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  • 电动汽车核心技术概述

    市面上的电动汽车越来越多,电动汽车没有尾气污染、噪音低、性能高,预计2025年就能把汽油和柴油汽车挤出市场。

    说到电动汽车,就不能不说到特斯拉。目前来讲, Tesla Model S型电动汽车如今是世界上加速度最快的量产电动汽车,本次就以特斯拉Model S型电动汽车为例讲解其所采用的技术,让大家明白电动汽车是如何获得超高的性能的。

    本次将分别分析电动汽车中的感应电动机、锂离子电池、动力传动和回收系统,以及整个汽车是如何协同工作的。

    1、感应电动机

    电动汽车是由感应电动机驱动的。感应电动机是尼古拉特斯拉在1个世纪前发明的,特斯拉汽车的名字也是为了纪念尼古拉特斯拉而取的。

    感应电动机有两个主要部件,定子和转子。内部结构如下图:

    其中,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。

    定子连接到三相交流电上,线圈中的三相交流电产生的磁场,从而在电机中产生具有4个磁极的磁场

    旋转的磁场在转子的导电杆中产生感应电流,因为导电杆中有电流,所以导电杆在磁场中转动。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,就能控制电动机的转速,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。电机同时具有变频驱动模块,用以控制电机的转速,电机的转速范围为0~18000转/分钟。这个转速指标大大优于采用汽油或者柴油发动机的汽车。

    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,发动机必须与复杂的变速器配合,才能使驱动轮达到所需要的转速。而感应电动机在输出所需的扭矩的同时,还能输出输出所需的转速,能在转速范围内一直保持较高的效率。

    另外,传统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为旋转运动,而将直线运动转换为旋转运动时,会出现机械平衡、车辆震动方面的问题。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自己启动,而是需要启动电机进行启动,为了解决这个问题,发动机要配备发电机给蓄电池充电,蓄电池给启动电机提供电力;另一个问题是,发动机无法均匀地输出动力,为了解决这个问题,发动机还要配备飞轮,从而尽量均匀地输出动力。

    相比之下,感应电动机不仅可以直接产生旋转运动,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。

    2、电池组

    感应电动机的动力从哪儿来呢,来自电池组。

    感应电动机需要的是交流电,所以需要逆变器把电池组输出的直流电,变成感应电动机所需要的交流电,逆变器同时控制所输出的交流电的频率,从而控制电机的转速;另外逆变器甚至能控制输出交流电的电压,从而控制电机的动力。因此,逆变器就像电动汽车的CEO一样,执行着对电动汽车的控制。

    我们现在研究一下电池组,你会惊奇的发现,电池组是由许多日常生活中使用的18650充电电池组成(18表示电池的直径为18毫米,65表示电池的长度为65毫米,0表示电池是圆柱形),这些电池通过串联和并联,为电动汽车提供动力。

    电池之间有扁平的金属管,内装冷却液,用于给电池进行冷却。特斯拉的一个创新之举是采用大量的小电池,而不是几个大的电池块,确保电池发热点尽量的小,从而对电池能够有效冷却,温度分布均匀,进而延长电池组的使用寿命。多节电池构成可拆卸的电池模块,这个电池组共有16个这样的可拆卸电池模块,共包含大约7000节电池。位于车头的散热器用于给电池组中的冷却液进行冷却。

    因为电池组安装在车身较低的位置,从而降低了汽车的重心,汽车重心降低则大大降低了汽车行驶时的稳定性。电池组分布于整个汽车的底部,电池组坚固的结构有助于汽车抗击侧面的撞击。

    3、动力传动系统

    现在我们继续研究特斯拉的动力传动系统。电机产生的驱动通过齿轮箱经过两次降速,传输到了驱动轴,齿轮箱里包含了变速器和差速器。

    电动汽车采用变速器的唯一目的就是通过牺牲转速来获得更大的扭矩。因为电机本身的有效转速范围宽,所以特斯拉使用的是简单的单速变速器。

    电动汽车的倒车也很简单,只需要改变电源相位的顺序就可以了。

    齿轮箱中的另外一个重要部件是差速器。

    动力通过齿轮输送到差速器,特斯拉使用的是一个简单的开放式的差速器。通常我们认为,开放式的差速器在牵引控制方面有缺陷,那么这么先进的电动车为什么要是用开放式差速器而不使用限滑差速器呢?

    原因是开放式差速器更结实,能够传输更大的扭矩。

    有两个方法可以消除开放式差速器的缺陷,一是选择性制动,另一个是切断电源供应。对于汽油和柴油发动机来说,通过油路来切断动力见效慢。而对于感应电动机,切断电源的效果立竿见影,从而可以有效进行牵引控制,特斯拉可以利用最先进的算法,结合传感器、控制器进行牵引控制。简而言之,特斯拉运用智能软件取代了复杂的机械硬件系统。

    4、动力回收系统

    你知道吗?即使只是使用油门踏板,也能高效的控制行驶中的电动汽车,这归功于特斯拉强大的动力回收系统。

    也就是说制动时,汽车巨大的动能转化为电能,而不是被转化为刹车片上的热量被浪费掉。行驶时,油门踏板一旦松开,电动汽车便启动动力回收系统,在动力系统回收工作时,感应电动机变成了发电机。此时,车轮驱动感应电动机的转子,在转子的转速小于磁场的旋转速度时,感应电动机作为电机输出动力,当转子的转速,大于磁场的旋转速度时,感应电动机就变成了发电机。

    此时逆变器起到关键的作用,逆变器降低输出到电机的电流频率,从而降低磁场的旋转速度,使得转子的转速高于磁场的旋转速度,从而使电动机就变成了发电机,产生的电流是交流电,转化为直流电后,就可以储存到电池组中。发电的同时,转子受到反向的电磁力,从而给驱动轮施加了阻力,从而降低了驱动轮的转速和车速。这样在行驶中,仅仅通过油门踏板就可以精准的控制车速。而刹车踏板用于将汽车完全停下来。

    电动汽车比汽油和柴油车更安全,电动汽车的保养和使用也比汽油和柴油汽车便宜很多。

    随着技术的不断进步,电动汽车现有的缺点会逐渐被克服,未来将是电动汽车的天下。

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