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電機(jī)誕生于150年前?，F(xiàn)在，西門子正*從頭開始，重新設(shè)計適用于電動汽車的新型電機(jī)。西門子此舉著眼于提高功率密度。
這聽起來就像是發(fā)明家的夢想：一臺幾乎可以將能量轉(zhuǎn)換為動能，平穩(wěn)地加快車輛行駛速度的電機(jī)，其外形竟如此之小巧，因此無需發(fā)動機(jī)艙，而只要安裝在輪軸或車輪上。然而，這并非夢想；采用電機(jī)而非內(nèi)燃機(jī)提供動力的汽車已經(jīng)快要將之變成現(xiàn)實。
西門子工業(yè)電動汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部的開發(fā)負(fù)責(zé)人Karsten Michels博士表示，“電機(jī)堪稱*的動力總成。”盡管如此，開發(fā)電機(jī)不是件容易事。雖然西門子迄今已擁有約150年的電機(jī)制造歷史，但絕不可能隨隨便便將一款現(xiàn)貨供應(yīng)的工業(yè)電機(jī)安裝到已經(jīng)投產(chǎn)的汽車上。汽車制造商的要求十分苛刻，電機(jī)必須適于通過高度自動化的生產(chǎn)流程，安裝到成千上萬輛汽車中。這樣的電機(jī)必須具備很高的輸出功率，同時又要盡可能地輕巧。它們還必須實現(xiàn)盡可能最高的運(yùn)行效率，并且哪怕在極端溫度波動條件下也能保持正常運(yùn)行。
決定應(yīng)當(dāng)將哪個開發(fā)目標(biāo)列為重中之重，取決于汽車制造商的需求。就像汽油和柴油引擎一樣，電機(jī)也有多種不同類型。目前，汽車中使用的幾乎每一款電機(jī)都要么是電勵磁異步電機(jī)，要么是永勵磁同步電機(jī)。較之于具備同樣輸出功率的同步電機(jī)，異步電機(jī)的重量和體積增加了10%到15%左右，因而其功率密度相對略低。然而，異步電機(jī)的戰(zhàn)略優(yōu)勢在于其不要求永磁體，因為電流的流動本身就形成了磁場。不需要永磁體就意味著不需要稀土金屬如釹。這樣一來，制造異步電機(jī)的企業(yè)就不必依賴于稀土金屬的主要供應(yīng)國中國，同時也無需擔(dān)心關(guān)鍵材料價格飆升。
異步電機(jī)的一個*特征是，當(dāng)轉(zhuǎn)速很高時，其扭矩下降幅度大于同步電機(jī)。對于未來的異步電機(jī)，主要目標(biāo)是進(jìn)一步提高其功率密度。譬如，研究人員正致力于采用具備更好的磁性和機(jī)械性能的新型金屬薄板來制造電機(jī)，以及優(yōu)化其散熱系統(tǒng)。同燃燒引擎不同的是，電機(jī)的最高輸出功率比平均輸出功率高得多。譬如，一臺50千瓦電機(jī)可以輕而易舉地在短時間內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)120千瓦的功率。這種“電動增壓”特性的持續(xù)時間長度在很大程度上取決于所用散熱系統(tǒng)的類型。如今的電機(jī)都包裹著一層水外套。更好的散熱方法或許是直接在電機(jī)內(nèi)部吸收額外的熱量。而在旋轉(zhuǎn)的電機(jī)中蛇形盤繞水管的想法，并不像聽起來那么危險。Michels說：“我們執(zhí)行的電機(jī)試驗表明，可以在電動汽車中做到這一點(diǎn)。” 異步電機(jī)將受益于這種方法，因為這能更有效地為其載流轉(zhuǎn)子散熱。
Furtive eGT采用的電機(jī)具備刷新紀(jì)錄的效率。Tilo Moser和Franz Wagner正在試驗床上對其動力總成進(jìn)行性能檢驗。
高達(dá)近97%的效率。毫無疑問，永勵磁同步電機(jī)是性能的電機(jī)。其能效已經(jīng)接近于97%。在同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動總是與定子形成的磁場保持精確*，這意味著不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)差率。其電損耗也低于異步電機(jī)。因此，只要能最大限度地減少其稀土金屬使用量，這種電機(jī)就能贏得開發(fā)工程師的青睞。實現(xiàn)這一點(diǎn)的途徑之一是，利用能夠在部分負(fù)荷下像永磁電機(jī)那樣運(yùn)行，同時亦能利用磁場的單獨(dú)勵磁滿足較高輸出功率要求的混合型電機(jī)。
