In realtà è una battaglia di motori: la battaglia delle prestazioni tra Porsche e Tesla

1. Perché Porsche ha scelto i motori sincroni a magneti permanenti?

Non c'è bisogno di dilungarsi sulla velocità della Tesla Model S. È così veloce che oggi, quando la gente parla di marchi di veicoli elettrici di alta gamma, pensa a loro. Dal momento che le case automobilistiche emergenti sono così motivate, è naturale che le case automobilistiche tradizionali non restino a guardare. Porsche si sta preparando a lanciare la Taycan per competere, ma prima ha realizzato una concept car chiamata Mission E Cross Turismo per testarne il funzionamento. Ma lo sai? Sembra che Tesla sia un po' "indietro" nella tecnologia del motore di azionamento dei componenti principali. Ci sono molte altre storie sui motori di trazione. Oggi parlerò di motori con i miei amici.

La Tesla Model S P100D accelera da 0 a 100 km/h in 2,7 secondi, un tempo molto veloce tra i veicoli a carburante. Porsche, una veterana potenza tra le case automobilistiche tradizionali, molto popolare nell'era in cui dominavano i motori a combustione interna, ha realizzato anche la Mission E Cross Turismo, che ha un tempo di accelerazione da 0 a 100 km/h in 3,5 secondi, per dimostrare di essere ancora potente nel campo elettrico. Sebbene si tratti di un concept car, è già piuttosto potente. Tuttavia, i due hanno scelto percorsi tecnici completamente diversi. Chi sarà il vero vincitore?

Dopo aver letto quanto segue, hai letto il 70% dell'articolo:

1. Porsche e Tesla utilizzano tecnologie di motore diverse: la prima è un motore sincrono a magneti permanenti, mentre la seconda è un motore asincrono a induzione;

2. I motori sincroni a magneti permanenti presentano vantaggi quali elevata efficienza e dimensioni ridotte, ma sono relativamente costosi e sono fortemente influenzati dalle variazioni di temperatura;

3. I motori asincroni a induzione hanno le caratteristiche di basso costo e di affidabilità relativamente elevata, ma il loro più grande difetto è l'elevato consumo energetico;

4. Una volta la Tesla pagò una multa di circa 70.000 yuan ai proprietari delle sue auto per "emissioni eccessive" dovute all'elevato consumo energetico del motore.

● Fratelli gemelli: sembrano simili, ma hanno personalità completamente diverse

I motori sincroni a magneti permanenti e i motori asincroni a corrente alternata sono come due fratelli gemelli. Sembrano molto simili ma hanno temperamenti diversi. I due motori sono pressoché identici nella struttura di base e nell'aspetto e sono composti da componenti comuni quali statore, rotore e alloggiamento del motore. L'unica differenza è che i rotori differiscono nella struttura, nei materiali e nei principi di funzionamento. Il motore sincrono a magneti permanenti è un tipo di motore a corrente alternata. Il suo rotore è in acciaio con campo magnetico permanente. Quando il motore è in funzione, lo statore viene energizzato per generare un campo magnetico rotante che aziona la rotazione del rotore. "Sincrono" significa che durante il funzionamento a regime stazionario, la velocità di rotazione del rotore è sincronizzata con la velocità di rotazione del campo magnetico.

Anche i motori asincroni a induzione sono motori a corrente alternata. I loro rotori sono realizzati in materiali metallici con buona conduttività, come alluminio e rame, e la maggior parte dei rotori adotta una struttura a gabbia di scoiattolo. Durante il funzionamento, lo statore viene energizzato e la corrente indotta interagisce con il rotore per generare una coppia elettromagnetica, facendo così ruotare il rotore. "Asincrono" significa che durante il funzionamento la velocità del rotore è sempre inferiore alla velocità del campo magnetico rotante, per questo è definito asincrono.

