2014年10月 特斯拉推出了全新的双电机全轮驱动D系列车型: 包括60D、85D、P85D 等。所谓双电机全轮驱动,就是在后轮驱动Model S的基础上,在前轴加装了一台电机 ,这样前后轴都有动力源了。
类似的驱动构型在Model X上也有,也是一前一后搭载了两套驱动系统。
双电机驱动车型带来了令人炫目效果,最重要的是两点:
1加速时间变短:以P85D为例,百公里加速达到3.2s,而单电机的P85,需要4s。
2 续航里程变长:85D比85多出了30英里的续航:从265英里(EPA)升到了295英里 。
此外双电机还带来了操纵感更好,电机重量小等优点。但蜗牛更好奇的另外两个问题:
1 为什么双电机系统会有这些优势呢,它的技术解是什么?
2 双电机的构型有很多,为什么特斯拉选择这种构型?
特斯拉 双电机的优势解析
为什么双电机会有动力优势, 大多数的人下意识反应:“ 增加了一个电机功率更大了,当然加速能力更强了,就像CPU由单核变成了双核一样”。这样理解还真把问题想简单了,如果仅仅是追求功率更大,那为什么不把原来那台电机做大一点呢?既简单又方便。其中必有奥妙, 特斯拉首席技术官JB Straubel,在《特斯拉全轮驱动(双电机)功率与扭矩规范》中点出的两个概念,第一个是电池和电机功率匹配,第二个是两个电机的转矩的有效分配。也许就是奥妙所在。
电池和电机功率匹配
单电机系统的电动汽车,一般要求电机的总功率略小于电池电化学反应产生的输出功率,在电池容量不变的条件下,如果想提高动力性能,可以把电机峰值功率做的比电池略大一点,这样在加速和减速过程中, 电池的能力将完全发挥。但这样做带来的一个副作用,就是在正常工况下,电机的功率富裕了很多,出现了大马拉小车的现象,电机负荷都低, 效率就会下降, 续航里程也就下降。这就是单电机系统的死结,加速强则续航短,续航长则加速弱。
特斯拉通过引入双电机来解决这个问题的,他们的原则是电池和电机功率匹配,加速过程中,双电机同时工作,总电机功率提高,让电机的峰值功率和电池的峰值功率匹配。平常行驶时,单电机工作,总功率下降,基本和电池额定功率持平。若载荷较小时,前电机工作,载荷较大时,后电机工作。如此电机即经常工作在高效区间,电池的峰值能力也能完全释放。解开了加速和续航的死结。
转矩有效分配
特斯拉前后双电机,是一主一副,一强一弱的双电机,目前是 前小后大。如下图所示:前电机的功率不到后电机的一半。
为什么要这样分配功率和转矩,特斯拉也算是煞费苦心,这和汽车的动力学问题相关。这里插播一个概念:
“weight transfer”重量转移 --指的是车辆在加速过程中,由于惯性力的作用,前轮的承载会降低,轮子附着力会下降,后轮的承载会提高,轮子的附着力提高 ,相当于重量从前轮转移到了后轮。
加速过程的重量转移现象发生时,前轮给的力大不但低效,反而会使轮子打滑,后轮附着力大,应该把动力更多的分配给后轮。 特斯拉针对这种现象,把后电机作为主电机,分配了更多的转矩,如此两台电机的有效合成扭矩比平均分配大的多。
特斯拉工程师们还做了更深入的研究, 两台电机不仅仅是功率不一样,转矩转速特性曲线也不一样。如下图所示:主电机的是典型的横转矩横功率曲线,而辅电机的转矩却基本持平,可以认为是一个转矩源。这样做的目的是让两台电机实现差异化互补。
做过车用驱动电机设计的人都有一个同样的体会: 单追求爬坡转矩容易,单追求高速性能也容易,不容易的是在一台电机同时追求两个性能 。而且还要控制成本。
