超高性能如何做到的？揭秘特斯拉電動(dòng)汽車的工作原理

　　市面上的電動(dòng)汽車越來越多，電動(dòng)汽車沒有尾氣污染、噪音低、性能高，預(yù)計(jì)2025年就能把汽油和柴油汽車擠出市場。特斯拉ModelS型電動(dòng)汽車如今是世界上加速度最快的量產(chǎn)汽車，這個(gè)視頻介紹特斯拉ModelS型電動(dòng)汽車所采用的技術(shù)。

　　為了讓大家明白電動(dòng)汽車是如何獲得超高的性能，本視頻將分別分析電動(dòng)汽車中的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，逆變器，鋰離子電池，以及整個(gè)汽車是如何協(xié)同工作的。

　　▌感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

　　特斯拉汽車由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是尼古拉˙特斯拉在一個(gè)世紀(jì)前發(fā)明的，特斯拉汽車的名字也是為了紀(jì)念尼古拉˙特斯拉而取的。

　　感應(yīng)電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)主要的部件，定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子由橫著的多根導(dǎo)電桿，兩端的導(dǎo)電圓盤，以及夾在導(dǎo)電圓盤之間的多個(gè)硅鋼片組成。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，從而在電機(jī)中產(chǎn)生具有4個(gè)磁極的磁場，旋轉(zhuǎn)的磁場在轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電桿中產(chǎn)生感應(yīng)電流。因?yàn)閷?dǎo)電桿中有電流，所以導(dǎo)電桿在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終小于磁場的旋轉(zhuǎn)速度，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中沒有電刷，也沒有永磁體，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，這種控制方式簡單可靠。

　　電機(jī)具有變頻驅(qū)動(dòng)模塊，用以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為0到18000轉(zhuǎn)/分鐘，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。對于汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來說，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。

　　而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在輸出所需的扭矩的同時(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。

　　另外，發(fā)動(dòng)機(jī)無法直接產(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)，而將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)機(jī)械平衡方面的問題。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)還有兩個(gè)問題，一個(gè)問題是，發(fā)動(dòng)機(jī)不能像感應(yīng)電動(dòng)機(jī)那樣自己啟動(dòng)，而是需要啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，另一個(gè)問題是，發(fā)動(dòng)機(jī)無法均勻地輸出動(dòng)力。為了解決這兩個(gè)問題，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)不僅可以直接產(chǎn)生旋轉(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。

　　▌逆變器

　　感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力從哪兒來呢？來自電池組。

　　但感應(yīng)電動(dòng)機(jī)需要的是交流電，所以，需要逆變器把電池組輸出直流電，變成感應(yīng)電動(dòng)機(jī)所需要的交流電。逆變器同時(shí)控制其所輸出的交流電的頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外，逆變器甚至能控制交流電的電壓，從而控制電機(jī)的動(dòng)力。

　　因此，逆變器就像電動(dòng)汽車的CEO，執(zhí)行著對電動(dòng)汽車的控制。

　　▌鋰離子電池

　　我們現(xiàn)在研究一下電池組。你可能會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，電池組是由許多節(jié)日常生活中使用18650充電電池組成，“18”表示電池直徑為18毫米，“65”表示電池長度為65毫米，“0”表示電池是圓柱形。這些電池通過串聯(lián)和并聯(lián)，為電動(dòng)車提供動(dòng)力。電池之間有扁平的金屬管，內(nèi)裝冷卻液，用于給電池進(jìn)行冷卻。

　　特斯拉的一個(gè)創(chuàng)新之舉是采用大量的小電池，而不是幾個(gè)大的電池塊，從而確保能對電池進(jìn)行有效冷卻，使得發(fā)熱點(diǎn)盡量地小，溫度分布均勻，從而延長電池組的使用壽命。

　　多節(jié)電池構(gòu)成這種可拆卸的電池模塊，整個(gè)電池組共有16個(gè)這樣的可拆卸電池模塊，共包含大約7000節(jié)電池，位于車頭的散熱器用于對電池組中的冷卻液進(jìn)行冷卻。

