特斯拉Model S驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理解析(二)

◆文/廣東 蔡元兵

(接上期)

四、特斯拉Model S驅(qū)動(dòng)電機(jī)

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又稱“異步電動(dòng)機(jī)”，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，因而轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。特斯拉Model S采用三相感應(yīng)電機(jī)，即三相交流異步電機(jī)，可以通過(guò)超高電壓及弱磁驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超10 000r/min的高轉(zhuǎn)速，同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)變頻器等電機(jī)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)600N·m的大扭矩運(yùn)行，由此保證特斯拉電機(jī)輸出高功率，從而提升特斯拉動(dòng)力性能。特斯拉Model S選擇的感應(yīng)電機(jī)是更可靠(沒(méi)有退磁風(fēng)險(xiǎn))、低成本(永磁材料成本占到同步電機(jī)材料成本的70%)、高效率的解決方案。至于特斯拉是怎么將感應(yīng)電機(jī)做到更加高效，就要看銅芯轉(zhuǎn)子的技術(shù)了。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)銅芯轉(zhuǎn)子是特斯拉一項(xiàng)創(chuàng)新的技術(shù)，也是核心技術(shù)之一，其專利號(hào)為US20130069476。這項(xiàng)專利2014年和特斯拉的其他專利一并公開(kāi)。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)主要的部件，即定子和轉(zhuǎn)子。按照其轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同分為籠型式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，由于繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)成本高、需要維護(hù)、缺乏堅(jiān)固性，因而沒(méi)有籠型式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，特別是在電動(dòng)汽車的電力驅(qū)動(dòng)中。籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)除了具有無(wú)換向器電機(jī)的共同優(yōu)點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，被眾多電動(dòng)車所采用。特斯拉Model S的感應(yīng)電機(jī)屬于籠型式的感應(yīng)電機(jī)，其主要部件也是定子和轉(zhuǎn)子(圖8)。

圖8 特斯拉Model S感應(yīng)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子

1.特斯拉Model S的驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子

定子是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，主要由定子鐵芯和三相定子繞組組成，主要任務(wù)是供電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(圖9)。定子連接到三相交流電上，線圈中的三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。定子直徑：外徑254mm、內(nèi)徑157mm；定子長(zhǎng)度：152.6mm；定子槽數(shù)：60。

圖9 特斯拉Model S感應(yīng)電機(jī)的定子

2.特斯拉Model S的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子直徑：外徑155.8mm、內(nèi)徑50mm；轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度：153.8mm；轉(zhuǎn)子槽數(shù)：74。轉(zhuǎn)子由橫著的多根導(dǎo)電桿、兩端的導(dǎo)電圓盤(pán)以及夾在導(dǎo)電圓盤(pán)之間的多個(gè)硅鋼片組成，由定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電桿中產(chǎn)生感應(yīng)電流(圖10)。因?yàn)閷?dǎo)電桿中有電流，所以導(dǎo)電桿在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)。而特斯拉的銅芯轉(zhuǎn)子技術(shù)則是它的核心技術(shù)之一，它的制造過(guò)程是這樣的：先將銅條插在轉(zhuǎn)子槽中，將所謂楔子(單邊74個(gè))插入銅條間隙中，焊接銅條、楔子，再在兩側(cè)焊上端環(huán)(端環(huán)通常使用離心鑄造法制造，離心鑄造的工藝可以排出其中的雜質(zhì)和氣泡)。

圖10 特斯拉Model S電機(jī)的銅芯轉(zhuǎn)子

五、特斯拉Model S驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 工作原理

在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終小于磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中沒(méi)有電刷，也沒(méi)有永磁體，但動(dòng)力強(qiáng)勁。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于交流電的頻率，所以，只要控制交流電的頻率，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制汽車驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速?？刂屏蓑?qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，就控制了電動(dòng)汽車的車速，這種控制方式簡(jiǎn)單可靠。電能以U、V、W三相電的形式輸入電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢主要取決于輸入定子勵(lì)磁電流的交變頻率，其調(diào)速范圍較寬，可以在 0～18 000r/min之間變化，且運(yùn)行穩(wěn)定。這個(gè)轉(zhuǎn)速指標(biāo)大大優(yōu)于采用汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車。對(duì)于汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，扭矩符合要求時(shí)，轉(zhuǎn)速不一定符合要求，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)不能直接連接到驅(qū)動(dòng)輪上，發(fā)動(dòng)機(jī)必須與變速器配合，才能使驅(qū)動(dòng)輪達(dá)到所需要的轉(zhuǎn)速。圖11所示為特斯拉Model S電機(jī)的工作原理。

