,其中磁極數量對應電機轉速高低,雙 V 則是爲了增加磁通量,而磁通量越大電流越大,相當于輸出功率也越大。
而定子内部則做了 6 層扁線繞組,雖然數量上不及特斯拉的 10 層扁線,但同樣可以最大化槽滿率,而槽滿率越高,電機的功率也就越高。
另外,極氪 001 FR 的電驅系統還升級了 SiC 功率半導體,這又幫助整個電驅系統實現了一定程度的輕量化,也對功率密度的提升起到了幫助。
這使得極氪 001 FR 的前、後雙電機電驅系統的重量分别達到了 121kg 和 140kg,而它們倆的峰值功率分别爲 310kW 和 620kW。
作爲對比,蔚來 ET7 後感應電機電驅系統的重量爲 135kg,峰值功率 " 僅有 "300kW,是不是對比非常明顯了?
當然,如果隻論功率密度,定位高性能的極氪 001 FR 也不是最高的,比如飛凡 F7 的永磁電機功率密度就達到了 7.2kW/kg,它在電機工藝、材料和技術上的投入并比極氪更高,不過篇幅有限,這裏就不展開了。
高轉速
在沒有變速箱的前提下,電車的極速和電機轉速正相關,但更高的轉速就需要轉子承載更大的電流,對轉子的材料強度有很大壓力。
這點可以參考智己 LS6。它的後永磁電機的峰值功率爲 400kW,最高轉速 21000rpm,極速 252km/h,而這主要得益于 800V 和 SiC 功率半導體的應用。
800V 的作用很好理解,因爲電壓平台升高了,帶動了整顆電機功率的上升,并且電機電軸的性能也能伴随提升。
使用了 SiC 功率半導體的元器件有着高頻率的特點,類似一個閑不下來的急性子,所以這也給了電機提升轉速的機會。
另外,由于高性能電機都在追求輕量化和小型化,所以在轉子尺寸縮小的同時,強度也受到了影響,這又導緻在承受高轉速時,會有解體的風險。
對此,特斯拉 Model S Plaid 和極氪 001 FR 都對轉子包裹了一層輕量化、高強度的碳纖維外殼,這樣就能維持住轉子結構不變形。
智己據說也有一顆雪藏的高性能永磁電機,也會用到碳纖維轉子外殼,而它的峰值功率據說能接近 500kW。
散熱
如果說家用電車可以靠限制性能規避散熱壓力,那麽高性能電車就隻能硬着頭皮上了。
高性能電車的散熱壓力主要來源于兩點,第一是極速性能,因爲沒有變速箱,極速和電機轉速直接挂鈎。
第二是加速性能,因爲電機的扭矩在轉速中段之後就開始下降了,而此時車子的時速往往不低,既要驅動笨重的車身,又要抵抗更高的風阻,壓力屬實不小。
在過去,電機散熱主要依靠液冷,但這種冷卻方式類似于 " 隔靴搔癢 ",比較治标不治本。所以如今追求性能與效率的電車往往都使用油冷散熱。
而油冷技術的難點主要在于,如何給精密的電機結構内部增加冷卻管路,并且保證這些管路是能夠深入到散熱核心的,這就對電機的制造工藝提出了很高的要求。
比如主流的定、轉子雙油冷技術,在定子鐵芯内做一圈油液管路,轉子軸内部空心,也做出油液管路,這樣就能把電機内部的熱量傳遞出來。
另外,包括極氪、智己等車企還推出了" 直瀑油冷 " 技術,也就是在定子 + 轉子油冷的基礎上,能夠把油液噴淋到定子的扁線繞組上,更進一步提升散熱。
更高的放電倍率
很多人可能不知道,電車想要做到高性能,并不能隻堆砌電機性能,如果電池的放電倍率達不到要求,那麽電機的峰值功率再高也沒用。
這就好比一個專業跑步運動員,雖然他的肺活量更大,但如果讓他在空氣稀薄的地方跑步,他也沒法發揮全力。
對比充電倍率,放電倍率确實是個冷門概念,因爲大家普遍還是更關注電車的續航問題。通常來說,電池的充電倍率和放電倍率是差不多大的。
但在高性能電車領域,這條常識肯定行不通,而車企一般也沒有公布放電倍率的習慣,所以具體數值如何,隻能自己估算猜測。
比如極氪 001 FR 的放電倍率,不太負責的講,我個人估算應該能達到 10C,因爲它的電池容量爲 100kWh,而四電機的綜合峰值功率達到了 930kW。
不過更高的放電倍率也會給電池帶來更多技術和安全層面的難點,比如電池在放電時也會大量産生熱量,需要更高效散熱和熱管理系統控制。
另外,比如高性能車常見的 " 蹦直線 " 和 " 跑賽道 ",這兩種場景會讓電池電壓在短時間内快速降低,而在放電低于額定電壓之後,就有可能出現過放電,從而使電池内電阻增加、電化學性能下降,進而直接影響到電池壽命。
這就需要高性能電車的車企在電池材料、技術、工藝上投入更多成本和精力。
電控:更複雜的矢量控制
電機數量的增加和性能的上漲,對電控系統帶來的壓力和技術難點同樣很大。
例如極氪 001 FR 和仰望 U8,由于四顆電機獨立驅動四個車輪,相當于要配備四組電驅模塊,硬件成本和體積相對更高了。
雖然四個車輪都交由對應的獨立電機驅動了,但管理四輪扭矩分配的矢量控制系統,就需要有相當大的計算量和計算效率。
這就相當于讓一個人同時炒四盤菜一樣,雖然聽起來效率極高,但如果對每盤菜的火候和節奏掌握不好,不僅菜會炒糊,甚至人都會崩潰。
另外,高性能電車電池 " 快充更快放 " 的特性,也更需要電控去操心它的安全和壽命。
比如如何保證電池電芯的一緻性。電車的電池實際是用很多小電芯組合起來的,所以想讓電池安全且長壽,就得保證這些電芯在充電和放電時,都能 " 一碗水端平 "。
但如果電控不給力,部分電芯就會在放電時被更快地消耗,尤其是高性能電車這種放電大戶,可能一腳 " 油門 " 下去,你電池裏的某幾個電芯就提前退休了。
總結
除了三電以外,高性能電車實際還有很多難點,比如在激烈駕駛時會産生比高性能油車更誇張的 G 值,需要在車身結構、懸架形式和材料上進行調整和升級;另外更大的輪端扭矩和車輛自重也會給輪胎多重壓力,又需要車企聯合供應商研發更高性能的輪胎。
所以對電車來說,想要做到高性能,其難度并不比油車簡單,靠 " 碼電機 " 實現高性能的說法,自然更靠不住腳。
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