在電動汽車界，我們都知道特斯拉的行業(yè)地位，雖然其產(chǎn)品已經(jīng)上市多年，但熱度依然不減，特別是Model S的平臺架構(gòu)至今仍在被國內(nèi)很多車企所模仿，并用于高端電動車產(chǎn)品。本期專欄為大家詳細介紹特斯拉Model S的整車電氣平臺架構(gòu)。包括感應(yīng)電機、電池包以及電控系統(tǒng)。并且為大家介紹它們是如何協(xié)同工作并發(fā)揮出強大性能的。 

特斯拉Model S的電機是如何工作的

特斯拉Model S采用的是尼古拉特斯拉發(fā)明的感應(yīng)電機，也叫交流異步電機。它有轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。轉(zhuǎn)子采用鼠籠結(jié)構(gòu)。由若干根導電桿組成一個類似于鼠籠的圓柱形，再由多個硅鋼片制成的導電圓盤疊加在一起，嵌入鼠籠之中。之所以采用硅鋼片是因為它的導磁性能非常好，在很多大型變壓器中也經(jīng)常用疊加的硅鋼片來導磁。片狀疊加的設(shè)計有利于減少發(fā)熱降低內(nèi)部損耗。定子采用三相銅線繞組。在三相正弦波交流電的作用下，定子會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。

▲采用鼠籠結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子

也就是說磁場的南極和北極會隨著介入三相交流電的頻率而旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子到電桿會感應(yīng)到旋轉(zhuǎn)磁場的變化從而產(chǎn)生電流。事實上這個過程可以理解為由于定子產(chǎn)生的磁場在旋轉(zhuǎn)，那么相當于在切割轉(zhuǎn)子的導電桿產(chǎn)生電流，再由到電感中產(chǎn)生的電流產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子磁場，從而獲得旋轉(zhuǎn)動能。由于轉(zhuǎn)子是通過感應(yīng)定子的旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生磁場的，并隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，所以節(jié)奏上要比旋轉(zhuǎn)磁場“慢半拍”，這就是異步電機名稱的由來。

▲轉(zhuǎn)子感應(yīng)到定子旋轉(zhuǎn)磁場則會產(chǎn)生電流從而激發(fā)磁場

感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速取決于交流電的頻率。頻率越高轉(zhuǎn)速越高，頻率越低轉(zhuǎn)速越低。通過控制定子三相交流電的頻率就可以隨時控制轉(zhuǎn)子獲得想要的轉(zhuǎn)速。這種控制簡單可靠，并且由于感應(yīng)電機不需要永磁體，材料主要為鋼和銅，所以成本較低適合大批量生產(chǎn)。由于轉(zhuǎn)子完全是通過感應(yīng)產(chǎn)生的磁場，所以不需要電刷和換向器，不會產(chǎn)生損耗能量的電火花，而且完全免維護。

▲ 與內(nèi)燃機相比電動機具有強大性能優(yōu)勢

Model S的感應(yīng)電機可以從0-18000轉(zhuǎn)隨時調(diào)整轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)燃油發(fā)動機之所以需要變速箱是因為發(fā)動機的最大扭矩輸出轉(zhuǎn)速有很大的局限性，通常只能在2000-4000轉(zhuǎn)之間，所以低速時需要大齒比來降低轉(zhuǎn)速、提高扭矩，高速時需要小齒比來降低扭矩提高轉(zhuǎn)速。而電動機可以在全轉(zhuǎn)速范圍段內(nèi)都能獲得較大的扭矩輸出，特別是低轉(zhuǎn)速時就能獲得峰值扭矩輸出，隨著轉(zhuǎn)速的提升扭矩成雙曲線下降，所以不需要變速箱，只需要單級減速器就能完成車輛的驅(qū)動。特斯拉采用了兩組減速齒輪后獲得了接近10的傳動比。

▲采用兩組減速齒輪（變速箱及電機輸出）構(gòu)成的單級齒輪箱

采用感應(yīng)電機驅(qū)動汽車之后，沒有傳統(tǒng)燃油發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)，所以沒有了燃油車的震動噪音。并且由于感應(yīng)電機不需要怠速，啟動速度幾乎0時差，所以在停車時電機不會消耗任何電能，這可以讓城市走走停停的工況獲得極大的能量利用效率，并且擁有超強的舒適性和靜縊性。

所以，感應(yīng)電機因為擁有超高的功率密度，并且重量輕、可以直接輸出動力，所以響應(yīng)快、動力輸出強勁，成了特斯拉Model S超強加速的根本原因。

逆變器是如何驅(qū)動感應(yīng)電機工作的

由于動力電池輸出的是高電壓的直流電，所以逆變器的一個最重要的作用就是把高電壓高功率的直流電轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電機可以使用的三相交流電。很多在特斯拉展廳見過特斯拉Model S地盤的用戶可以看到，在后驅(qū)動橋上方除了有一個碩大的圓柱體電機以外，還有一個與它對稱，體積相當?shù)膱A柱體，這就是逆變器。

▲圖中紅色部分為感應(yīng)電機，綠色部分為逆變器

逆變器除了可以把直流電轉(zhuǎn)換成交流電以外，還可以控制交流電的頻率從而控制電機的轉(zhuǎn)速。正如前文所說，交流感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速與交流電頻率同步，所以通過逆變器來控制頻率可以達到精準的電機轉(zhuǎn)速控制。感應(yīng)電機除了應(yīng)用在特斯拉Model S上以外，我們常見的電器如：空調(diào)、洗衣機、冰箱都會使用感應(yīng)電機。

我們在購買這些電器的時候經(jīng)常會聽到變頻恒溫等等這樣的名詞。事實上，采用交流感應(yīng)電機的這些電器，同樣是通過控制交流電頻率的手段來控制電機轉(zhuǎn)速。對于空調(diào)冰箱這樣的制冷設(shè)備來說，轉(zhuǎn)速可控就意味著壓縮機的負荷可控，從而可以通過控制交流電頻率來控制制冷量達到恒溫的作用，不會像傳統(tǒng)的制冷設(shè)備那樣忽冷忽熱。

調(diào)節(jié)逆變器交流電頻率控制電機轉(zhuǎn)速

除了通過頻率控制轉(zhuǎn)速以外，逆變器還可以通過控制電壓大小來控制電機的動力輸出。如果說轉(zhuǎn)速直接決定的是汽車的速度的話，那么電壓則可以決定汽車的負荷。什么是負荷？在燃油車當中節(jié)氣門（油門）的開度決定了汽車的負荷，在電動車中電門踏板的深度決定了電機的負荷。當電門到底時，意味著電機需要全負荷加速，當電門開度較小時意味著電機只需要提供部分負荷即可實現(xiàn)駕駛者的意圖。通過控制電壓來控制負荷大小從而實現(xiàn)扭矩輸出的收放自如。

先進的感應(yīng)電機加上先進的逆變器控制，造就了特斯拉強大的動力輸出。這一切都要歸功于一個多世紀前尼古拉特斯拉的偉大發(fā)明。那么為什么性能這么優(yōu)異的電機直到現(xiàn)在才開始逐漸規(guī)?；膽?yīng)用于汽車？這其實是得益于電池技術(shù)的發(fā)展，下期為大家解讀特斯拉Model S的電池組設(shè)計以及它是如何實現(xiàn)燃油車上需要復雜系統(tǒng)才能實現(xiàn)的牽引力控制，以及感應(yīng)電機是如何回收制動能量的。 

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