车用电机的高速功率是受电池电压约束的,转矩会随转速迅速衰减,也叫“转矩跌落”。我们想让高速功率更高(上图曲线705,后半段更高),就必须降低电机的转矩系数,但这样的话, 低速电流会变大,出不了那么大转矩。这就是电机人常说的:“低速和高速的平衡矛盾”。
特斯拉的差异化主副电机方案,相当于把这个问题解耦了。主电机做成一个普通的电机,按偏低速爬坡能设计就可以了。辅助电机的做成高速非弱磁电机,它有两个好处:1转矩不随转速变化,功率随转速线性增加,2 由于转矩小,不用考虑低速电流大的问题。这样辅助电机即能补偿主电机高速转矩跌落的问题,又能补偿一些加速转矩。如此两台电机合成的转矩包络是大于一台电机的转矩包络的。不但如此,成本也比两台一模一样的电机合成小的多:
一大一小两类不同特性电机组合而成的高速性能,反而比两台同样大的电机组合更好。这是因为普通车用电机的弱点是:高速时由于电压约束,输出能力会明显下降。而恒转矩电机能以最少的成本,补偿普通电机的弱点,这叫差异化互补。 详见蜗牛的另一篇文章:电动汽车“双电机驱动”家族探秘
小结一下,特斯拉双电机设计之所以能够获得优异的性能,一方面是做到了电池和电机功率匹配。另一方面是针对汽车加速过程中动力学特性,做了转矩的优化分配。并且通过前后电机的差异化设计,获得了性能更优异的等效合成电机,可以说既是系统解决方案,又是部件解决方案。这是我给出的特斯拉双电机技术解。 那么剩下最后一个问题,双电机的构型那么多,为什么选择这种呢?
双电机构型介绍
在《双电机去驱动家族探秘》这篇文章中, 主要介绍了一种叫“双电机耦合驱动的”系统,它只不过是家族的一员。双电机完整的家族谱系,如下图所示:
单轮独立驱动系统,强调的是每个轮子独立驱动,每个轮子的转矩和转速都是独立控制的,如此汽车获得了无与伦比的灵活性和操控性,但与此同时需要实现“电子差速”,“转矩分配”等控制算法,对控制精度和复杂度的挑战也是很大的。从电机的角度出发,左右轮动力要平衡,两台电机必然设计成一致,因此两台电机不能实现差异化互补,电机设计所面临“低速和高速的平衡”矛盾没有得到缓解。因此这种方案,是一种单纯的系统级解决方案。
单轮独立驱动双电机系统
耦合驱动模式的构型如下图,双电机共用一个输出 ,可以等效为一个电机,所以也叫耦合驱动。这种构型的优点是能够有效的解决单电机设计矛盾 ,将一台电机分成两台电机,通过差异化互补,实现等效电机性能优化,是部件级解决方案。
耦合驱动双电机系统
特斯拉选择的前后轴独立驱动型式。优点是: 可充分利用整车的重力产生车辆附着力, 提高整体动力性,同时通过两台电机差异化互补设计,即能获得系统高效,又能降低每台电机的设计难度, 是系统级+部件级综合解决方案。如此选择, 不仅仅是技巧更是智慧了。
前后轴独立驱动-双电机系统
当然特斯拉选择前后轴独立驱动技术,可能还有其它的考量,比如性能和技术成熟度、性能和经济性的平衡等等。
总结
这次对特斯拉D系列双电机系统作了深入的技术 的解读,给出了一个技术解,这个解就是 系统级+部件级解决方案。类似的思路,在我们日常工作生活中也可以用,比如蜗牛写公众号,就是一个综合解决方案,它是一种输出倒逼输入机制,即能提高学习效率,又解决了成就感获得的问题(爱显摆,老毛病了!)因此是一个部件解。同时写公众号,也让我认识到了很多业内的朋友,一步一步的融入电动汽车行业的圈子,启动了一个以十年计的系统工程,因此它也是一个系统解。 所以理工科的思维很有用, 大家一起来修炼吧,从列购物“重要紧急”四象限开始修炼起。
