您最後一次停下來思考電動汽車的實際工作原理是什麼時候？我們汽車行業的超級粉絲大多已經對燃燒動力系統的工作原理有了合理的理解。我們大多數人都可以想象燃料和空氣進入燃燒室、爆炸、向下推動活塞以及旋轉曲軸，最終使車輪轉動。我們通常瞭解直列式、扁平式、V 形甚至汪克爾轉子內燃機之間的區別。

諸如此類的機械工程概念相對容易理解。但可以打賭，只有少數閱讀本文的人可以在餐巾紙上準確解釋隱形電子如何轉動汽車車輪，或者永磁電機與交流感應電機有何不同。電氣工程對於汽車瘋子來說似乎是黑魔法和巫術，所以是時候揭開這個大膽的電動汽車新世界的神秘面紗了。

新能源汽車的工作原理：電機

它與磁性以及電場和磁場之間的自然相互作用有關。當電路閉合允許電子沿著電線移動時，這些移動的電子會產生一個完整的帶有北極和南極的電磁場。當這種情況發生在另一個磁場的存在下時——無論是來自不同批次的高速電子還是來自 Wile E. Coyote 的巨型 ACME 馬蹄形磁鐵，這些相反的磁極會相互吸引，而相同的磁極會相互排斥。

電動機的工作原理是將一組磁鐵或電磁鐵安裝到軸上，將另一組安裝到圍繞該軸的外殼上。透過週期性地反轉一組電磁體的極性（交換北極和南極），電機利用這些吸引力和排斥力來旋轉軸，從而將電力轉化為扭矩並最終轉動車輪。相反——如在再生制動的情況下——這些磁力/電磁力可以將運動轉化為電能。

交流還是直流？

供應到您家的電力以交流電 (AC) 的形式到達，之所以如此稱呼是因為電源的北/南或正/負極性每秒變化（交替）60 次。（也就是說，在美國和其他以 110 伏電壓執行的國家/地區；採用 220 伏標準的國家/地區通常使用 50 赫茲交流電。）直流電 (DC) 是流入和流出每個電池。如上所述，電機需要交流電才能旋轉。沒有它，電磁力只會將它們的北極和南極鎖定在一起。正是不斷切換南北的迴圈使電機保持旋轉。

今天的電動汽車旨在管理車載交流和直流能源。電池儲存和分配直流電流，但同樣，電機需要交流電。為電池充電時，能量在 1 級和 2 級充電期間作為交流電流進入車載充電器，在 3 級“快速充電器”中作為直流高壓電流進入。複雜的電力電子裝置（我們不會在這裡解釋）處理多個板載 AC/DC 轉換，同時將電壓從 100 到 800 伏的充電電源升壓到 350 到 800 伏的電池/電機系統電壓到許多需要 12-48 伏直流電的車輛照明、資訊娛樂和底盤功能。

什麼型別的電機？

直流電機（有刷）：是的，我們剛才說交流使電機運轉，這些為 1900 年代早期電動汽車提供動力的老式電機也不例外。來自電池的直流電流透過彈簧載入的碳或鉛“刷子”傳送到轉子繞組，這些“刷子”為連線到線繞組的旋轉觸點提供能量。每旋轉幾度，電刷就會為一組新的觸點供電；當電機軸轉動時，這會不斷反轉轉子上電磁鐵的極性。（這個觸點環稱為換向器）。

圍繞轉子電磁繞組的外殼通常具有永磁體。（“串聯直流”或所謂的“通用電機”可以使用電磁定子。）優點是初始成本低、可靠性高、電機易於控制。改變電壓可調節電機速度，而改變電流可控制其扭矩。缺點包括較低的使用壽命以及維護電刷和觸點的成本。除了一些印度鐵路機車外，這種電機今天很少用於運輸。

無刷直流電機 (BLDC)：透過將永磁體移到轉子上，將電磁鐵放置在定子（外殼）上，並使用外部電機控制器將各種勵磁繞組從正繞組交替切換到負繞組，消除了電刷及其維護，從而產生旋轉磁場。

優點是使用壽命長、維護成本低和效率高。缺點是更高的初始成本和更復雜的電機速度控制器，通常需要三個霍爾效應感測器才能正確確定定子繞組電流的相位。定子繞組的切換會導致“轉矩脈動”——傳遞的轉矩週期性地增加和減少。這種型別的電機在電動腳踏車和踏板車等小型車輛中很受歡迎，並且用於一些輔助汽車應用，如電動助力轉向輔助。

