作者:陳華夫
A.電動馬達部分:
1)「感應非同步馬達」:
「感應非同步馬達」的「定子」3相交流電的繞線下產生旋轉磁場,而在「轉子」上植入金屬條塊,產生感應電流及磁場,而被「定子」上的旋轉磁場牽引著旋轉而傳動,又因為「轉子」上的感應電流會產生浪費的熱能 P = I x I x R 。
2)「永磁同步馬達」:
「同步永磁電動馬達」的「定子」3相交流電的繞線下產生旋轉磁場,
但此旋轉磁場是是旋轉「十字磁場」:而「轉子」上的永磁磁鐵,則是「圓形磁鐵」可產生被牽引的「十字磁場」,如下圖:
但「永磁同步馬達」之定子,轉子的「十字磁場」在開機時無法匹配選轉,所以要加入─個如「感應非同步馬達」上面的「感應外圈圓桶」,先讓轉子旋轉,再開通電磁鐵,就可旋轉匹配定子與轉子的磁場。並且在「感應外圈圓桶」的感應磁場同步匹配定子的磁場時,則感應電流降低至零─也就沒有感應磁場,則附加的「感應外圈圓桶」在同步馬達的作用消失,不會妨礙「永磁同步馬達」的正常旋轉。
3)比較「感應非同步馬達」與「永磁同步馬達」的優異之處:
(1)後者(右圖)沒有感應電流的P = I x I x R的熱量損失,所以效率比前者(左圖)高;
(2)前者「定子」上旋轉「十字磁場」和「轉子」的「十字磁場」匹配時比後者(左圖)的「N─S直線磁場」的匹配,多一倍力矩,如下圖:
4)「軸型(Axial)馬達」
百分之九十的電動馬達是「放射型(Radial)馬達」─如前述的「感應非同步馬達」與「永磁同步馬達」皆屬此類。它們的的旋轉「N─S直線磁場」與「十字磁場」之方向皆軸垂直於「轉子」的旋轉軸。而「軸型(Axial)馬達」的旋轉磁場的軸卻平行於「轉子」的旋轉軸,如下圖。
「軸型(Axial)馬達」的第一個優點:
左邊「放射型(Radial)馬達」的磁力線較長,並且較稀疏,其「轉子」磁力線和「定子」的旋轉磁力線是垂直偶合作用,作用力較小,產生的力矩較小。而右邊「軸型(Axial)馬達」的磁力線較短,並且較密集,並且「轉子」磁力線和定子的旋轉磁力線是平行偶合作用,作用力較大,產生的力矩較大。
「軸型(Axial)馬達」的第二個優點:
另一好處是,「軸型(Axial)馬達」可以把「定子」磁鐵的半徑 Rs及「轉子」的磁鐵的半徑Rr大,而因為:總力矩(Torque)= (Rs + Rr)X F,會得到遠比「放射型(Radial)馬達」較大的力矩,馬達的加速與載重都大幅增加增加。右邊「放射型(Radial)馬達」體積龐大,卻無法加大「定子」與「轉子」的磁鐵的總半徑(Rs + Rr),所以「軸型(Axial)馬達」體積小,力矩產出大,可用於直升飛機及電動車上。
下圖是由三組「軸型(Axial)馬達」加6千個鋰電池模組的螺旋槳飛機。
B.電動車電池部分:
1)鋰離子電池
鋰離子電池通過Li+在正負極材料上的嵌入和脫出實現充放電,目前已經大規模商業化應用。負極材料普遍使用石墨,電解液採用非水有機電解液(多為LiPF6碳酸乙酯溶液),正極為鋰金屬氧化物。(見
「前沿技術」從可充電電池技術發展看新型電池未來)
目前,車用動力電池的主力是鋰離子電池,2021年中國車用動力電池裝車量前10名如入下圖:
2)鋰金屬電池鋰金屬電池以金屬鋰為負極,鋰負極金屬的電鍍與剝離,做氧化還原反應,金屬鋰負極在20世紀60年代剛開始研究鋰電池時就得到了廣泛關注,但存在嚴重的金屬鋰枝晶、庫倫迴圈效率低、電池壽命短和安全問題,一直沒能商業化應用。但最近SES在第一塊做的是鋰金屬電池(新的化學體系),而目前手機所用的是鋰離子電池,但電動氣車所使用的是下一代的鋰金屬電池。它的能量密度及續行哩程是鋰離子電池的一倍以上,鋰金屬做正極比鋰離子電池,在快充,續行哩程,及成本上有很大的優勢。SES已公佈的與通用,現代,及中國的上氣,吉利,等5家車企在做鋰金屬做正極的鋰金屬電池A樣品共同開發協議。全球做鋰金屬電池開發的約有8家大大小小車企與電池公司,SES是唯一擁有A樣品共同開發協議的公司。(見
對話「麻省固能」(SES)公司的CEO胡啟朝博士,及
專訪 | SES麻省固能CEO胡啟朝:鋰金屬電池是動力電池行業下一個“高地”)
4)電動車用「氫燃料電池」
雖然目全球電動車的發展皆以技術相對成熟且具備規模經濟的鋰電池為主,不過日系車廠如豐田(Toyata)及本田(Honda)仍相當看好「氫燃料電池」─如下圖:
目前世界電動車一哥特斯拉的
自動駕駛技術非常先進,其Model S、Model X、Model Y 還是Model 3,
Autopilot(AP,輔助駕駛) 都是標準配備。根據特斯拉官網,該系統功能包含但不限於自動緊急剎車、前車碰撞預警系統、車道維持輔助系統 (LKA)、主動式定速巡航控制 (ACC)。
FSD (Full Self Driving,全自動輔助駕駛系統)則是較高價的方案,除了 標配的Autopilot (輔助駕駛)之外,還提供更複雜的功能,包括自動車道切換、紅綠燈辨識、可呼喚 Model 3 前往車主所在或選擇位置的「智慧召喚」等。儘管 FSD 名為「全自動輔助駕駛」,實際上還無法真正實現完全自動駕駛。特斯拉認為自動駕駛的優勢在大部分人其實不擅長駕駛,自駕電動車駕車的危險活動。(見
無人駕駛汽車的缺陷不在技術,
不只打造電動車,重新認識特斯拉:一家運算公司)
D.電動車企業競爭態勢:
2020年,中國智慧電動汽車銷量穩居世界第一。億歐智庫預測,2021年中國智慧電動汽車市場將迎來大爆發,銷量將達到238.2萬輛,2022 年銷量將達到446萬輛,2025年將超過1000萬輛大關,(見
2021中国智能电动汽车竞争格局分析报告)
中國電動汽車協會2022/1/14(週四)公佈的資料顯示,2021年銷量前15名的新能源車為:1.五菱宏光Mini;2.比亞迪秦;3.特斯拉Model Y;4.特斯拉Model 3;5.比亞迪漢;6.比亞迪宋;7.理想One;8.奇瑞eQ;9.長安奔奔;10.廣汽埃安Aion S;11.長城歐拉黑貓;12.小鵬P7;13.比亞迪唐;14.長城歐拉好貓;15.合眾哪吒V。
另外,根據南韓市調機構的預測,全球電動車的銷售量今年將達到850萬輛,比2021年大幅成長40。日本豐田汽車過去一向不屑發展電動車,現在卻宣布要砸下8兆日圓,將近2兆新台幣,全力發展電動車,成為車界的大魔王。通用在2022年的美國消費性電子大展CES推出造型酷炫的雪佛蘭電動皮卡Silverado,預計2023年開賣,正面迎戰勁敵福特與特斯拉。德國雙B賓士的全球首發電動概念車,從內而外展現前所未見的復古科技風,超低的風阻係數加上輕量化材質,更創造出驚人的續航力。而頂尖富豪最愛的品牌勞斯萊斯,首款純電動車「閃靈」道路測試已經超過250萬公里,2023年上市之後,號稱將成為有史以來最卓越的超豪華電動車。大眾汽車執行長迪斯(Herbert Diess)2021/12月宣布將在五年內針對電動車研發投入1000億美元;迪斯說:「我們轉型得很快,比過去一個世紀以來面對的各種挑戰時的轉型速度還要快。」(見
美國消費性電子展 多品牌電動車爭霸,及
電動車爭霸 豐田、大眾拚轉型「會類似蘋果一夕崛起」)