特斯拉Model 3三電系統介紹

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特斯拉作為全球新能源銷售的佼佼者，越來越受到傳統車企的青睞，這裡主要指的是對標對象。今天再來回顧一下特斯拉在哪些方面進行了優化或改動。

Model 3的電機從原先的感應電機變為嵌入式永磁同步電機,冷卻方式也從水冷變為油冷,以縮小尺寸、提高效率。逆變器通過採用Sic (碳化矽)的新電源模塊實現小型化。技術方面的特點包括電池採用新型電芯,採用獨特連接方式,還擴大了容量、提高了可靠度。

1.驅動電機

特斯拉Model 3的動力總成結構為在減速器的一側安裝電機、另一側安裝逆變器,大致上保持Model s的結構不變,但電機的內部完全不同。值得注意的是, Model 3採用了「嵌入式永磁同步電機(IPMSH-interior permanent magnet synchronous motor)"和「油冷"。

*嵌入式永磁同步電機

特斯拉的Roadster、Model S、Model X都採用感應電機,但Model 3首次採用嵌入式永磁同步電機。永磁同步電機的尺寸更有優勢,永磁同步電機側重於小型、低中速領域效率,感應電機則側重於高速領域效率和大扭矩。Model 3定位為量產型乘用車,因此相比大扭矩產生的加速性能,更側重於效率(即續航裡程) ,因此採用嵌入式永磁同步電機。

*感應電機與永磁同步電機

感應電機與永磁同步電機的定子基本一致，但轉子不同。感應電機的轉子利用定子的磁場,使電流流向轉子,從而產生扭矩。不具備磁鐵,電流流向轉子本身的線圈,再產生扭矩,降低了效率,但通過大電流可獲得大扭矩。而永磁同步電機的轉子採用磁鐵,定子磁場與轉子磁鐵的磁通量相互作用產生扭矩。轉子始終存在由磁鐵產生的磁通量,而電流流向定子後就會產生扭矩,效率較高,但轉數變高時就無法驅動。因此,要驅動產生高轉速,就要利用逆變器減少發電量(稱之為磁場削弱控制)來驅動。因此,可驅動產生高轉速,但高速範圍的效率較低。

2、油冷潤滑系統的應用

*轉子

1. 轉子的鐵芯中央部分與左側1/4和右側1/4的旋轉方向有若干差異,這是為了消除旋轉時扭矩不均勻的現象,稱之為skew (斜槽度)。
2. 轉子內部是磁鐵以V字形排列的六極電機。磁鐵插入了電磁鋼疊片鐵芯。
3. 轉子軸有多個油管道的中空部分和開孔,通過旋轉使冷卻油飛濺,同時冷卻轉子鐵芯和定子。
4. 轉子鐵芯的內徑為70mm ,外徑在150mm左右,使用厚度0. 25mm的電磁鋼片。

*定子

1. 定子值得注意的是油冷的採用。Model S為水冷,但Model 3的定子殼體未採用水冷水套,電機內部完全為油冷。
2. 電機內只有冷卻油通道,但與電機一體化的變速器一側搭載利用冷卻水來冷卻油的熱交換器、電動機油泵、機油濾清器等油冷組件,變速器也負責使油流向電機。
3. 定子鐵芯的特點是有56個槽,內徑在150mm左右,外徑在250mm左右,其形狀特殊,用於冷卻油流動的開孔較多。此外,在疊片鐵芯的中央部位有接油和分配油的通道。
4. 定子線圈與原先一樣為分布繞組式線圈,線徑為0.8mm。