永磁同步電機 (PMSM)：在物理上，BLDC 和 PMSM 電機看起來幾乎相同。兩者都在轉子上具有永磁體，在定子中具有勵磁繞組。關鍵區別在於，PMSM 不是使用直流電流和週期性地開啟和關閉各種繞組來旋轉永磁體，而是在連續正弦交流電流下工作。這意味著它沒有扭矩波動，只需要一個霍爾效應感測器來確定轉子速度和位置，因此它更高效、更安靜。

“同步”一詞表示轉子以與繞組中磁場相同的速度旋轉。其最大的優勢在於其功率密度和強大的啟動扭矩。任何帶有旋轉永磁體的電機的一個主要缺點是，它在不高速供電時會產生“反電動勢”（EMF），這會導致阻力和熱量使電機退磁。這種電機型別在動力轉向和制動系統中也有一些作用，但它已成為當今大多數電池電動汽車和混合動力汽車的首選電機設計。

請注意，大多數永磁電機的南北軸線都垂直於輸出軸。這會產生“徑向（磁）通量”。一類新的“軸向通量”電機使磁鐵的 NS 軸平行於軸定向，通常位於將固定定子繞組夾在中間的成對圓盤上。這些所謂的“扁平電機”的緊湊、高扭矩軸向磁通方向可應用於 BLDC 或 PMSM 型電機。

交流感應：對於這個電機，我們扔掉了轉子上的永磁體（及其越來越稀缺的稀土材料），並保持交流電流流過定子繞組，就像上面的 PMSM 電機一樣。

代表磁鐵的是 Nikola Tesla 於 1888 年獲得專利的概念：當交流電流流過定子中的各個繞組時，繞組會產生旋轉的磁通量場。當這些磁力線穿過轉子上的垂直繞組時，它們會感應出電流。然後這會產生另一個磁力，使轉子轉動。因為只有當磁場線穿過轉子繞組時才會感應出這種力，所以如果轉子以與旋轉磁場相同（同步）的速度旋轉，則轉子不會受到扭矩或力的影響。

這意味著交流感應電機本質上是非同步的。轉子速度是透過改變交流電的頻率來控制的。在輕載時，控制電機的逆變器可以降低電壓以減少磁損並提高效率。在巡航期間不需要時將感應電機斷電可以消除永磁電機產生的阻力，而在兩個車軸上使用 PMSM 電機的雙電機電動汽車必須始終為所有電機供電。BLDC 或 PMSM 設計的峰值效率可能略高，但交流感應電機通常可實現更高的平均效率。另一個小的折衷是啟動扭矩略低於 PMSM。1990 年代中期的 GM EV1和大多數特斯拉都採用了交流感應電機。

磁阻電機：將“磁阻”視為磁阻：物體抵抗磁通量的程度。磁阻電機的定子具有多個電磁極——集中繞組形成高度區域性化的北極或南極。在開關磁阻電機中(SRM)，轉子由軟磁材料製成，例如疊層矽鋼，具有多個突出設計以與定子磁極相互作用。各個電磁極的開啟和關閉方式與 BLDC 電機中的勵磁繞組大致相同。使用不等數量的定子和轉子磁極可確保某些磁極對齊（最小磁阻），而其他磁極直接位於相反的磁極之間（最大磁阻）。切換定子極性然後以非同步速度拉動轉子。

同步磁阻電動機（的SynRM）

不依賴於這種不平衡在轉子和定子磁極。相反，SynRM 電機具有更分佈的繞組，如 PMSM 設計中的正弦交流電流饋送，速度由變頻驅動器調節，以及精心設計的轉子，其空隙形狀像磁力線，以最佳化磁阻。

最新趨勢是將小型永磁體（通常是較簡單的鐵氧體）放置在其中一些空隙中，以利用磁性和磁阻轉矩，同時最大限度地降低成本和反電動勢（或反電動勢）高速低效，而永磁體磁鐵電機受到影響。

優點包括低成本、簡單和高效率。缺點可能包括噪音和扭矩紋波（特別是對於開關磁阻電機）。豐田在普銳斯上引入了內部永磁同步磁阻電機 (IPM SynRM) ，而特斯拉現在在其雙電機車型上將這樣的電機與交流感應電機配對。特斯拉還使用 IPM SynRM 作為其後驅車型的單電機。

電動機可能永遠不會像小塊或平面曲柄法拉利那樣唱歌。但也許，從現在起十年左右，我們會像對待那些發動機一樣喜歡特斯拉格紋動力系統，每個汽車愛好者都可以詳細描述它使用的電機型別。