『汤叔解惑』详解特斯拉的强大性能是怎么来的?(上)

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在电动汽车界,我们都知道特斯拉的行业地位,虽然其产品已经上市多年,但热度依然不减,特别是Model S的平台架构至今仍在被国内很多车企所模仿,并用于高端电动车产品。本期专栏为大家详细介绍特斯拉Model S的整车电气平台架构。包括感应电机、电池包以及电控系统。并且为大家介绍它们是如何协同工作并发挥出强大性能的。

『汤叔解惑』详解特斯拉的强大性能是怎么来的?(上)

■ 特斯拉Model S的电机是如何工作的?

特斯拉Model S采用的是尼古拉特斯拉发明的感应电机,也叫交流异步电机。它有转子和定子两部分组成。转子采用鼠笼结构。由若干根导电杆组成一个类似于鼠笼的圆柱形,再由多个硅钢片制成的导电圆盘叠加在一起,嵌入鼠笼之中。之所以采用硅钢片是因为它的导磁性能非常好,在很多大型变压器中也经常用叠加的硅钢片来导磁。片状叠加的设计有利于减少发热降低内部损耗。定子采用三相铜线绕组。在三相正弦波交流电的作用下,定子会产生一个旋转磁场。

▲采用鼠笼结构的感应电机转子

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也就是说磁场的南极和北极会随着介入三相交流电的频率而旋转。在旋转磁场的作用下,转子到电杆会感应到旋转磁场的变化从而产生电流。事实上这个过程可以理解为由于定子产生的磁场在旋转,那么相当于在切割转子的导电杆产生电流,再由到电感中产生的电流产生了转子磁场,从而获得旋转动能。由于转子是通过感应定子的旋转磁场而产生磁场的,并随着定子旋转磁场的转动而转动,所以节奏上要比旋转磁场“慢半拍”,这就是异步电机名称的由来。

▲转子感应到定子旋转磁场则会产生电流从而激发磁场

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感应电机的转速取决于交流电的频率。频率越高转速越高,频率越低转速越低。通过控制定子三相交流电的频率就可以随时控制转子获得想要的转速。这种控制简单可靠,并且由于感应电机不需要永磁体,材料主要为钢和铜,所以成本较低适合大批量生产。由于转子完全是通过感应产生的磁场,所以不需要电刷和换向器,不会产生损耗能量的电火花,而且完全免维护。

▲ 与内燃机相比电动机具有强大性能优势

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Model S的感应电机可以从0-18000转随时调整转速。传统燃油发动机之所以需要变速箱是因为发动机的最大扭矩输出转速有很大的局限性,通常只能在2000-4000转之间,所以低速时需要大齿比来降低转速、提高扭矩,高速时需要小齿比来降低扭矩提高转速。而电动机可以在全转速范围段内都能获得较大的扭矩输出,特别是低转速时就能获得峰值扭矩输出,随着转速的提升扭矩成双曲线下降,所以不需要变速箱,只需要单级减速器就能完成车辆的驱动。特斯拉采用了两组减速齿轮后获得了接近10的传动比。

▲采用两组减速齿轮(变速箱及电机输出)构成的单级齿轮箱

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采用感应电机驱动汽车之后,没有传统燃油发动机的曲柄连杆机构,所以没有了燃油车的震动噪音。并且由于感应电机不需要怠速,启动速度几乎0时差,所以在停车时电机不会消耗任何电能,这可以让城市走走停停的工况获得极大的能量利用效率,并且拥有超强的舒适性和静缢性。

所以,感应电机因为拥有超高的功率密度,并且重量轻、可以直接输出动力,所以响应快、动力输出强劲,成了特斯拉Model S超强加速的根本原因。

■ 逆变器是如何驱动感应电机工作的?

由于动力电池输出的是高电压的直流电,所以逆变器的一个最重要的作用就是把高电压高功率的直流电转换成感应电机可以使用的三相交流电。很多在特斯拉展厅见过特斯拉Model S地盘的用户可以看到,在后驱动桥上方除了有一个硕大的圆柱体电机以外,还有一个与它对称,体积相当的圆柱体,这就是逆变器。

▲图中红色部分为感应电机,绿色部分为逆变器

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逆变器除了可以把直流电转换成交流电以外,还可以控制交流电的频率从而控制电机的转速。正如前文所说,交流感应电机的转速与交流电频率同步,所以通过逆变器来控制频率可以达到精准的电机转速控制。感应电机除了应用在特斯拉Model S上以外,我们常见的电器如:空调、洗衣机、冰箱都会使用感应电机。我们在购买这些电器的时候经常会听到变频恒温等等这样的名词。事实上,采用交流感应电机的这些电器,同样是通过控制交流电频率的手段来控制电机转速。对于空调冰箱这样的制冷设备来说,转速可控就意味着压缩机的负荷可控,从而可以通过控制交流电频率来控制制冷量达到恒温的作用,不会像传统的制冷设备那样忽冷忽热。

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■ 通过逆变器调节交流电频率来控制电机转速

除了通过频率控制转速以外,逆变器还可以通过控制电压大小来控制电机的动力输出。如果说转速直接决定的是汽车的速度的话,那么电压则可以决定汽车的负荷。什么是负荷?在燃油车当中节气门(油门)的开度决定了汽车的负荷,在电动车中电门踏板的深度决定了电机的负荷。当电门到底时,意味着电机需要全负荷加速,当电门开度较小时意味着电机只需要提供部分负荷即可实现驾驶者的意图。通过控制电压来控制负荷大小从而实现扭矩输出的收放自如。

先进的感应电机加上先进的逆变器控制,造就了特斯拉强大的动力输出。这一切都要归功于一个多世纪前尼古拉特斯拉的伟大发明。那么为什么性能这么优异的电机直到现在才开始逐渐规模化的应用于汽车?这其实是得益于电池技术的发展,下期为大家解读特斯拉Model S的电池组设计以及它是如何实现燃油车上需要复杂系统才能实现的牵引力控制,以及感应电机是如何回收制动能量的。

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