Es ist eigentlich ein Kampf der Motoren: Porsche und Teslas Leistungskampf

1. Warum hat sich Porsche für permanenterregte Synchronmotoren entschieden?

Wie schnell das Tesla Model S ist, muss nicht näher erläutert werden. Es ist so schnell, dass die Leute heute daran denken, wenn sie hochwertige reine Elektromarken erwähnen. Angesichts der großen Motivation der aufstrebenden Automobilunternehmen werden die traditionellen Automobilhersteller natürlich nicht tatenlos zusehen. Porsche bereitet sich darauf vor, den Taycan als Wettbewerbsfahrzeug auf den Markt zu bringen, hat zuvor jedoch ein Konzeptauto namens Mission E Cross Turismo entwickelt, um seine Fähigkeiten unter Beweis zu stellen. Aber wissen Sie es? Bei der Kernkomponente Antriebsmotor scheint Tesla technologisch etwas „hinterher“ zu sein. Es gibt noch viele weitere Geschichten rund um Antriebsmotoren. Heute werde ich mit meinen Freunden über Motoren sprechen.

Das Tesla Model S P100D beschleunigt von 0 auf 100 km/h in 2,7 Sekunden, was für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor sehr schnell ist. Porsche, ein erfahrener Automobilhersteller, der in der Ära der Verbrennungsmotoren sehr beliebt war, hat auch den Mission E Cross Turismo gebaut, der mit einer Beschleunigungszeit von 0 auf 100 km/h von 3,5 Sekunden beweist, dass er auch im Elektrobereich noch immer leistungsstark ist. Obwohl es sich um ein Konzeptauto handelt, ist es bereits ziemlich leistungsstark. Allerdings haben die beiden völlig unterschiedliche technische Wege gewählt. Wer wird der wahre Gewinner sein?

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1. Porsche und Tesla verwenden unterschiedliche Antriebsmotortechnologien. Ersterer ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor, letzterer ein Induktions-Asynchronmotor.

2. Permanentmagnet-Synchronmotoren haben Vorteile wie einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Größe, sind jedoch relativ teuer und stark von Temperaturschwankungen betroffen.

3. Asynchronmotoren zeichnen sich durch niedrige Kosten und relativ hohe Zuverlässigkeit aus, ihr größter Nachteil ist jedoch der hohe Energieverbrauch.

4. Tesla zahlte seinen Autobesitzern einmal eine Strafe von rund 70.000 Yuan wegen „übermäßiger Emissionen“ aufgrund des hohen Energieverbrauchs des Motors.

● Zwillingsbrüder: sehen ähnlich aus, haben aber völlig unterschiedliche Persönlichkeiten

Permanentmagnet-Synchronmotoren und AC-Asynchronmotoren sind wie ein Zwillingsbrüderpaar. Sie sehen sehr ähnlich aus, haben aber unterschiedliche Temperamente. Die beiden Motoren sind in ihrem Grundaufbau und Aussehen weitgehend identisch und bestehen aus gemeinsamen Komponenten wie Stator, Rotor und Motorgehäuse. Der einzige Unterschied besteht darin, dass sich die Rotoren in Aufbau, Materialien und Funktionsprinzip unterscheiden. Der Permanentmagnet-Synchronmotor ist eine Art Wechselstrommotor. Sein Rotor besteht aus Stahl mit einem permanenten Magnetfeld. Wenn der Motor läuft, wird der Stator mit Strom versorgt, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das den Rotor zum Drehen antreibt. „Synchron“ bedeutet, dass im stationären Betrieb die Drehzahl des Rotors mit der Drehzahl des Magnetfelds synchronisiert ist.

Auch Asynchronmotoren sind Wechselstrommotoren. Ihre Rotoren bestehen aus Metallmaterialien mit guter Leitfähigkeit, wie etwa Aluminium und Kupfer, und die meisten Rotoren haben eine Käfigläuferstruktur. Während des Betriebs wird der Stator mit Strom versorgt und der induzierte Strom interagiert mit dem Rotor, um ein elektromagnetisches Drehmoment zu erzeugen, wodurch der Rotor gedreht wird. „Asynchron“ bedeutet, dass während des Betriebs die Rotordrehzahl immer niedriger ist als die Drehzahl des rotierenden Magnetfelds, daher spricht man von Asynchronität.