Per dirla in parole più semplici, entrambi i tipi di motori sono motori a corrente alternata. Il rotore del motore sincrono a magneti permanenti ha un proprio campo magnetico, mentre il rotore del motore asincrono a induzione è solo un conduttore e non ha campo magnetico. Può interagire con lo statore solo dopo aver attivato l'alimentazione per generare un campo magnetico indotto. A causa dei diversi percorsi tecnici, i due motori presentano caratteristiche proprie. Ora parliamo dei rispettivi vantaggi e svantaggi.

◆ Perché Porsche ha scelto il motore sincrono a magneti permanenti?

Diamo un'occhiata a questi due tipi di motori separatamente in combinazione con i modelli menzionati in precedenza. La Mission E Cross Turismo, presentata al Salone dell'auto di Pechino 2018, è dotata di due motori sincroni a magneti permanenti. I due motori sono disposti tra l'asse anteriore e quello posteriore e possono erogare potenza simultaneamente, realizzando la trazione integrale. Questa configurazione consente di ottenere la trazione integrale rendendo più uniforme la distribuzione del peso anteriore e posteriore.

Quando i due motori funzionano contemporaneamente, il sistema di propulsione della Mission E Cross Turismo sviluppa una potenza massima di 600 CV (440 kilowatt), un tempo di accelerazione da 0 a 100 km/h inferiore a 3,5 secondi e un tempo di accelerazione da 0 a 200 km/h di 12 secondi, sufficienti per schiacciare le supercar a benzina. Ciò riflette anche la decisione dei tedeschi di trasformarsi rapidamente e di entrare nel campo elettrico puro. Dopotutto, per questi professionisti delle supercar, vincere vale tutto.

■ Elevato tasso di conversione dell'energia, adatto a basse velocità e condizioni stradali complesse e mutevoli

Una delle caratteristiche dei motori sincroni a magneti permanenti è l'elevato tasso di conversione dell'energia, che può superare il 90%. In confronto, i motori a benzina, che convertono l'energia chimica in energia cinetica con un'efficienza pari solo al 35%, e i motori asincroni a induzione, che convertono l'energia elettrica in energia cinetica all'85%-90%, impallidiscono.

In secondo luogo, il suo intervallo di regolazione della velocità è relativamente ampio. Il termine "intervallo di regolazione della velocità" potrebbe risultare un po' troppo oscuro. In parole povere, è in grado di adattarsi ai requisiti di potenza del veicolo durante la guida a bassa e alta velocità e mantiene un'efficienza di conversione energetica relativamente elevata in tutte le condizioni di lavoro. Ciò significa che, sia in condizioni di congestione urbana che di traffico ad alta velocità, il motore sincrono a magneti permanenti è in grado di fornire la potenza richiesta dal veicolo, pur essendo relativamente efficiente dal punto di vista energetico.

Infine, è piccolo e leggero, una caratteristica rispetto ai motori asincroni a induzione con la stessa densità di potenza. Ad esempio, sebbene entrambi gli atleti possano sollevare 100 kg, il sollevatore di pesi è molto più piccolo del lottatore di sumo. Questo perché il sollevatore di pesi ha una "densità di potenza" più elevata. Le dimensioni ridotte possono apportare ulteriori vantaggi alla configurazione complessiva del veicolo. È possibile progettare più spazio di stivaggio nella cabina anteriore e nel bagagliaio del veicolo, e un po' di spazio di espansione per la batteria di alimentazione può essere progettato sul telaio, ecc. Ciò favorisce anche la leggerezza del veicolo.

■ Costo relativamente elevato, le prestazioni sono influenzate dalle variazioni di temperatura

Inoltre, i motori sincroni a magneti permanenti non sono privi di svantaggi. Rispetto ai motori asincroni a induzione, il loro costo unitario di potenza è teoricamente più elevato. Vale a dire che, per due motori con la stessa potenza, il motore sincrono a magneti permanenti ha un costo maggiore. Un altro problema è che il rotore realizzato in materiale magnetico permanente provoca la smagnetizzazione quando la temperatura cambia drasticamente, il che provoca una diminuzione delle prestazioni del motore. Questa sensazione è un po' come quando una persona arriva in un deserto caldo e si disidrata, con conseguente declino delle funzioni corporee.

