上一期專欄為大家解讀了特斯拉Model S的感應(yīng)電機(jī)是如何工作的，以及逆變器的控制邏輯和重要作用。本期繼續(xù)為大家解讀特斯拉Model S的電池包設(shè)計(jì)，還有感應(yīng)電機(jī)是如何回收制動(dòng)能量的。

■  電池包的設(shè)計(jì)

特斯拉Model S采用的是18650三元鋰電池。18指的是直徑18毫米，65指的是長(zhǎng)度為65毫米，0表示采用的是圓柱形設(shè)計(jì)。電池的主流技術(shù)路線分成三種：圓柱形，方格形和軟包形。圓柱形的電池，擁有較高的能量密度，也有不錯(cuò)的穩(wěn)定性和一致性，并且非常適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，通過規(guī)模效應(yīng)可以極大的降低生產(chǎn)制造成本。

▲18650電池單體

以85千瓦時(shí)的特斯拉Model S為例，它的的電池包由16個(gè)電池模塊組成，每個(gè)電池模塊擁有400多個(gè)電池單體，也就是我們常說(shuō)的電芯。所以一共由7000多個(gè)電池單體通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式組成了電池包。并且獲得了超過400伏的直流電壓。用此電壓可以讓Model S獲得0-100公里/小時(shí)3.3秒的加速性能以及超過400公里的綜合續(xù)航里程。

在之前的專欄我為大家介紹過關(guān)于電池一致性的問題。除了電池出廠前通過篩選來(lái)獲得盡可能的一致性以外，在使用過程中確保每一個(gè)電芯環(huán)境溫度的一致，也是讓每一個(gè)電池單體盡可能保持一致性的重要手段。并且，由于每個(gè)電芯都有內(nèi)阻，在放電過程中自身也會(huì)發(fā)熱，所以特斯拉給這7000多個(gè)電芯組成的電池包設(shè)計(jì)了一套液冷系統(tǒng)（水冷）。注意，這套系統(tǒng)不僅僅只是為了給電池由于內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量散熱，更重要的是可以在汽車復(fù)雜的使用環(huán)境中盡可能的保持每一個(gè)電池單體工作溫度的一致，從而讓每個(gè)電池單體的電壓、容量，放電速度也盡可能保持一致，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電池使用壽命。

■ 由7000多個(gè)電池單體構(gòu)成的電池包

由于單個(gè)電芯的密度很大，當(dāng)7000多個(gè)電池單體組成一個(gè)龐大的電池包后，重量也會(huì)超過900公斤，這已經(jīng)接近一個(gè)微型車整車的重量了，所以為了保護(hù)電芯安全穩(wěn)定運(yùn)行，電池包的強(qiáng)度會(huì)被特別加固，除此之外還需要做嚴(yán)格的防水密封措施，除了需要防止外部涉水或惡劣天氣導(dǎo)致的侵入，也要防止冷卻液侵入到電芯當(dāng)中去。

▲采用水冷保持每個(gè)電池單體一致的工作溫度，并通過前端的散熱器進(jìn)行散熱

當(dāng)然，這樣做也帶來(lái)了兩個(gè)好處：由于特斯拉Model S的電池包布置在整車最底部，并且重量大而集中，所以極大的降低了車輛的重心，給操穩(wěn)帶來(lái)良好的作用；其次經(jīng)過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的電池包也可以極大的提高車身側(cè)面剛度，從而提高了車身側(cè)面碰撞的安全性能。要知道這種超高的側(cè)撞安全性能在傳統(tǒng)燃油車當(dāng)中需要額外超強(qiáng)的結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)，并且隨著碰撞法規(guī)的越來(lái)越嚴(yán)格，要想拿到好的碰撞成績(jī)，側(cè)面碰撞是必不可少的加分項(xiàng)。特斯拉以及同類型的電動(dòng)車，在這方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

