Tech Talk | 电动车是怎么跑起来的？

加速快、声音小、顿挫少是许多用户对电车的第一印象。而以电机为核心的电驱动系统，便是实现这种愉悦体验的核心部件。电是如何带动汽车前进？电动车的电机与普通电机有何差异？怎样同时提升电驱系统的性能与续航？

本期Tech Talk，我们邀请到了蔚来电驱动工程师 Z.黎、赛事管理工程师 S.苏，与我们分享电动车电机的驱动原理，以及如何用碳化硅技术，让蔚来的第二代电驱平台更高效。

1820 年，丹麦物理学家奥斯特（Hans Christian Ørsted）发现了“电生磁”现象：将导线和电池连接为一个通电回路，导线下方的磁针会因不同的电流方向发生不同方向的偏转。

仅仅几周后，法国物理学家安培（André-Marie Ampère）总结出了在通电闭合电路中电流和磁场的关系，被称为安培定则，也就是我们熟悉的“右手螺旋定则”——用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

在发现了电磁场的存在及形成逻辑后，1821年，英国物理学家法拉第（Michael Faraday）发明了第一个用电流带动物体运动的装置——将一根自由悬挂的导线浸入导电的水银池中，并在池中固定了一块磁铁。当电流通过导线时，导线开始围绕磁铁旋转，这也被公认为是世界上第一台电机的雏形。

随着人们对电的认知更加深入，电机也在不断地迭代发展，并逐步应用于生产生活的方方面面。目前广泛使用的电机中，根据使用电源的不同可以分为直流电机和交流电机。

“直流电”（Direct Current）的电流方向不发生周期性变化，例如，日常生活中的干电池。直流电机的特点是磁场不变，通过换向器改变线圈中电流的方向，保证线圈可以持续转动。连接换向器与导线的电刷会在使用中产生较大损耗，导致直流电机需要频繁的维护检查。

“交流电”（Alternating Current）的电流方向随时间做周期性变化。交流电机使用的电源为三相交流电——它是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差120°的交流电路组成。三相交流电波形振幅的大小决定了电机扭力的大小，而变化的频率控制电机的转速。

三相交流电

与直流电机相比，交流电机从结构上省掉了换向器，不仅结构更简单可靠，还能适应更高的转速工况，所以电动车几乎都采用了交流电机。在交流电机中，定子和转子是电动机转动的基础。定子上绕有线圈，并固定安装在壳体上，而转子在工作时会在磁场的作用下旋转。

交流电机结构

三相交流电机的定子绕组可以分为独立的三组，每一组都和三相电（A、B、C）其中一个电路相连。定子绕组在通入交流电时， 每一个绕组周围将会因电流方向变化，产生变化的磁场。三组绕组通过规律性的变化可以产生一个旋转的磁场。

定子和转子的磁场之间，遵循“同性相斥，异性相吸”的原理，形成相互作用力，从而带动转子旋转。

交流电机中，根据转子的构成不同，可以分为感应异步电机及永磁同步电机。感应异步电机的转子由导体线圈构成，转子磁场需要通过切割定子磁场的磁感线产生，所以转子的转速一直比定子磁场的转速慢一些。而永磁同步电机的转子由永磁体构成，由于本身具有磁场，永磁体转子会与定子磁场同步旋转。

电流如何带动汽车前进

讲到永磁同步电机和感应异步电机，想必大家会觉得十分熟悉。蔚来的第一代电驱动系统正是由240kW感应异步电机和160kW永磁同步电机组成，在售车型为ES8、ES6、EC6。而蔚来第二代电驱动系统则由300kW感应异步电机和180kW永磁同步电机组成，在售车型为ET7。

集成的电驱动系统被称为EDS（Electric Drive System），它是指将车辆动力电池电能转换为车辆行驶动能的系统，主要由电机、齿轮箱、PEU（Power Electronic Unit）电机控制器组成。

电驱动系统在工作时，首先由PEU电机控制器将电池的直流电转换为交流电，并输入给电机；电机中的定子产生不断旋转的磁场，从而带动转子进行高速旋转；再通过减速器将力矩放大，通过差速器输出到车轮，驱动车辆行驶。

让电机兼备性能与续航的秘密

作为一款车长超5米、轴距超3米的旗舰轿车，ET7零到百公里加速仅需3.8秒，装备150kWh电池包后续航更可突破1000km。能实现这样优秀的性能表现，电驱系统中应用的碳化硅（SiC）功率模块功不可没。ET7也是全球首批应用碳化硅功率模块的电动车。碳化硅功率模块所在的PEU电机控制器是电机启动、进退、速度、停止的核心控制器件，就像是电机的大脑，是电动车上最重要的部件之一。

PEU电机控制器是将电池的直流电转换成电机所需要的三相交流电的重要器件。直流交流转换的逆变电路中，开关器件是不可或缺的。简单理解逆变电路的原理，就是在直流电源两端并联三个各由两个开关串联的电路，通过分别控制六个开关的闭合及断开，可以控制电流在三个电路中的电流方向及通电时间，从而将直流电源转化为三相交流电，开关的工作频率高达10,000次/秒。

因为掌控着电池和电机之间的电流，好的开关器件不仅要效率更高、负荷更强，还需要尽量降低自身能耗。对于开关器件材料的选择，行业主流采用第一代硅基（IGBT）半导体，而ET7采用的碳化硅半导体，则是第三代半导体。

相比传统硅基模块，相同功率等级下，碳化硅功率模块在高温下的开关损耗更低——芯片温度达到150℃时，开关损耗可以降低75％左右，使电驱动系统达到更加优秀的效率水平。