2. I motori asincroni AC sono davvero “all’indietro”?

◆ La Tesla avanzata utilizzava il motore asincrono AC “all’indietro”?

Diamo un'occhiata alla Tesla Model S P100D. Quando la modalità Ludicrous è attiva, il tempo di accelerazione da 0 a 100 km/h è di soli 2,7 secondi e la velocità massima è di 250 km/h. Queste prestazioni eccezionali sono dovute al suo motore asincrono a induzione apparentemente "all'indietro". Perché questo tipo di motore è considerato "arretrato"? Questo perché alcuni veicoli puramente elettrici di fascia bassa, come i cosiddetti scooter elettrici per anziani e i veicoli elettrici nei parchi, utilizzano principalmente motori asincroni a induzione. Ecco perché a questo tipo di motore vengono attribuite etichette come "economico" e "arretrato". Ma prima del successo di Tesla, la maggior parte delle persone, me compreso, non sapeva che i motori asincroni a induzione potessero raggiungere prestazioni così potenti.

■ Costo relativamente basso, le prestazioni non sono influenzate dalla temperatura

Considerando questi dati, possiamo davvero usare la parola "terribile" per descrivere questa vettura. Quali altri vantaggi ha il suo potente "cuore"? Innanzitutto, rispetto ai motori sincroni a magneti permanenti, il costo dei motori asincroni a induzione è relativamente basso, principalmente perché non è necessario utilizzare costosi materiali a magneti permanenti per fabbricare il rotore. In secondo luogo, il campo magnetico del suo rotore è un campo elettromagnetico che si forma dopo l'accensione, quindi il campo magnetico del rotore non verrà smagnetizzato e la temperatura dell'ambiente di lavoro a cui può adattarsi è più ampia rispetto a quella del motore sincrono a magneti permanenti.

■ Consumo energetico relativamente elevato, le prestazioni a bassa velocità non sono buone come quelle del motore sincrono a magnete permanente

Data la struttura del motore asincrono a induzione, se si desidera aumentarne la potenza è necessario aumentare il volume del conduttore all'interno del motore. Pertanto, il motore asincrono a induzione con la stessa potenza del motore sincrono a magneti permanenti sarà relativamente più grande e più pesante. L'effetto collaterale è che occupa più spazio all'interno dell'auto, aumenta il peso del veicolo e aumenta la sua perdita di energia. Tuttavia, la Model S P100D compensa questa lacuna con la sua batteria ultra-grande da 100 kWh. Tuttavia, il motore è pesante e la batteria con una grande capacità non può essere leggera, quindi l'efficienza della sua conversione energetica sarà ridotta a causa del suo stesso peso.

In secondo luogo, il suo intervallo di regolazione della velocità è ridotto e l'efficienza di conversione dell'energia è relativamente elevata in condizioni di alta velocità. Ciò fa sì che il modello S P100D consumi più energia quando viaggia a basse velocità rispetto a un motore sincrono a magneti permanenti della stessa potenza. Quando si guida ad alta velocità, nonostante l'efficienza di conversione energetica del motore asincrono a induzione sia maggiore in queste condizioni, l'elevato consumo energetico causato dalla resistenza del vento fa sì che il veicolo consumi rapidamente energia. In sintesi, il consumo energetico del modello S P100D è superiore a quello dei motori sincroni a magneti permanenti della stessa potenza in tutte le condizioni di lavoro. In parole povere, consuma elettricità in ogni momento.

● Quale diventerà la tecnologia dominante, la tecnologia sincrona a magnete permanente o quella asincrona a induzione?

Attraverso due vetture molto rappresentative, abbiamo anche una conoscenza preliminare di motori con due percorsi tecnici diversi. Quindi, quale tra queste diventerà la tendenza di sviluppo futura? Prima di trarre conclusioni, riassumiamo le caratteristiche di questi due motori.