圖11 特斯拉Model S電機(jī)工作原理

電動(dòng)機(jī)的輸出特性與發(fā)動(dòng)機(jī)相比，具備先天的優(yōu)越性。內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系是自然形成的，轉(zhuǎn)矩先跟隨轉(zhuǎn)速一起增加，到達(dá)兩者最高點(diǎn)以后，轉(zhuǎn)速的增加則會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)矩的降低；而電機(jī)則不同，通過(guò)扭矩輸出控制，基本可以實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，這樣的特性與車輛行駛過(guò)程中的實(shí)際需求恰好吻合。而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在輸出所需扭矩的同時(shí)，還能輸出所需的轉(zhuǎn)速，能在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)一直保持較高的效率，所以，電動(dòng)汽車就不需要變速器了。圖12所示為特斯拉Model S電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性的對(duì)比。

圖12 特斯拉Model S電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性的對(duì)比

另外，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是將活塞的上下直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)機(jī)械平衡方面的問(wèn)題。

發(fā)動(dòng)機(jī)還有兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)問(wèn)題是，發(fā)動(dòng)機(jī)不能像感應(yīng)電動(dòng)機(jī)那樣自己?jiǎn)?dòng)，而是需要啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，另一個(gè)問(wèn)題是，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法均勻地輸出動(dòng)力。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)要配備發(fā)電機(jī)給蓄電池充電，而蓄電池可以為啟動(dòng)電機(jī)提供電力，發(fā)動(dòng)機(jī)還要配備飛輪，從而盡量均勻地輸出動(dòng)力。

而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不僅可以直接進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且可以均勻地輸出動(dòng)力，所以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以省去發(fā)動(dòng)機(jī)上的很多部件。因此，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)重量比發(fā)動(dòng)機(jī)輕，響應(yīng)速度比發(fā)動(dòng)機(jī)快，動(dòng)力比發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)，使得電動(dòng)汽車具有超強(qiáng)的性能。

六、特斯拉Model S變頻器

特斯拉Model S交流異步感應(yīng)電機(jī)需要的是交流電能，而動(dòng)力電池提供的是直流電能，中間電能形式的轉(zhuǎn)換由電機(jī)控制器來(lái)完成。特斯拉Model S變頻器根據(jù)整車控制器發(fā)送來(lái)的整車扭矩需求，從電池包處獲得對(duì)應(yīng)功率的能量，進(jìn)行逆變后，用三相交流調(diào)控電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩。同時(shí)在車輛制動(dòng)或者滑行的時(shí)候，把驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成直流電給電池充電，也就是所說(shuō)的能量回收。所有新能源汽車電機(jī)控制器都在動(dòng)力電池與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的中間。特斯拉Model S變頻器又叫做逆變器，也就是我們國(guó)內(nèi)所說(shuō)的電機(jī)控制器。圖13所示為特斯拉Model S變頻器的位置。圖14所示為特斯拉Model S變頻器的高壓輸入線束端。

圖13 特斯拉Model S變頻器的位置

圖14 特斯拉Model S變頻器的高壓輸入線束端

1.特斯拉Model S變頻器內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)

變頻器外殼拆掉之后可以看到里面由3塊鋁制合成的功率控制板組成了1個(gè)外體圓形的變頻器，每個(gè)邊是1個(gè)相，共3個(gè)功率板，正面由1個(gè)母線排和3個(gè)IGBT功率驅(qū)動(dòng)板組成，如圖15所示。母線排是“兩進(jìn)”“六出”的結(jié)構(gòu)形式，“兩進(jìn)”是連接電池包的正負(fù)主母線，“六出”是分配每相功率板的正負(fù)母線輸入端，母線銅排進(jìn)來(lái)之后經(jīng)過(guò)疊層母排分到每相全橋。拆掉母排后是如圖15所示的樣子，內(nèi)部形成一個(gè)三角形空穴，其設(shè)計(jì)精巧特別，這樣的制造主要使電機(jī)控制器更容易散熱。

圖15 特斯拉Model S變頻器內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)

(未完待續(xù))