電動車電機與傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機的對比分析

青島市技師學(xué)院 王 展

眾所周知，發(fā)動機是傳統(tǒng)燃油車的心臟，發(fā)動機的性能也是傳統(tǒng)燃油車制造的核心技術(shù)。對于電動車，電機則是電動車的關(guān)鍵技術(shù)之一，它在電動車上的作用類似傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機，但電機與發(fā)動機在基本物理特性方面存在很多不同之處。本文通過對電機與發(fā)動機的驅(qū)動方式和特性進行對比分析，能進一步掌握電動車的特點，為電動車的性能優(yōu)化及故障檢修提供參考。

1 傳統(tǒng)燃油車和電動車的對比分析

電動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)過各大系統(tǒng)最終傳遞給驅(qū)動車輪，能量經(jīng)過了層層轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化的過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)動機能量轉(zhuǎn)換效率約為9.6%。經(jīng)過計算可得到，燃油車的能量轉(zhuǎn)換總效率約為8.65%。電動車發(fā)電效率約為53%，輸電效率約為96%，充電效率約為85%，電機能量轉(zhuǎn)換效率約為80%。計算得出電動車的能量轉(zhuǎn)換總效率約為34.6%。由此可見，燃油車對原始能量的利用率遠遠低于電動車。另外，燃油的生產(chǎn)和運輸也要比電能更為復(fù)雜。綜合來看，電動車要比燃油車更節(jié)能。但是，電動車和傳統(tǒng)燃油車相比，仍存在不足。

（1）充電時間較長。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)村的各個角落。因此，電動車的充電不可能像燃油車加油一樣方便快捷。并且電動車一次充滿電需要的時間較長，電能的儲存和輸送都沒有燃油方便。但這并非電機本身的問題，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)動機所加的燃油比較輕，通常幾十升燃油就能夠讓車輛行駛較遠的路程。而電能則必須使用電池或者電容來存儲，若要和燃油儲存同樣多的能量，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，而電動車一次充滿電的續(xù)航里程最多能實現(xiàn)前者的50%。若想獲取更強的續(xù)航能力，則需要增加動力電池的容量。這也并非電機本身的問題，主要是動力電池的儲能水平限制了電動車的發(fā)展。

（3）不能直接利用熱能進行取暖。傳統(tǒng)燃油車冬季車廂內(nèi)是利用發(fā)動機的余熱來取暖的。而電動車的電機雖然也會發(fā)熱，也需要加裝專門的冷卻裝置，但其散發(fā)的熱量遠遠達不到冬季空調(diào)取暖所需要的熱量，這就需要另外配備加熱器來取暖。

2 電動車電機與傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機對比分析

傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機將燃燒的熱能轉(zhuǎn)化為動能輸出，在日常生活中并不多見。電機是將電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，再將磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽軄砉ぷ鞯模谌粘Ｉ钪须S處可見。幾乎所有的家電產(chǎn)品都用到了電機，甚至傳統(tǒng)的燃油車上也用到了近100個電機。電機作為電動車的動力來源，對控制技術(shù)要求更高，比發(fā)動機具有更高的可塑性和更大的優(yōu)勢。電機和發(fā)動機在能量轉(zhuǎn)換效率、維護等各方面的比較見表1所列。

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

（2）動力性能比較。對比分析發(fā)動機和電機的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力性能。因為車輛在行駛過程中，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速是時刻動態(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和發(fā)動機的綜合性能，才能體現(xiàn)二者的動力性能。

發(fā)動機要想實現(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。而電機則可以通過編輯控制程序，控制流經(jīng)電機線圈的相電流來建立特性曲線。因此電動車在變速裝置的設(shè)計上可以簡化，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)過齒輪換擋，避免了齒輪變速過程中的能量損失。

（3）轉(zhuǎn)速利用范圍比較。對傳統(tǒng)燃油車來說，需要等到空氣與燃油充分混合之后，才能在發(fā)動機氣缸中進行有規(guī)律地燃燒和爆發(fā)，進而推動活塞在氣缸內(nèi)做上下往復(fù)運動，連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為0 r/min的時候，可燃混合氣不會燃燒，轉(zhuǎn)矩輸出應(yīng)為零。而四沖程發(fā)動機的活塞在每個工作循環(huán)里點火1次，持續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩。從這個角度看，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。而實際情況是，發(fā)動機在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，則說明此區(qū)間發(fā)動機轉(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)速過快也無法正常使用。實驗數(shù)據(jù)顯示，發(fā)動機的最佳轉(zhuǎn)速區(qū)域較狹窄，很難擴展。隨著速度的提高，轉(zhuǎn)矩會下降。而電機在這一點上要優(yōu)于發(fā)動機。電機的結(jié)構(gòu)決定了它的驅(qū)動電壓和驅(qū)動特性，還可以通過控制器來進行調(diào)節(jié)。因此，電機可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制獲得超出特性曲線的性能。只要提高輸入電壓，就可以提高電機的轉(zhuǎn)速。

表1 電機和發(fā)動機的比較

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