阁下的AE86固然很快，但电动汽车能5秒破百

不知道大家伙有没有这样的经历：出门儿打车，不出意外的话，又会是一辆绿牌儿的新能源车。

师傅说：“请您系好安全带儿！”

然后，呼之而来的就是一脚油门带来的推背感！  

回想起几年前还在QQ飞车里，狼狈地找准时机按下“超级起步”，哪想到今天也可以一脚体验到现实版QQ飞车了，QQ飞车诚不欺我。

不得不说，电动汽车在最近十年的发展，就像它的破百一样快，不仅得到国家的战略支持，也受益于锂电池在高比能、长循环、安全性等性能上的突破。作为搞电池的小编不得不说，最近几年电池的文章真的是多（卷）到爆炸。

前几年网友还在吐槽：谁买谁大冤种，现在真就是真香警告。

不过同样是四轮汽车，在油车里只有为数不多的超级跑车可以做到五秒破百，而现在的电动汽车却可以轻松实现呢？

外号秋名山车神的小编也是很好奇，查了一圈发现，答案其实很简单：因为电动汽车它用电啊。

换句话说：电动汽车的加速和它特有的电机构造有关。电动汽车有三个主要的构造，俗称“三电”，即电池，电机和电控。电池就是整车的能量来源，好比燃油汽车的油箱；电机提供机械动力（转矩），类比于（多冲程）内燃机；电控就是夹在二者之间用来调速制动的。而汽车的零跑加速，最需要的就是电机在低转速时所提供的电磁转矩，大转矩才可以实现汽车的超快加速。

那么电动汽车的电机究竟是什么高科技？请跟随小编来一探究竟。

永磁同步电机

首先，目前我国大部分电动汽车厂商采用的是性能较好的永磁同步电机，它的制造材料需要稀土元素，因而造价成本比较高，但是稀土元素恰恰是我国富有的（地大物博就是好）。也有一些厂商采用交流异步电机，今天我们就拿主流的永磁同步电机拆解一下：

图片来源：HIFIC

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor， 简称PMSM），顾名思义就是利用永磁体来提供电机工作所需要的磁场，同步指的是转子和定子产生的磁场同步。而选择永磁材料，是因为它去掉外磁场后仍能长期保持很强的磁性，可以用来简化电机的结构，如下图：

plz忽视水印  图片来源：鹏芃科艺

PMSM的构件主要包含定子和转子，一般按照“3相4极”布置。定子包括定子铁芯和围绕在定子铁芯周围的3相定子绕组。转子包括转子铁芯和4极永磁体，有时还有转子铁芯上缠绕的笼型绕组。

定子：旋转磁场

图片来源：鹏芃科艺

定子的三相ABC绕组在铁芯槽呈交替分布，三相ABC的电流电角度相差120度，目的是在稳态运行时产生平稳的旋转磁场，我们用下图进行演示：

当我们分别单独在A、B、C相通入电流时，定子绕组分别会产生下图第一行的磁场，右手安培定则就可以得到：

动图来源：Mahmoud Riaz课题组网站

前面我们提到三相电角度相差120度：即先给A相通电，等A相电压波形“摆”了三分之一周期再给B相通电，等B相电压又“摆”了三分之一周期给C相通电，就得到了一个旋转的磁场，如第二行右图所示。

转子：电磁转矩

PMSM与普通异步电动机的不同点在于转子的结构，PMSM在转子上安装有永磁体磁极，一般是4极。其在转子中的分布有很多种，主要分为凸出式，表面嵌入式和内部嵌入式三种：

图片来源：鹏芃科艺

我们用径向嵌入式的永磁极进行介绍，磁极的极性与磁通走向见下图，这是一个4极转子，在转子铁芯上产生四个恒定的磁通。

图片来源：鹏芃科艺

根据磁阻最小原理，磁通总是沿着磁导最小的路径闭合，从而产生磁引力，进而形成磁阻性质的电磁转矩。当定子产生旋转磁场时，其内部磁通分布发生变化，转子磁极会在磁引力下，跟随定子产生的旋转磁场旋转，进而拉动转轴旋转，这就是电机转矩的来源。

PMSM物理模型

借鉴一篇文献^[5]，对理想的三相PMSM进行模型分析，即先不考虑各种电损耗：

图片来源：文献[5]

PMSM采用凸出式磁极，永磁磁极直轴d位于磁极整个长度的最大磁通密度线上，即磁极的中心，q轴超前d轴90度的电角度，d，q轴固定在转子上并随转子旋转。

PMSM在同步旋转坐标系下的等效电路如下图所示：

忽略铁损耗的等效电路 图片来源：文献[5]

（1）电压方程

按照等效电路可写出 d、q轴的电压方程为:

其中， u_d， u_q为定子电压沿同步旋转坐标系d， q轴方向的电压分量；i_d， i_q为定子电压沿转子磁场定向坐标系d， q轴方向的电流分量；w为电机转子的电角速度；L_d， L_q为d， q轴等效电感；R_a为定子等效电阻；K_e为永磁体磁链幅值。