■  Model S是如何實(shí)現(xiàn)牽引力控制的？

上一篇專欄已經(jīng)介紹過了，特斯拉Model S只采用了一個(gè)單級(jí)傳動(dòng)比。這個(gè)單級(jí)傳動(dòng)比由兩個(gè)減速齒輪來(lái)獲得，最終把動(dòng)力傳遞給了一個(gè)開放式差速器。不過，了解高性能車的用戶肯定知道，像保時(shí)捷911Turbo，或者蘭博基尼法拉利這樣的0-100km/h加速3秒多的超跑來(lái)說(shuō)一定會(huì)采用LSD限滑差速器來(lái)獲得較好的牽引力控制性能。為什么同樣加速3秒多的特斯拉Model S只采用了一個(gè)開放式差速器呢？原因是特斯拉一定要把電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)性能發(fā)揮到極致。

▲放棄限滑差速器，采用智能軟件實(shí)現(xiàn)牽引力控制

首先，傳統(tǒng)的LSD限滑差速器往往是通過多組摩擦片來(lái)傳遞動(dòng)力的，所以嚴(yán)格來(lái)說(shuō)沒有開放式差速器可靠。要知道特斯拉Model S的扭矩輸出超級(jí)強(qiáng)勁，采用開放式差速器能夠適應(yīng)更大的扭矩輸出。其次，特斯拉通過對(duì)單邊車輪的制動(dòng)可以達(dá)到扭矩分配的效果，其實(shí)這種控制方式在燃油車當(dāng)中也經(jīng)常使用到，通過給打滑一側(cè)的車輪施加制動(dòng)力，開放式差速器會(huì)優(yōu)先把動(dòng)力分配給另一側(cè)車輪，從而實(shí)現(xiàn)牽引力控制。

▲通過對(duì)打滑車輪單獨(dú)制動(dòng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力分配

如果加速動(dòng)力過大導(dǎo)致即便制動(dòng)系統(tǒng)介入也于事無(wú)補(bǔ)，那么感應(yīng)電機(jī)則會(huì)發(fā)揮其響應(yīng)速度超快的特質(zhì)，通過逆變器降低供應(yīng)電壓輸出來(lái)降低輪端扭矩，從而保持車輪始終保持抓地。由于電動(dòng)機(jī)的扭矩控制可以在一瞬間完成，必然比發(fā)動(dòng)機(jī)要迅速得多，所以差速制動(dòng)加上傳感器和逆變器的配合，足以讓Model S保持穩(wěn)定的牽引力輸出。

▲通過逆變器迅速切斷電源從而降低扭矩輸出從而擺脫打滑

■ 感應(yīng)電機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收的？

前面專欄里為大家介紹過感應(yīng)異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理。簡(jiǎn)單的說(shuō)，它是由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度始終高于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。同樣的道理，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，感應(yīng)電機(jī)則會(huì)變成發(fā)電機(jī)發(fā)電。我們知道，當(dāng)車輛需要減速時(shí)，在龐大車身重量的慣性下，車輪旋轉(zhuǎn)并且?guī)?dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速與車速是保持一致的。這時(shí)候只需要通過逆變器改變?nèi)嘟涣麟婎l率，調(diào)低旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速則可以獲得一個(gè)比轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速更低的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。逆變器輸出的交流電頻率越低旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速也就越低，這就意味著發(fā)電量越大，車輛的行駛阻力越大。

▲轉(zhuǎn)子速度大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度為發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子速度小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度為電動(dòng)機(jī)

通過調(diào)節(jié)逆變器的輸出頻率就可以線性的調(diào)節(jié)制動(dòng)能量回收力度的大小。再配合制動(dòng)踏板最終把車停下來(lái)。所以對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，絕大部分減速都可以靠電機(jī)的反拖實(shí)現(xiàn)，不僅減小了剎車系統(tǒng)的負(fù)荷延長(zhǎng)了剎車系統(tǒng)壽命，還額外獲得了電能提高了續(xù)航里程，并且通過逆變器的精準(zhǔn)控制，這個(gè)過程完全可以與剎車系統(tǒng)無(wú)縫銜接。