Einfacher ausgedrückt handelt es sich bei beiden Motortypen um Wechselstrommotoren. Der Rotor des Permanentmagnet-Synchronmotors verfügt über ein eigenes Magnetfeld, während der Rotor des Induktions-Asynchronmotors lediglich ein Leiter ist und kein Magnetfeld besitzt. Erst nach dem Einschalten der Stromversorgung kann es mit dem Stator interagieren und ein induziertes Magnetfeld erzeugen. Aufgrund der unterschiedlichen technischen Wege weisen die beiden Motoren ihre eigenen Charakteristika auf. Lassen Sie uns als Nächstes über ihre jeweiligen Vor- und Nachteile sprechen.

◆ Warum hat sich Porsche für einen Permanentmagnet-Synchronmotor entschieden?

Schauen wir uns diese beiden Motortypen getrennt im Zusammenhang mit den zuvor genannten Modellen an. Der Mission E Cross Turismo, der auf der Beijing Auto Show 2018 debütierte, ist mit zwei Permanentmagnet-Synchronmotoren ausgestattet. Die beiden Motoren sind zwischen Vorder- und Hinterachse angeordnet und können gleichzeitig Leistung abgeben, um Allradantrieb zu erreichen. Mit dieser Anordnung lässt sich ein Allradantrieb erreichen, während die Gewichtsverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse gleichmäßiger wird.

Wenn die beiden Motoren gleichzeitig arbeiten, verfügt das Antriebssystem des Mission E Cross Turismo über eine maximale Leistung von 600 PS (440 Kilowatt), eine Beschleunigungszeit von 0-100 km/h von weniger als 3,5 Sekunden und eine Beschleunigungszeit von 12 Sekunden auf 200 km/h, was ausreicht, um Supersportwagen mit Benzinverbrauch zu übertreffen. Dies spiegelt auch die Entscheidung der Deutschen wider, schnell umzusteigen und in den rein elektrischen Bereich einzusteigen. Denn für diese Supercar-Profis ist der Sieg alles wert.

■ Hohe Energieumwandlungsrate, geeignet für niedrige Geschwindigkeiten und komplexe und wechselhafte Straßenbedingungen

Zu den Eigenschaften von Permanentmagnet-Synchronmotoren gehört eine hohe Energieumwandlungsrate, die über 90 % erreichen kann. Im Vergleich dazu verblassen Benzinmotoren, die chemische Energie mit einem Wirkungsgrad von nur 35 % in kinetische Energie umwandeln, und Asynchronmotoren, die elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von 85 bis 90 % in kinetische Energie umwandeln.

Zweitens ist sein Drehzahlregelbereich relativ groß. Der Begriff „Drehzahlregelbereich“ ist vielleicht etwas zu vage. Einfach ausgedrückt kann es sich an den Leistungsbedarf des Fahrzeugs beim Fahren mit niedriger und hoher Geschwindigkeit anpassen und behält unter allen Arbeitsbedingungen eine relativ hohe Energieumwandlungseffizienz bei. Das heißt, ob im städtischen Stau oder bei hoher Geschwindigkeit, der Permanentmagnet-Synchronmotor kann die vom Fahrzeug benötigte Leistung erbringen und ist dabei relativ energieeffizient.

Schließlich ist er klein und leicht, was im Vergleich zu Asynchronmotoren mit gleicher Leistungsdichte ein Vorteil ist. Obwohl beispielsweise beide Athleten 100 kg heben können, ist der Gewichtheber viel kleiner als der Sumoringer. Dies liegt daran, dass der Gewichtheber über eine höhere „Kraftdichte“ verfügt. Die geringe Größe kann weitere Vorteile für die Gesamtgestaltung des Fahrzeugs mit sich bringen. Im vorderen Fahrgastraum und Kofferraum des Fahrzeugs kann mehr Stauraum geschaffen werden, und am Fahrgestell usw. kann zusätzlicher Platz für die Antriebsbatterie vorgesehen werden. Dies trägt auch zur Leichtbauweise des Fahrzeugs bei.

■ Relativ hohe Kosten, Leistung wird durch Temperaturschwankungen beeinträchtigt

Darüber hinaus sind permanenterregte Synchronmotoren nicht ohne Nachteile. Im Vergleich zu Asynchronmotoren sind ihre Stromkosten pro Einheit theoretisch höher. Das heißt, bei zwei Motoren gleicher Leistung ist der Permanentmagnet-Synchronmotor teurer. Ein weiteres Problem besteht darin, dass der Rotor aus Permanentmagnetmaterial bei starken Temperaturschwankungen eine Entmagnetisierung verursacht, was zu einem Leistungsabfall des Motors führt. Dieses Gefühl ist ein bisschen so, als würde eine Person in einer heißen Wüste ankommen und dehydrieren, was zu einem Rückgang der Körperfunktionen führt.