A giudicare dai vantaggi e dagli svantaggi dei due motori, i motori sincroni a magneti permanenti hanno un'elevata densità di potenza e un'efficienza di conversione energetica relativamente elevata sia in condizioni di bassa che di alta velocità. Pertanto, rispetto ai motori asincroni a induzione, che sono più efficienti in condizioni di alta velocità, sono più adatti alle strade urbane con condizioni di bassa velocità e frequenti avviamenti e arresti. Questo spiega anche perché i motori sincroni a magneti permanenti sono la soluzione più diffusa nei veicoli puramente elettrici attualmente prodotti.

Un altro motivo è che la maggior parte dei veicoli puramente elettrici non punta a prestazioni estremamente elevate. Anche se il costo unitario dell'energia dei motori sincroni a magneti permanenti è elevato, la potenza del motore utilizzata da ciascuna azienda non è abbastanza elevata da incidere in modo significativo sul costo di produzione dell'auto. Pertanto, fatta eccezione per le auto ad alte prestazioni, le case automobilistiche non prenderanno in considerazione l'utilizzo della soluzione tecnica dei motori asincroni a induzione per questo motivo.

Tesla sa anche che il motore asincrono a induzione ha lo svantaggio di un consumo energetico relativamente elevato in condizioni di bassa velocità, ma perché insiste nell'utilizzare questo tipo di motore? È semplicemente dovuto al basso costo? Non del tutto. Tesla ha altre considerazioni da tenere in considerazione per la scelta di questa strada tecnica. Tra queste, la ragione più importante è che il materiale utilizzato per realizzare i rotori a magneti permanenti, ovvero il neodimio, il ferro e il boro, è una risorsa scarsa negli Stati Uniti. Il materiale magnetico permanente al neodimio, ferro e boro è una risorsa di terre rare. Per i paesi che non hanno risorse di terre rare o hanno industrie di terre rare sottosviluppate, le soluzioni tecniche per i motori elettrici per autoveicoli sono legate alla sicurezza nazionale, quindi gli zii americani insistono ancora sulle "barriere tecniche" dei motori asincroni a induzione. Ma, in confronto, gli europei non sono così "eccessivamente nervosi" riguardo alle risorse di terre rare come gli americani, e molte aziende europee hanno scelto la strada tecnica dei motori sincroni a magneti permanenti.

Già che stiamo parlando di risorse di terre rare, ecco un altro fatto poco noto: il mio Paese e il Giappone hanno dei vantaggi innati assoluti nelle risorse di terre rare rispetto ad altri Paesi. il mio Paese detiene il 70% delle risorse di terre rare del mondo e la produzione totale di materiali magnetici NdFeB rappresenta l'80% del totale mondiale (sebbene la produzione di NdFeB di fascia alta sia limitata). Il Giappone è un paese importante nel settore delle terre rare. Le prime tre aziende NdFeB al mondo in termini di volume di vendite: Sumitomo Special Metals, Shin-Etsu Chemical e TDK Group sono tutte aziende giapponesi, il che dimostra la loro forza. Per questo motivo, sui veicoli puramente elettrici di marchi cinesi e giapponesi è prassi comune utilizzare motori sincroni a magneti permanenti.

Tuttavia, ci sono novità secondo cui anche Tesla ha iniziato a orientare la propria tecnologia verso motori sincroni a magneti permanenti. In precedenza, i media stranieri avevano riferito che, durante un'intervista, il progettista di motori Tesla, Konstantinos Laskaris, aveva rivelato che la Tesla MODEL 3 abbandonerà l'uso di motori asincroni a induzione e utilizzerà invece motori sincroni a magneti permanenti. Secondo il buon senso, questo è un "pentimento" da parte di Tesla, che ha modificato il suo percorso tecnico per migliorare l'efficienza di conversione energetica del motore, ridurre il consumo di energia e aumentare l'autonomia di guida. Ma c'è un altro motivo che potrebbe spingere Tesla a cambiare rotta tecnologica.

● Vecchio pettegolezzo: Tesla è stata multata per "emissioni eccessive"

Ricordate ancora che nel 2016 un paese del Sud-Est asiatico, noto come "Garden City", ha emesso la prima multa a Tesla per "emissioni di carbonio superiori agli standard"? Solo in base a questa multa, il proprietario della Tesla ha dovuto pagare una multa pari a circa 70.000 yuan. È strano dire come si possa accusare a Singapore un veicolo elettrico puro, a basse emissioni di carbonio, ecologico e a inquinamento zero di avere "emissioni eccessive"?

