特斯拉Model S驅動系統的結構與工作原理解析(二)

◆文/廣東 蔡元兵

(接上期)

四、特斯拉Model S驅動電機

感應電動機又稱“異步電動機”，即轉子置于旋轉磁場中，在旋轉磁場的作用下，獲得一個轉動力矩，因而轉動的裝置。特斯拉Model S采用三相感應電機，即三相交流異步電機，可以通過超高電壓及弱磁驅動，實現超10 000r/min的高轉速，同時通過驅動變頻器等電機控制系統，可實現電機600N·m的大扭矩運行，由此保證特斯拉電機輸出高功率，從而提升特斯拉動力性能。特斯拉Model S選擇的感應電機是更可靠(沒有退磁風險)、低成本(永磁材料成本占到同步電機材料成本的70%)、高效率的解決方案。至于特斯拉是怎么將感應電機做到更加高效，就要看銅芯轉子的技術了。感應電動機銅芯轉子是特斯拉一項創新的技術，也是核心技術之一，其專利號為US20130069476。這項專利2014年和特斯拉的其他專利一并公開。

感應電動機有兩個主要的部件，即定子和轉子。按照其轉子的結構不同分為籠型式感應電動機和繞線式感應電動機，由于繞線式感應電動機成本高、需要維護、缺乏堅固性，因而沒有籠型式感應電動機應用廣泛，特別是在電動汽車的電力驅動中。籠型感應電動機驅動除了具有無換向器電機的共同優點外，還具有結構簡單、堅固耐用、運行可靠、價格低廉和維護方便等優點，被眾多電動車所采用。特斯拉Model S的感應電機屬于籠型式的感應電機，其主要部件也是定子和轉子(圖8)。

圖8 特斯拉Model S感應電機的定子與轉子

1.特斯拉Model S的驅動電機定子

定子是感應電動機中不轉動的部分，主要由定子鐵芯和三相定子繞組組成，主要任務是供電后產生旋轉磁場(圖9)。定子連接到三相交流電上，線圈中的三相交流電產生旋轉的磁場。定子直徑：外徑254mm、內徑157mm；定子長度：152.6mm；定子槽數：60。

圖9 特斯拉Model S感應電機的定子

2.特斯拉Model S的驅動電機轉子

轉子直徑：外徑155.8mm、內徑50mm；轉子長度：153.8mm；轉子槽數：74。轉子由橫著的多根導電桿、兩端的導電圓盤以及夾在導電圓盤之間的多個硅鋼片組成，由定子產生的旋轉的磁場在轉子的導電桿中產生感應電流(圖10)。因為導電桿中有電流，所以導電桿在磁場中轉動。而特斯拉的銅芯轉子技術則是它的核心技術之一，它的制造過程是這樣的：先將銅條插在轉子槽中，將所謂楔子(單邊74個)插入銅條間隙中，焊接銅條、楔子，再在兩側焊上端環(端環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和氣泡)。

圖10 特斯拉Model S電機的銅芯轉子

五、特斯拉Model S驅動電機的 工作原理

在感應電動機中，轉子的轉速始終小于磁場的旋轉速度，感應電動機中沒有電刷，也沒有永磁體，但動力強勁。感應電動機的優點是：感應電動機的轉速取決于交流電的頻率，所以，只要控制交流電的頻率，就可以控制電機的轉速，從而控制汽車驅動輪的轉速。控制了驅動輪的轉速，就控制了電動汽車的車速，這種控制方式簡單可靠。電能以U、V、W三相電的形式輸入電機，電機轉速的快慢主要取決于輸入定子勵磁電流的交變頻率，其調速范圍較寬，可以在 0～18 000r/min之間變化，且運行穩定。這個轉速指標大大優于采用汽油或柴油發動機的汽車。對于汽油和柴油發動機來說，扭矩符合要求時，轉速不一定符合要求，因此，發動機不能直接連接到驅動輪上，發動機必須與變速器配合，才能使驅動輪達到所需要的轉速。圖11所示為特斯拉Model S電機的工作原理。

圖11 特斯拉Model S電機工作原理

電動機的輸出特性與發動機相比，具備先天的優越性。內燃機轉速與轉矩的關系是自然形成的，轉矩先跟隨轉速一起增加，到達兩者最高點以后，轉速的增加則會帶來轉矩的降低；而電機則不同，通過扭矩輸出控制，基本可以實現低轉速大轉矩，高轉速范圍內恒轉矩運行，這樣的特性與車輛行駛過程中的實際需求恰好吻合。而感應電動機在輸出所需扭矩的同時，還能輸出所需的轉速，能在轉速范圍內一直保持較高的效率，所以，電動汽車就不需要變速器了。圖12所示為特斯拉Model S電機與發動機輸出特性的對比。

圖12 特斯拉Model S電機與發動機輸出特性的對比

另外，發動機無法直接產生旋轉運動，而是將活塞的上下直線運動轉換成旋轉運動。將直線運動轉換為旋轉運動時，會出現機械平衡方面的問題。

發動機還有兩個問題，一個問題是，發動機不能像感應電動機那樣自己啟動，而是需要啟動電機進行啟動，另一個問題是，發動機無法均勻地輸出動力。為了解決這兩個問題，發動機要配備發電機給蓄電池充電，而蓄電池可以為啟動電機提供電力，發動機還要配備飛輪，從而盡量均勻地輸出動力。

而感應電動機不僅可以直接進行旋轉運動，而且可以均勻地輸出動力，所以感應電動機可以省去發動機上的很多部件。因此，感應電動機重量比發動機輕，響應速度比發動機快，動力比發動機強，使得電動汽車具有超強的性能。

六、特斯拉Model S變頻器

特斯拉Model S交流異步感應電機需要的是交流電能，而動力電池提供的是直流電能，中間電能形式的轉換由電機控制器來完成。特斯拉Model S變頻器根據整車控制器發送來的整車扭矩需求，從電池包處獲得對應功率的能量，進行逆變后，用三相交流調控電機輸出轉速和扭矩。同時在車輛制動或者滑行的時候，把驅動輪帶動電機運轉的機械能轉變成直流電給電池充電，也就是所說的能量回收。所有新能源汽車電機控制器都在動力電池與驅動電機的中間。特斯拉Model S變頻器又叫做逆變器，也就是我們國內所說的電機控制器。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變頻器內部整體結構

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個外體圓形的變頻器，每個邊是1個相，共3個功率板，正面由1個母線排和3個IGBT功率驅動板組成，如圖15所示。母線排是“兩進”“六出”的結構形式，“兩進”是連接電池包的正負主母線，“六出”是分配每相功率板的正負母線輸入端，母線銅排進來之后經過疊層母排分到每相全橋。拆掉母排后是如圖15所示的樣子，內部形成一個三角形空穴，其設計精巧特別，這樣的制造主要使電機控制器更容易散熱。

圖15 特斯拉Model S變頻器內部整體結構

(未完待續)