2. Sind AC-Asynchronmotoren wirklich „rückwärts“?

◆ Der fortschrittliche Tesla verwendete den „rückwärtsgerichteten“ AC-Asynchronmotor?

Werfen wir einen Blick auf das Tesla Model S P100D. Wenn der Ludicrous-Modus aktiviert ist, beträgt die Beschleunigungszeit von 0 auf 100 km/h nur 2,7 Sekunden und die Höchstgeschwindigkeit liegt ebenfalls bei 250 km/h. Diese herausragende Leistung ist auf den scheinbar „rückwärtsgerichteten“ Asynchronmotor zurückzuführen. Warum gilt dieser Motortyp als „rückständig“? Dies liegt daran, dass einige reine Elektrofahrzeuge der unteren Preisklasse, wie etwa die sogenannten Mobilitätsroller für Senioren und die Elektrofahrzeuge im Park, meist Asynchronmotoren verwenden. Daher haften diesem Motortyp Etiketten wie „billig“ und „rückständig“ an. Doch vor Teslas Erfolg wussten die meisten Leute, mich eingeschlossen, nicht, dass Asynchronmotoren eine so hohe Leistung erreichen können.

■ Relativ niedrige Kosten, Leistung wird nicht durch Temperatur beeinflusst

Wenn wir uns diese Daten ansehen, können wir dieses Auto wirklich mit dem Wort „schrecklich“ beschreiben. Welche weiteren Vorteile bietet sein leistungsstarkes „Herz“? Erstens sind die Kosten von Asynchronmotoren mit Induktionsantrieb im Vergleich zu Synchronmotoren mit Permanentmagneten relativ gering, vor allem, weil bei der Herstellung des Rotors keine teuren Permanentmagnetmaterialien verwendet werden müssen. Zweitens ist das Magnetfeld seines Rotors ein elektromagnetisches Feld, das nach dem Einschalten der Stromversorgung entsteht. Daher wird das Magnetfeld des Rotors nicht entmagnetisiert und er kann sich an eine größere Arbeitsumgebungstemperatur anpassen als ein Synchronmotor mit Permanentmagneten.

■ Relativ hoher Energieverbrauch, Leistung bei niedriger Geschwindigkeit ist nicht so gut wie bei Permanentmagnet-Synchronmotoren

Aufgrund der Struktur des Asynchronmotors muss das Volumen des Leiters im Inneren des Motors vergrößert werden, wenn eine höhere Leistung gewünscht wird. Daher ist der Asynchronmotor mit gleicher Leistung wie der Permanentmagnet-Synchronmotor relativ größer und schwerer. Der Nebeneffekt besteht darin, dass es mehr Platz im Auto einnimmt, das Gewicht des Fahrzeugs erhöht und den eigenen Energieverlust steigert. Das Model S P100D gleicht diesen Mangel jedoch durch seine ultragroße 100-kWh-Batterie aus. Da der Motor jedoch schwer ist und die Batterie trotz ihrer großen Kapazität nicht leicht sein kann, verringert sich die Effizienz ihrer Energieumwandlung aufgrund ihres Eigengewichts.

Zweitens ist der Drehzahlregelbereich klein und die Energieumwandlungseffizienz unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen relativ hoch. Dies führt dazu, dass das Model S P100D beim Fahren mit niedriger Geschwindigkeit mehr Energie verbraucht als ein Permanentmagnet-Synchronmotor gleicher Leistung. Beim Fahren mit hoher Geschwindigkeit ist zwar die Energieumwandlungseffizienz des Asynchronmotors unter diesen Bedingungen höher, der hohe Energieverbrauch durch den Luftwiderstand führt jedoch dazu, dass das Fahrzeug schnell Strom verbraucht. Zusammenfassend ist der Energieverbrauch des Modells S P100D unter allen Betriebsbedingungen höher als der von Permanentmagnet-Synchronmotoren gleicher Leistung. Einfach ausgedrückt: Es verbraucht ständig Strom.

● Was wird sich durchsetzen: synchrone Permanentmagnete oder asynchrone Induktionsmotoren?

Anhand zweier sehr repräsentativer Autos bekommen wir zudem einen ersten Eindruck von Motoren mit zwei unterschiedlichen technischen Ansätzen. Welcher dieser Trends wird sich also zum zukünftigen Entwicklungstrend entwickeln? Bevor wir irgendwelche Schlussfolgerungen ziehen, fassen wir zunächst die Eigenschaften dieser beiden Motoren zusammen.