La situazione a quel tempo era questa. Quando la Tesla Model S sanzionata è stata sottoposta ai test per soddisfare gli standard sulle emissioni di carbonio dei veicoli stabiliti dal governo di Singapore, è stato rilevato che l'auto consumava 444 Wh di elettricità per chilometro (44,4 kWh/100 km). Secondo le normative vigenti a Singapore, per tutti i veicoli elettrici il limite di consumo di energia elettrica è di 0,5 g/Wh di anidride carbonica. In altre parole, le emissioni di anidride carbonica della Model S erano pari a 222 g per chilometro, mentre le emissioni di carbonio di un'auto a benzina normale che consuma 7 litri di carburante ogni 100 chilometri sono pari a 189 g, quindi si è ritenuto che Tesla avesse superato gli standard sulle emissioni. Tuttavia, questo caso ha suscitato molte polemiche nel settore dei veicoli puramente elettrici in tutto il mondo. Il CEO di Tesla, Musk, ha addirittura chiesto giustizia al governo di Singapore su questa vicenda, ma, avendo dati reali come prova, non ha potuto far altro che accettare la punizione. Ma non è noto se Musk abbia sponsorizzato il proprietario della Model S con la multa.

Con una lezione così dolorosa, Tesla iniziò a intraprendere la strada del "risparmio energetico e della riduzione delle emissioni", ad esempio ottimizzando la logica di controllo del sistema di controllo elettronico per ridurre i livelli di consumo energetico. Tuttavia, nel caso del Modello 3, ciò potrebbe essere dovuto anche alle dimensioni più ridotte del modello e alle crescenti esigenze dei paesi di tutto il mondo in materia di bassi consumi energetici. Ciò ha portato anche alla notizia interna di Tesla che la Model 3 utilizzerà un motore sincrono a magneti permanenti.

Riassunto del testo completo:

Infatti, i motori sincroni a magneti permanenti e i motori asincroni a induzione rappresentano le due principali direzioni tecniche nel campo dei veicoli puramente elettrici. Non possiamo limitarci a commentare quale sia migliore o peggiore. Dipende sempre dallo scenario di utilizzo e dall'intento progettuale originale del veicolo. A parità di potenza, i motori sincroni a magneti permanenti sono più piccoli e più efficienti, e risultano più adatti ad ambienti di lavoro con condizioni stradali complesse e frequenti partenze e arresti. D'altro canto, i motori asincroni a induzione hanno un costo relativamente basso, sono meno influenzati dalle variazioni della temperatura ambiente e sono più adatti alla guida su strade ad alta velocità. Si può dire che entrambi i motori hanno i loro vantaggi. Grazie al continuo progresso della tecnologia dei materiali magnetici permanenti, i motori sincroni a magneti permanenti hanno gradualmente raggiunto velocità elevate e attualmente possono raggiungere i 16.000 giri/min o anche di più. Inoltre, di fronte alle normative vigenti in alcuni Paesi, le case automobilistiche devono trovare il modo di ridurre il consumo energetico per soddisfare i requisiti delle politiche locali. Pertanto, si può osservare che nelle autovetture, siano esse familiari o ad alte prestazioni, l'applicazione di motori sincroni a magneti permanenti nel sistema di alimentazione sarà una tendenza importante prima che emergano tecnologie più nuove e più efficienti.

Vincitore del Qingyun Plan di Toutiao e del Bai+ Plan di Baijiahao, del Baidu Digital Author of the Year 2019, del Baijiahao's Most Popular Author in the Technology Field, del Sogou Technology and Culture Author 2019 e del Baijiahao Quarterly Influential Creator 2021, ha vinto numerosi premi, tra cui il Sohu Best Industry Media Person 2013, il China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, il Guangmang Experience Award 2015, il China New Media Entrepreneurship Competition Finals 2015 e il Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.