　　另外，因?yàn)殡姵亟M安裝在車身較低的位置，從而降低了汽車的重心，汽車重心降低則大大提高了汽車行駛時(shí)的穩(wěn)定性。電池組分布于汽車的整個(gè)底部，電池組堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)有助于汽車抵抗側(cè)面的撞擊。

　　▌動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

　　現(xiàn)在我們繼續(xù)研究特斯拉的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。

　　電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力通過齒輪箱傳輸?shù)津?qū)動(dòng)軸，因?yàn)殡姍C(jī)本身的有效轉(zhuǎn)速范圍比較寬，所以，特斯拉使用的是簡單的單速變速器。電機(jī)輸出的速度通過齒輪，進(jìn)行了2次降速。

　　電動(dòng)汽車的倒車也含簡單，只需要改變電源相位的順序就可以了。電動(dòng)汽車采用變速器的唯一目的，就是通過犧牲轉(zhuǎn)速來獲得更大的扭矩。

　　齒輪箱中的另一個(gè)重要的部件是差速器，動(dòng)力通過齒輪輸送到差速器。這是一個(gè)簡單的開放式的差速器，但開放式的差速器在牽引控制方面有缺陷。

　　這么先進(jìn)的電動(dòng)汽車為什么要使用開放式差速器，而不使用限滑差速器？原因是開放式差速器更結(jié)實(shí)，能夠傳輸更大的扭矩。

　　有2個(gè)方法可以消除開放式差速器的缺陷，一是選擇性制動(dòng)，另一個(gè)是切斷電源供應(yīng)。對于汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，通過切斷油路來切斷動(dòng)力見效慢，而對于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，切斷電源的效果立竿見影，從而可以有效地進(jìn)行牽引控制。

　　特斯拉可以利用最先進(jìn)的算法，結(jié)合傳感器、控制器進(jìn)行牽引控制，簡而言之，特斯拉汽車?yán)弥悄苘浖〈藦?fù)雜的機(jī)械硬件系統(tǒng)。

　　你是否知道，即使只使用油門踏板，也能高效地控制行駛中的電動(dòng)汽車，這歸功于特斯拉強(qiáng)大的動(dòng)力回收系統(tǒng)。也就是說，制動(dòng)時(shí)，汽車巨大的動(dòng)能被轉(zhuǎn)換為電能，而不是被轉(zhuǎn)換為剎車片上的熱能被浪費(fèi)掉。

　　行駛時(shí)，“油門”踏板一旦被松開，電動(dòng)汽車便啟動(dòng)動(dòng)力回收系統(tǒng)，在動(dòng)力回收系統(tǒng)工作時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變成了發(fā)電機(jī)。此時(shí)，車輪驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于磁場的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為電機(jī)輸出動(dòng)力，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大于磁場的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)就變成了發(fā)電機(jī)。

　　此時(shí)逆變器起到關(guān)鍵的作用，逆變器降低輸入到電機(jī)的電流的頻率，從而降低磁場的旋轉(zhuǎn)速度，使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于磁場的旋轉(zhuǎn)速度。從而使電動(dòng)機(jī)變成了發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電流是交流電，轉(zhuǎn)換為直流電后，就可以存儲(chǔ)到電池組中，發(fā)電的同時(shí)，轉(zhuǎn)子受到反向的電磁力，從而給驅(qū)動(dòng)輪施加了阻力，從而降低了驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速和車速。

　　這樣，行駛中，僅僅通過油門踏板就可以精確地控制車速，而剎車踏板用于將汽車完全停下來。

　　由于動(dòng)力回收系統(tǒng)和剎車踏板的共同作用，使得電動(dòng)汽車比汽油和柴油汽車更安全，電動(dòng)汽車的保養(yǎng)和使用比汽油和柴油汽車便宜很多，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)汽車現(xiàn)有的缺點(diǎn)會(huì)逐漸被克服，未來將是電動(dòng)汽車的天下。