Gemessen an den Vor- und Nachteilen der beiden Motoren weisen Permanentmagnet-Synchronmotoren sowohl bei niedriger als auch bei hoher Geschwindigkeit eine hohe Leistungsdichte und einen relativ hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung auf. Daher eignen sie sich im Vergleich zu Asynchronmotoren mit höherer Effizienz bei hohen Geschwindigkeiten besser für Stadtstraßen mit eher niedrigen Geschwindigkeiten und häufigem Anfahren und Anhalten. Dies erklärt auch, warum Permanentmagnet-Synchronmotoren in den derzeit produzierten reinen Elektrofahrzeugen den Mainstream bilden.

Ein weiterer Grund ist, dass die meisten reinen Elektrofahrzeuge nicht auf extrem hohe Leistung abzielen. Auch wenn die Stückkosten für Permanentmagnet-Synchronmotoren hoch sind, ist die von den einzelnen Unternehmen genutzte Motorleistung nicht hoch genug, um die Herstellungskosten des Autos wesentlich zu beeinflussen. Aus diesem Grund werden die Automobilhersteller, mit Ausnahme von Hochleistungsfahrzeugen, den technischen Weg der Asynchronmotoren nicht in Betracht ziehen.

Tesla weiß zwar, dass der Asynchronmotor den Nachteil hat, bei niedrigen Drehzahlen relativ viel Energie zu verbrauchen, aber warum besteht das Unternehmen darauf, diesen Motortyp zu verwenden? Liegt es einfach an den niedrigen Kosten? Nicht ganz. Tesla hat bei der Wahl dieses technischen Weges noch andere Überlegungen. Der wichtigste Grund hierfür ist, dass das zur Herstellung von Permanentmagnetrotoren verwendete Material – Neodym-Eisen-Bor – in den Vereinigten Staaten eine knappe Ressource ist. Das Permanentmagnetmaterial Neodym-Eisen-Bor ist eine seltene Erdressource. Für Länder, denen es an Seltenerdressourcen mangelt oder die über eine unterentwickelte Seltenerdindustrie verfügen, sind die technischen Lösungen für Automobilmotoren mit der nationalen Sicherheit verbunden. Daher bestehen die amerikanischen Onkel weiterhin auf den „technischen Barrieren“ von Asynchronmotoren. Doch im Vergleich dazu sind die Europäer hinsichtlich der Ressourcen seltener Erden nicht so „übermäßig nervös“ wie die Amerikaner, und viele europäische Unternehmen haben sich für den technischen Weg der Permanentmagnet-Synchronmotoren entschieden.

Da wir gerade über Seltene Erden sprechen, hier noch eine weniger bekannte Tatsache für Sie: Mein Land und Japan verfügen im Vergleich zu anderen Ländern über absolute angeborene Vorteile bei den Seltenen Erden. mein Land verfügt über 70 % der weltweiten Seltenerdressourcen und die Gesamtproduktion an magnetischen NdFeB-Materialien beträgt 80 % der weltweiten Gesamtproduktion (obwohl die Produktion von hochwertigem NdFeB begrenzt ist). Japan ist ein wichtiges Land in der Seltenerdindustrie. Die drei umsatzstärksten NdFeB-Unternehmen der Welt, Sumitomo Special Metals, Shin-Etsu Chemical und TDK Group, sind allesamt japanische Unternehmen, was ihre Stärke unterstreicht. Daher ist es üblich, bei reinen Elektrofahrzeugen chinesischer und japanischer Marken Permanentmagnet-Synchronmotoren zu verwenden.

Es gibt jedoch Neuigkeiten, dass auch Tesla begonnen hat, seinen Technologiekurs in Richtung Permanentmagnet-Synchronmotoren zu verlagern. Zuvor hatten ausländische Medien berichtet, dass der Tesla-Motorenkonstrukteur Konstantinos Laskaris in einem Interview verraten habe, dass Tesla MODEL 3 auf die Verwendung von Asynchronmotoren mit Induktion verzichten und stattdessen Permanentmagnet-Synchronmotoren verwenden werde. Dem gesunden Menschenverstand zufolge handelt es sich hierbei um Teslas „Reue“ und das Unternehmen hat seinen technischen Kurs geändert, um die Energieumwandlungseffizienz des Motors zu verbessern, den Energieverbrauch zu senken und die Reichweite zu erhöhen. Doch es gibt noch einen weiteren Grund, der für Tesla ebenfalls der Auslöser sein könnte, seinen technologischen Kurs zu ändern.

