電動(dòng)車電機(jī)與傳統(tǒng)燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)比分析

青島市技師學(xué)院 王 展

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)是傳統(tǒng)燃油車的心臟，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能也是傳統(tǒng)燃油車制造的核心技術(shù)。對(duì)于電動(dòng)車，電機(jī)則是電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)之一，它在電動(dòng)車上的作用類似傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)，但電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)在基本物理特性方面存在很多不同之處。本文通過(guò)對(duì)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式和特性進(jìn)行對(duì)比分析，能進(jìn)一步掌握電動(dòng)車的特點(diǎn)，為電動(dòng)車的性能優(yōu)化及故障檢修提供參考。

1 傳統(tǒng)燃油車和電動(dòng)車的對(duì)比分析

電動(dòng)車的原始能量是電能，燃油車的原始能量是燃油。從原始能量出發(fā)到經(jīng)過(guò)各大系統(tǒng)最終傳遞給驅(qū)動(dòng)車輪，能量經(jīng)過(guò)了層層轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中必然有能量的損失。根據(jù)研究資料顯示，傳統(tǒng)燃油車原油提煉效率約為92%，燃油輸送效率約為98%，發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率約為9.6%。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到，燃油車的能量轉(zhuǎn)換總效率約為8.65%。電動(dòng)車發(fā)電效率約為53%，輸電效率約為96%，充電效率約為85%，電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率約為80%。計(jì)算得出電動(dòng)車的能量轉(zhuǎn)換總效率約為34.6%。由此可見(jiàn)，燃油車對(duì)原始能量的利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電動(dòng)車。另外，燃油的生產(chǎn)和運(yùn)輸也要比電能更為復(fù)雜。綜合來(lái)看，電動(dòng)車要比燃油車更節(jié)能。但是，電動(dòng)車和傳統(tǒng)燃油車相比，仍存在不足。

（1）充電時(shí)間較長(zhǎng)。由于受到當(dāng)前新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展制約，充電樁未能像加油站一樣遍布城市鄉(xiāng)村的各個(gè)角落。因此，電動(dòng)車的充電不可能像燃油車加油一樣方便快捷。并且電動(dòng)車一次充滿電需要的時(shí)間較長(zhǎng)，電能的儲(chǔ)存和輸送都沒(méi)有燃油方便。但這并非電機(jī)本身的問(wèn)題，主要是受相關(guān)配套設(shè)施的影響。

（2）續(xù)航里程較短。由于發(fā)動(dòng)機(jī)所加的燃油比較輕，通常幾十升燃油就能夠讓車輛行駛較遠(yuǎn)的路程。而電能則必須使用電池或者電容來(lái)存儲(chǔ)，若要和燃油儲(chǔ)存同樣多的能量，則需要教大的附加質(zhì)量。此外，加滿燃油的燃油車通常能行駛400 km～500 km，而電動(dòng)車一次充滿電的續(xù)航里程最多能實(shí)現(xiàn)前者的50%。若想獲取更強(qiáng)的續(xù)航能力，則需要增加動(dòng)力電池的容量。這也并非電機(jī)本身的問(wèn)題，主要是動(dòng)力電池的儲(chǔ)能水平限制了電動(dòng)車的發(fā)展。

（3）不能直接利用熱能進(jìn)行取暖。傳統(tǒng)燃油車冬季車廂內(nèi)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱來(lái)取暖的。而電動(dòng)車的電機(jī)雖然也會(huì)發(fā)熱，也需要加裝專門的冷卻裝置，但其散發(fā)的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到冬季空調(diào)取暖所需要的熱量，這就需要另外配備加熱器來(lái)取暖。

2 電動(dòng)車電機(jī)與傳統(tǒng)燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比分析

傳統(tǒng)燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)將燃燒的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能輸出，在日常生活中并不多見(jiàn)。電機(jī)是將電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，再將磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能來(lái)工作的，在日常生活中隨處可見(jiàn)。幾乎所有的家電產(chǎn)品都用到了電機(jī)，甚至傳統(tǒng)的燃油車上也用到了近100個(gè)電機(jī)。電機(jī)作為電動(dòng)車的動(dòng)力來(lái)源，對(duì)控制技術(shù)要求更高，比發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的可塑性和更大的優(yōu)勢(shì)。電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換效率、維護(hù)等各方面的比較見(jiàn)表1所列。

（1）T-N特性比較。如果用橫坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)矩，就可以繪制出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速特性（T-N）圖。轉(zhuǎn)速衡量輸出動(dòng)力的速度，轉(zhuǎn)矩是力與旋轉(zhuǎn)半徑的乘積，用來(lái)衡量輸出動(dòng)力的大小。從某款車采用電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，在同樣的最大輸出功率下，電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的2倍。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)可以在低速狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩，說(shuō)明其比傳統(tǒng)燃油車具有更優(yōu)的起步和加速性能。

（2）動(dòng)力性能比較。對(duì)比分析發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的T-N特性，二者之間的差異比較大，但也并不能只從T-N特性就能判斷車輛本身的動(dòng)力性能。因?yàn)檐囕v在行駛過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速是時(shí)刻動(dòng)態(tài)變化的。例如，爬坡工況需要低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，高速工況需要高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩。因此，在不同的工況下比較電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能，才能體現(xiàn)二者的動(dòng)力性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)要想實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩和高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的特性，必須配合使用復(fù)雜的變速裝置。而電機(jī)則可以通過(guò)編輯控制程序，控制流經(jīng)電機(jī)線圈的相電流來(lái)建立特性曲線。因此電動(dòng)車在變速裝置的設(shè)計(jì)上可以簡(jiǎn)化，往往只需要配合適當(dāng)?shù)臏p速器就可以得到需要的行駛性能，并不要經(jīng)過(guò)齒輪換擋，避免了齒輪變速過(guò)程中的能量損失。

（3）轉(zhuǎn)速利用范圍比較。對(duì)傳統(tǒng)燃油車來(lái)說(shuō)，需要等到空氣與燃油充分混合之后，才能在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中進(jìn)行有規(guī)律地燃燒和爆發(fā)，進(jìn)而推動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0 r/min的時(shí)候，可燃混合氣不會(huì)燃燒，轉(zhuǎn)矩輸出應(yīng)為零。而四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞在每個(gè)工作循環(huán)里點(diǎn)火1次，持續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩。從這個(gè)角度看，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。而實(shí)際情況是，發(fā)動(dòng)機(jī)在1 000 r/min以下的轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，卻難以畫出其特性曲線，則說(shuō)明此區(qū)間發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，不能正常使用。同樣，在6 000 r/min以上的轉(zhuǎn)速區(qū)域由于轉(zhuǎn)速過(guò)快也無(wú)法正常使用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速區(qū)域較狹窄，很難擴(kuò)展。隨著速度的提高，轉(zhuǎn)矩會(huì)下降。而電機(jī)在這一點(diǎn)上要優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)。電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了它的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)特性，還可以通過(guò)控制器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，電機(jī)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制獲得超出特性曲線的性能。只要提高輸入電壓，就可以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

表1 電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的比較

綜上所述，作為電動(dòng)車核心技術(shù)之一的電機(jī)，與傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在使用上各有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。而在能量使用率及能量特性上，電機(jī)要優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)。具體來(lái)說(shuō)，電機(jī)比發(fā)動(dòng)機(jī)更節(jié)能，在T-N特性及轉(zhuǎn)速利用范圍上要優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)。