3.逆變器

中間夾著動力總成的變速器,一側是電機,另一側搭載著逆變器。

2012年上市的Model s合計安裝了96個電源模塊,此次拆解的Model 3具有24個電源模塊,其逆變器大幅縮小了尺寸。

*逆變器

逆變器的作用是將電池的直流電轉換為三相交流電,進行電機的驅動和回收控制,進行控制的電機控制器的主板位於最上方,下方是向各相電源模塊發出指令信號的驅動電路。

電機由逆變器產生的三相交流電力驅動, 3根輸電線的連接端子與連接各電源模塊的母線板成一體,貫穿變速器內部,用螺栓固定電機線圈的引線。

拆解時逆變器內部的連接處為雷射焊接,僅剝除焊料無法拆解,必須切斷才能拆下。

*電源模塊與電容器

1. 逆變器的最下方為電容器和電源模塊。電容器在逆變器開啟或關閉時,對電池直流電流向逆變器時進行過濾。右圖中後方黑色物體即為電容器。
2. 母線板向各相電源模塊分配的直流電通過逆變器的PM (脈衝寬度調製, PulseWidth Modulation) ,成為交流電,從中央的母線引出,傳輸至電機。直流電通過電源模塊可在5kHz左右的頻率下開啟和關閉,轉換為交流電,但逆變器的主要性能由該電源模塊決定。
3. Mode1 3使用的電源模塊應該是ST Microelectronics為Model 3開發的sic電源模塊(圖片最前面並排的多個黑色零部件) 。各相的上/下臂各並列連接著4個電源模塊,三相合計安裝了24個電源模塊。
4. 通過採用SiC MOSFET (碳化矽金屬氧化物半導體場效應電晶體, Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ,可減少開啟時的損耗和切換損耗,實現小型高效的逆變器。經過銅底板,由下方水冷散熱器散熱。電源模塊連接處的反面沒有片狀突起,而是有多根棒狀排列的散熱器(擾流柱散熱器) ,利用冷卻水進行水冷。水通道由稍大的蓋板覆蓋和密封。

sic作為新一代電源組件受到關注,也曾應用於鐵路和基建領域,但由於成本高、供應不穩定(只有部分企業能提供晶體缺陷較少的sic,不能保證供應量) ,使得各整車廠都不敢採用,而特斯拉是首家在量產車中採用Sic的整車。

4.電池

Model 3搭載的電池為2170電池電芯, 相比原先尺寸增加20%,容量增加50%。

*電池包

電池包有4個模塊,分別搭載印刷電路板。其優點是不像普通的電池包那樣連著許多電線,電流的輸入輸出可通過帶狀電纜監控。各模塊的電池控制器控制充電狀態,監控是否處於安全正常的狀態。

*模組

Mode1 3搭載了4,41個電池電芯。特斯拉將每46個電芯分為一個模組 ,一共有96個模組。每個模組中的電芯在集電器上並列連接,整體作為1個電池工作,各個模組的電壓與官方電壓一致,為3.6v,但容量卻達46倍。如果模組串聯與外部連接,就可獲得350v的電壓。

*集電器

集電器上連接的2根細長的電線分別連接電芯。即使因振動和老化使得電線脫落,少了一個電芯,也只不過損失了整體容量的46分之1,不需要捨棄整個電池包。發生短路時,細電線能作為保險絲,切斷與燃燒的系統的連接,幾乎不會對車輛的性能產生影響。具有像這樣可靠度極高的設計,即使發生一定程度的故障,對駕駛性能的影響也不大。

*電池電芯

相對於其他整車廠都傾向於採用大容量電芯,特斯拉較為獨特,採取多個小容量電芯並列連接的方式。無需考慮修理的問題,所以全部採用粘合劑粘合,與其說是免維護,還不如說是無法維護的結構。拆解時電池包上的零部件均採用粘合劑粘合,因此不得不用錘子和鑿子撬開蓋板,讓人覺得特斯拉似乎不希望被看到電池包裡面的內容。

Model 3搭載的鋰離子電池電芯與原先相同,為圓筒形鋰離子電池電芯,但並非用於Mode1 s等車型的18650,而是2170鎳鑽鋁鋰離子電池。日本新能源與產業技術綜合開發機構(NEDO)資料顯示, Mode1 3 (2017款)採用的2170電芯容量為4. 75Ah ,能量密度為260wh/kg、 683wh/L。據推測,特斯拉與松下位於內華達州的大型合資公司生產的電芯是由特斯拉進行模塊組裝的。

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