● Alter Klatsch: Tesla wurde wegen „übermäßiger Emissionen“ bestraft

Erinnern Sie sich noch daran, dass ein südostasiatisches Land, bekannt als die „Gartenstadt“, im Jahr 2016 die erste Geldstrafe wegen „Überschreitung der CO2-Standards“ gegen Tesla verhängte? Allein aufgrund dieses Strafzettels musste der Tesla-Besitzer eine Geldstrafe von umgerechnet rund 70.000 Yuan zahlen. Es ist seltsam, wie einem kohlenstoffarmen, umweltfreundlichen und schadstofffreien reinen Elektrofahrzeug in Singapur „übermäßige Emissionen“ vorgeworfen werden können.

Die Situation war damals wie folgt. Als das bestrafte Tesla Model S auf die Einhaltung der CO2-Emissionsstandards der singapurischen Regierung getestet wurde, wurde festgestellt, dass das Auto 444 Wh Strom pro Kilometer (44,4 kWh/100 km) verbraucht. Gemäß den einschlägigen Vorschriften Singapurs beträgt der Stromverbrauch aller Elektrofahrzeuge 0,5 g/Wh Kohlendioxid. Mit anderen Worten: Der Kohlendioxidausstoß des Model S betrug 222 g pro Kilometer, während der Kohlendioxidausstoß eines Autos mit herkömmlichem Kraftstoffverbrauch, das 7 l Kraftstoff pro 100 Kilometer verbraucht, bei 189 g liegt. Tesla wurde also als Überschreitung der Emissionsstandards beurteilt. Allerdings hat dieser Fall im Bereich der reinen Elektrofahrzeuge weltweit für große Kontroversen gesorgt. Tesla-CEO Musk forderte in dieser Angelegenheit sogar Gerechtigkeit von der Regierung Singapurs, doch mit echten Daten als Beweis konnte er die Strafe nur akzeptieren. Es ist jedoch nicht bekannt, ob Musk den Model-S-Besitzer mit der Geldstrafe unterstützt hat.

Nach dieser schmerzhaften Lektion begann Tesla, den Weg der „Energieeinsparung und Emissionsreduzierung“ einzuschlagen, beispielsweise durch die Optimierung der Steuerlogik des elektronischen Steuerungssystems, um den Energieverbrauch zu senken. Beim Model 3 dürfte es allerdings auch an der kleineren Bauform und den weltweit steigenden Anforderungen der Länder an einen niedrigen Energieverbrauch liegen. Dies führte auch zu der Nachricht aus Tesla-internen Kreisen, dass das Model 3 einen Permanentmagnet-Synchronmotor verwenden wird.

Zusammenfassung des Volltextes:

Tatsächlich sind Permanentmagnet-Synchronmotoren und Induktions-Asynchronmotoren die beiden wichtigsten technischen Richtungen im Bereich reiner Elektrofahrzeuge. Wir können nicht einfach sagen, welches besser oder schlechter ist. Es hängt immer noch vom Nutzungsszenario und der ursprünglichen Designabsicht des Fahrzeugs ab. Unter gleichen Leistungsbedingungen sind Permanentmagnet-Synchronmotoren kleiner und effizienter und eignen sich besser für Arbeitsumgebungen mit komplexen Straßenbedingungen und häufigen Starts und Stopps. Andererseits sind Asynchronmotoren mit Induktionsmotor relativ kostengünstig, weniger anfällig für Änderungen der Umgebungstemperatur und besser für das Fahren auf Schnellstraßen geeignet. Man kann sagen, dass die beiden Motoren ihre eigenen Vorteile haben. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Permanentmagnet-Materialtechnologie haben Permanentmagnet-Synchronmotoren schrittweise Durchbrüche bei hohen Geschwindigkeiten erzielt und können derzeit 16.000 U/min oder sogar mehr erreichen. Darüber hinaus müssen die Automobilhersteller angesichts der Vorschriften in einigen Ländern Wege finden, den Energieverbrauch zu senken, um den lokalen politischen Anforderungen gerecht zu werden. Daher ist abzusehen, dass bei Personenkraftwagen – ob Familienautos oder Hochleistungsautos – der Einsatz von Permanentmagnet-Synchronmotoren im Antriebssystem ein wichtiger Trend sein wird, bevor neuere und effizientere Technologien auf den Markt kommen.

Als Gewinner des Qingyun-Plans von Toutiao und des Bai+-Plans von Baijiahao, des Baidu-Digitalautors des Jahres 2019, des beliebtesten Autors von Baijiahao im Technologiebereich, des Sogou-Autors für Technologie und Kultur 2019 und des einflussreichsten Schöpfers des Baijiahao-Vierteljahrs 2021 hat er viele Auszeichnungen gewonnen, darunter den Sohu Best Industry Media Person 2013, den dritten Platz beim China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, den Guangmang Experience Award 2015, den dritten Platz im Finale des China New Media Entrepreneurship Competition 2015 und den Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.