（2）磁链方程

电机共磁链在d， q轴方向的分量表示为:

（3）电磁转矩方程

电机的电磁转矩方程为:

其中，T_e为电机电磁转矩， T_M是磁体转矩，T_r是磁阻转矩，p为电机转子磁极对数。

从转矩方程分析，电机电磁转矩与d轴和q轴的电流直接相关，而四个电机参数（永磁体磁链，d， q轴电感，磁极对数）在出厂后就是固定的，不受系统参数的限制。所以电机转矩只和输入的电流有关，电流越大，转矩就越大。

电机运转所需的电流是由电池提供，电控系统调节后输入到电机。当电机开始运作时，可以在低速运转下输入很大的电流（功率），带来巨大的电磁转矩。

异步启动

由于转子的质量较重，惯量较大，一般PMSM不能直接接通三相交流来启动。否则，磁场旋转太快，静止的转子跟不上，便无法跟随磁场启动而旋转。但PMSM可以通过异步启动的方式，在永磁转子上加装笼型绕组，就可以直接用三相交流电来供电，如下图所示：

图片来源：知乎 移步it之巅

当电机开始工作时，电池向定子绕组通入三相交流电，在定子内部产生旋转的磁场。转子绕组由于电磁感应产生感应电动势，进而产生感应电流，并在转子铁芯内部形成相应的转子磁场，该磁场和定子的磁场相斥，磁力将会驱动转子旋转。

当转子旋转磁场的转速小于定子旋转磁场的转速前，磁场的相互作用产生交变的电磁转矩，不断驱动转子加速，直到二者的磁场同步。

当转子旋转磁场几乎与定子旋转磁场同步时，转子绕组不再产生感应电流，转子上只有永磁体持续产生磁场，这就是永磁体的作用所在，进而产生驱动转矩。所以，转子绕组只用来实现启动，启动完成后，转子绕组不再起作用：由永磁体和定子绕组的磁场相互作用产生力矩。

电机特性

通过电磁转矩方程可以看出，当电机工作时，其转矩只和三相电的电流大小有关。当我们一脚油门踩下去，电池可以瞬时以大电流放电，电机的定子三相绕组快速产生旋转磁场，带动转子的旋转。其特性曲线如下图：

图片来源：知乎 一起留下脚印

在低转速时电机以最大扭矩运行，使得机车快速启动，高转速时电机几乎恒功率运行（篇幅有限，就不再继续探讨）。当电极转速很低，也就是电动汽车刚刚起步时，其扭矩就可以达到最大，使得汽车快速启动，而乘客由于惯性便体验到很强的推背感。

真的是开过电车后，再开油车就没内味儿了（虽然电车的推背感和真正的跑车不完全一样）。而实际电车的加速时间还受到电机的外部因素，比如车身轻量化水平、风阻系数等影响。

浅谈：燃油汽车

简单提一下燃油汽车的系统来进行比较，比较基础的内燃机的做功形式就是在气缸内点燃汽油和空气的混合物，利用其反应产生的巨大气压推动活塞做功，需要一定的反应时间。通过活塞连杆和曲轴，再将活塞的直线运动转变为旋转运动，对于四冲程发动机需要一定的做功时间，简易模型就如下图的曲柄连杆所示：

曲柄连杆示意图

当燃油汽车点火时，燃料开始燃烧，产生推力，当发动机静止加速时，发动机的功率不断增大，转速不断增大，1000转之后才有扭矩，之后再不断增大，扭矩并不能在一开始就达到最大值，所以需要更长的加速时间。但是跑车在对变速系统、排气进气系统、流线型车身进行精细化的设计后，同样可以实现五秒破百，这才是真正的速度与激情。

图片来源：知乎 一起留下脚印

从战略定位上来说，石油的储量总归是有限的，我国的石油仍依赖于进口，不利于我国的能源安全。而电能的获取方式有很多种，除了传统的“烧热水”，即燃煤发电、核能发电（其实核能发电相对很安全，但是某岛国的做法真的很危险），而且还有安全、环保、大规模的风、光、地热能发电。

我国未来将大力倡导电动中国战略，大众直接使用的能源将由电能逐渐取代煤、油、气等化石能源。因此，电动汽车将承担未来汽车转型的重要角色。

电动汽车是新时代发展的产物，让我们买车的选择变得更多，而不是限制我们的选择，最后祝大家（也祝我）都可以拥有一辆自己的爱车，不说了，搬砖去了。

参考文献

知乎：电机、发动机特性Map怎么造？

鹏芃科艺.永磁同步电动机

SIMULATION OF ELECTRIC MACHINE AND DRIVE SYSTEMS，Mahmoud Riaz， Sc.D.Professor of Electrical Engineering Department of Electrical and Computer Engineering University of Minnesota

知乎：超详细！永磁同步电机，看完你肯定会懂的！

索博宇.某电动车用驱动电机效率分析与建模研究[J].吉林大学，2018

张美霞， 刘忠源.通电螺线管的磁场分布[A].辽宁大学学报，2021，48(4)

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：TT