電動汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部不僅想要開發(fā)新的電機(jī)技術(shù)，他們也想優(yōu)化整個動力總成。其目標(biāo)是，通過針對汽車的要求，改良成熟的工業(yè)傳動系統(tǒng)技術(shù)，開展客戶定制項目。用于將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)運(yùn)行所需的交流電的換流器，特別適合這種開發(fā)方式。換流器還為儲蓄電機(jī)在發(fā)電機(jī)模式下工作時將制動能量轉(zhuǎn)換而得的電能創(chuàng)造了可能。Michels指出，“在這一點(diǎn)上，工業(yè)應(yīng)用與汽車應(yīng)用的要求差距甚至比對電機(jī)的要求差距還要大。”
首先，電動汽車所配備的沉重的電池，令每一公斤重量和每一升容量都成為了一個主要問題。汽車換流器的使用壽命約為8,000個小時，比工業(yè)換流器的使用壽命短，并且汽車換流器必須既能承受低溫，又耐得住酷熱。工業(yè)換流器通常采用風(fēng)冷散熱，但汽車應(yīng)用所需的功率密度只能靠水冷解決方案來實現(xiàn)。Michels解釋道，“不管怎樣，工業(yè)換流器都為我們打下了很好的基礎(chǔ)，特別是就控制準(zhǔn)確度和總體精確度而言。我們還能充分發(fā)揮西門子多年來在調(diào)節(jié)多軸機(jī)床方面積累的廣博的電機(jī)控制技術(shù)專長。”
當(dāng)電動汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部在開發(fā)適于大規(guī)模用于電動汽車的動力總成的同時，慕尼黑西門子中央研究院（CT）的Tilo Moser博士也在試驗動力總成技術(shù)的局限性。Moser是Furtive eGT的動力總成的開發(fā)者之一。這輛由法國Exagon公司制造的電動汽車，已經(jīng)在賽道上展示了這個凝結(jié)著他的無數(shù)心血的動力總成的非凡性能——實現(xiàn)了高達(dá)300千瓦的輸出功率和500牛米以上的扭矩。這樣的性能歸功于安裝在后車軸上的兩臺電機(jī)，而燃燒引擎若要實現(xiàn)類似的性能，則需要一臺大型8缸汽油引擎。動力單元的最高限速為250公里/小時，這并非由于它不能以更快的速度推進(jìn)汽車，而是因為這樣做能延長電池的使用壽命。
開始時，Moser和他在西門子中央研究院的同事將其完整的電動動力總成裝配到一輛原型車上。這輛汽車高達(dá)2.6千瓦/公斤的功率密度令Exagon公司深為震撼，因此該公司請西門子為這款已經(jīng)投產(chǎn)并計劃于2013年底發(fā)布的汽車開發(fā)組件。
現(xiàn)在，電動汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部與西門子中央研究院正在密切合作，Moser擔(dān)任技術(shù)項目經(jīng)理，F(xiàn)ranz Wagner博士則負(fù)責(zé)監(jiān)管整個項目。Wagner解釋道，“在這方面，我們的優(yōu)勢是，該項目讓我們有機(jī)會將當(dāng)今的技術(shù)推向，哪怕同時要確保投產(chǎn)汽車的質(zhì)量。”不僅永磁電機(jī)的功率密度將大幅提高，動力總成的能效也將得到進(jìn)一步提升，達(dá)到96%左右。西門子的開發(fā)人員通過綜合采取多項舉措，包括使用特殊磁性材料，以及以最大限度地減輕能量損耗為出發(fā)點(diǎn)，調(diào)整其形狀和布局方式等，實現(xiàn)了這個刷新紀(jì)錄的性能值。
在未來的項目中，電動汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部將采取其他新思路。譬如，現(xiàn)在他們正在研究面向感應(yīng)式電池充電的無線解決方案——就像當(dāng)今的電動牙刷所使用的技術(shù)那樣。西門子中央研究院開發(fā)了這些解決方案的基礎(chǔ)技術(shù)，并已在試驗成功之后，將這些技術(shù)傳給了電動汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部。未來，功率電子元件和電機(jī)也將被用于打造緊湊式電機(jī)/動力總成裝置。Michels說：“我們面臨著許多選擇，需要逐一考察。”
凡是能夠減輕電動汽車的重量，提高其效率，改善其舒適度的技術(shù)，都有利于電動汽車在市場上更快取得成功。據(jù)國際能源署預(yù)測，到2030年，汽車生產(chǎn)量將達(dá)到1.2億輛以上，其中半數(shù)為電動汽車。這相當(dāng)于電機(jī)的全球銷量將達(dá)到至少6,000萬臺，何況許多汽車實際將配備不止一臺動力總成電機(jī)。