特斯拉Model S驱动系统的结构与工作原理解析(二)

◆文/广东 蔡元兵

(接上期)

四、特斯拉Model S驱动电机

感应电动机又称“异步电动机”，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转动的装置。特斯拉Model S采用三相感应电机，即三相交流异步电机，可以通过超高电压及弱磁驱动，实现超10 000r/min的高转速，同时通过驱动变频器等电机控制系统，可实现电机600N·m的大扭矩运行，由此保证特斯拉电机输出高功率，从而提升特斯拉动力性能。特斯拉Model S选择的感应电机是更可靠(没有退磁风险)、低成本(永磁材料成本占到同步电机材料成本的70%)、高效率的解决方案。至于特斯拉是怎么将感应电机做到更加高效，就要看铜芯转子的技术了。感应电动机铜芯转子是特斯拉一项创新的技术，也是核心技术之一，其专利号为US20130069476。这项专利2014年和特斯拉的其他专利一并公开。

感应电动机有两个主要的部件，即定子和转子。按照其转子的结构不同分为笼型式感应电动机和绕线式感应电动机，由于绕线式感应电动机成本高、需要维护、缺乏坚固性，因而没有笼型式感应电动机应用广泛，特别是在电动汽车的电力驱动中。笼型感应电动机驱动除了具有无换向器电机的共同优点外，还具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉和维护方便等优点，被众多电动车所采用。特斯拉Model S的感应电机属于笼型式的感应电机，其主要部件也是定子和转子(图8)。

图8 特斯拉Model S感应电机的定子与转子

1.特斯拉Model S的驱动电机定子

定子是感应电动机中不转动的部分，主要由定子铁芯和三相定子绕组组成，主要任务是供电后产生旋转磁场(图9)。定子连接到三相交流电上，线圈中的三相交流电产生旋转的磁场。定子直径：外径254mm、内径157mm；定子长度：152.6mm；定子槽数：60。

图9 特斯拉Model S感应电机的定子

2.特斯拉Model S的驱动电机转子

转子直径：外径155.8mm、内径50mm；转子长度：153.8mm；转子槽数：74。转子由横着的多根导电杆、两端的导电圆盘以及夹在导电圆盘之间的多个硅钢片组成，由定子产生的旋转的磁场在转子的导电杆中产生感应电流(图10)。因为导电杆中有电流，所以导电杆在磁场中转动。而特斯拉的铜芯转子技术则是它的核心技术之一，它的制造过程是这样的：先将铜条插在转子槽中，将所谓楔子(单边74个)插入铜条间隙中，焊接铜条、楔子，再在两侧焊上端环(端环通常使用离心铸造法制造，离心铸造的工艺可以排出其中的杂质和气泡)。

图10 特斯拉Model S电机的铜芯转子

五、特斯拉Model S驱动电机的 工作原理

在感应电动机中，转子的转速始终小于磁场的旋转速度，感应电动机中没有电刷，也没有永磁体，但动力强劲。感应电动机的优点是：感应电动机的转速取决于交流电的频率，所以，只要控制交流电的频率，就可以控制电机的转速，从而控制汽车驱动轮的转速。控制了驱动轮的转速，就控制了电动汽车的车速，这种控制方式简单可靠。电能以U、V、W三相电的形式输入电机，电机转速的快慢主要取决于输入定子励磁电流的交变频率，其调速范围较宽，可以在 0～18 000r/min之间变化，且运行稳定。这个转速指标大大优于采用汽油或柴油发动机的汽车。对于汽油和柴油发动机来说，扭矩符合要求时，转速不一定符合要求，因此，发动机不能直接连接到驱动轮上，发动机必须与变速器配合，才能使驱动轮达到所需要的转速。图11所示为特斯拉Model S电机的工作原理。

图11 特斯拉Model S电机工作原理

电动机的输出特性与发动机相比，具备先天的优越性。内燃机转速与转矩的关系是自然形成的，转矩先跟随转速一起增加，到达两者最高点以后，转速的增加则会带来转矩的降低；而电机则不同，通过扭矩输出控制，基本可以实现低转速大转矩，高转速范围内恒转矩运行，这样的特性与车辆行驶过程中的实际需求恰好吻合。而感应电动机在输出所需扭矩的同时，还能输出所需的转速，能在转速范围内一直保持较高的效率，所以，电动汽车就不需要变速器了。图12所示为特斯拉Model S电机与发动机输出特性的对比。

图12 特斯拉Model S电机与发动机输出特性的对比

另外，发动机无法直接产生旋转运动，而是将活塞的上下直线运动转换成旋转运动。将直线运动转换为旋转运动时，会出现机械平衡方面的问题。

发动机还有两个问题，一个问题是，发动机不能像感应电动机那样自己启动，而是需要启动电机进行启动，另一个问题是，发动机无法均匀地输出动力。为了解决这两个问题，发动机要配备发电机给蓄电池充电，而蓄电池可以为启动电机提供电力，发动机还要配备飞轮，从而尽量均匀地输出动力。

而感应电动机不仅可以直接进行旋转运动，而且可以均匀地输出动力，所以感应电动机可以省去发动机上的很多部件。因此，感应电动机重量比发动机轻，响应速度比发动机快，动力比发动机强，使得电动汽车具有超强的性能。

六、特斯拉Model S变频器

特斯拉Model S交流异步感应电机需要的是交流电能，而动力电池提供的是直流电能，中间电能形式的转换由电机控制器来完成。特斯拉Model S变频器根据整车控制器发送来的整车扭矩需求，从电池包处获得对应功率的能量，进行逆变后，用三相交流调控电机输出转速和扭矩。同时在车辆制动或者滑行的时候，把驱动轮带动电机运转的机械能转变成直流电给电池充电，也就是所说的能量回收。所有新能源汽车电机控制器都在动力电池与驱动电机的中间。特斯拉Model S变频器又叫做逆变器，也就是我们国内所说的电机控制器。图13所示为特斯拉Model S变频器的位置。图14所示为特斯拉Model S变频器的高压输入线束端。

图13 特斯拉Model S变频器的位置

图14 特斯拉Model S变频器的高压输入线束端

1.特斯拉Model S变频器内部整体结构

变频器外壳拆掉之后可以看到里面由3块铝制合成的功率控制板组成了1个外体圆形的变频器，每个边是1个相，共3个功率板，正面由1个母线排和3个IGBT功率驱动板组成，如图15所示。母线排是“两进”“六出”的结构形式，“两进”是连接电池包的正负主母线，“六出”是分配每相功率板的正负母线输入端，母线铜排进来之后经过叠层母排分到每相全桥。拆掉母排后是如图15所示的样子，内部形成一个三角形空穴，其设计精巧特别，这样的制造主要使电机控制器更容易散热。

图15 特斯拉Model S变频器内部整体结构

(未完待续)