特斯拉Model 3三电系统介绍

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特斯拉作为全球新能源销售的佼佼者，越来越受到传统车企的青睐，这里主要指的是对标对象。今天再来回顾一下特斯拉在哪些方面进行了优化或改动

Model 3的电机从原先的感应电机变为嵌入式永磁同步电机,冷却方式也从水冷变为油冷,以缩小尺寸、提高效率。逆变器通过采用Sic (碳化硅)的新电源模块实现小型化。技术方面的特点包括电池采用新型电芯,采用独特连接方式,还扩大了容量、提高了可靠度。

1.驱动电机

特斯拉Model 3的动力总成结构为在减速器的一侧安装电机、另一侧安装逆变器,大致上保持Model s的结构不变,但电机的内部完全不同。值得注意的是, Model 3采用了“嵌入式永磁同步电机(IPMSH-interior permanent magnet synchronous motor)"和“油冷"。

Model 3 与Model S的参数对比

嵌入式永磁同步电机

特斯拉的Roadster、Model S、Model X都采用感应电机,但Model 3首次采用嵌入式永磁同步电机。永磁同步电机的尺寸更有优势,永磁同步电机侧重于小型、低中速领域效率,感应电机则侧重于高速领域效率和大扭矩。Model 3定位为量产型乘用车,因此相比大扭矩产生的加速性能,更侧重于效率(即续航里程) ,因此采用嵌入式永磁同步电机。

感应电机与永磁同步电机

感应电机与永磁同步电机的定子基本一致，但转子不同。感应电机的转子利用定子的磁场,使电流流向转子,从而产生扭矩。不具备磁铁,电流流向转子本身的线圈,再产生扭矩,降低了效率,但通过大电流可获得大扭矩。而永磁同步电机的转子采用磁铁,定子磁场与转子磁铁的磁通量相互作用产生扭矩。转子始终存在由磁铁产生的磁通量,而电流流向定子后就会产生扭矩,效率较高,但转数变高时就无法驱动。因此,要驱动产生高转速,就要利用逆变器减少发电量(称之为磁场削弱控制)来驱动。因此,可驱动产生高转速,但高速范围的效率较低。

转子

定子与转子

2、油冷润滑系统的采用

*转子

1. 转子的铁芯中央部分与左侧1/4和右侧1/4的旋转方向有若干差异,这是为了消除旋转时扭矩不均匀的现象,称之为skew (斜槽度)。
2. 转子内部是磁铁以V字形排列的六极电机。磁铁插入了电磁钢叠片铁芯。
3. 转子轴有多个油管道的中空部分和开孔,通过旋转使冷却油飞溅,同时冷却转子铁芯和定子。
4. 转子铁芯的内径为70mm ,外径在150mm左右,使用厚度0. 25mm的电磁钢片。

*定子

1. 定子值得注意的是油冷的采用。Model S为水冷,但Model 3的定子壳体未采用水冷水套,电机内部完全为油冷。
2. 电机内只有冷却油通道,但与电机一体化的变速器一侧搭载利用冷却水来冷却油的热交换器、电动机油泵、机油滤清器等油冷组件,变速器也负责使油流向电机。
3. 定子铁芯的特点是有56个槽,内径在150mm左右,外径在250mm左右,其形状特殊,用于冷却油流动的开孔较多。此外,在叠片铁芯的中央部位有接油和分配油的通道。
4. 定子线圈与原先一样为分布绕组式线圈,线径为0.8mm。

定子

3.逆变器

中间夹着动力总成的变速器,一侧是电机,另一侧搭载着逆变器。

2012年上市的Model s合计安装了96个电源模块,此次拆解的Model 3具有24个电源模块,其逆变器大幅缩小了尺寸。

*逆变器

逆变器的作用是将电池的直流电转换为三相交流电,进行电机的驱动和回收控制,进行控制的电机控制器的主板位于最上方,下方是向各相电源模块发出指令信号的驱动电路。

电机由逆变器产生的三相交流电力驱动, 3根输电线的连接端子与连接各电源模块的母线板成一体,贯穿变速器内部,用螺栓固定电机线圈的引线。

拆解时逆变器内部的连接处为激光焊接,仅剥除焊料无法拆解,必须切断才能拆下。

逆变器

电机控制主板

母线板

*电源模块与电容器

1. 逆变器的最下方为电容器和电源模块。电容器在逆变器开启或关闭时,对电池直流电流向逆变器时进行过滤。右图中后方黑色物体即为电容器。
2. 母线板向各相电源模块分配的直流电通过逆变器的PM (脉冲宽度调制, PulseWidth Modulation) ,成为交流电,从中央的母线引出,传输至电机。直流电通过电源模块可在5kHz左右的频率下开启和关闭,转换为交流电,但逆变器的主要性能由该电源模块决定。
3. Mode1 3使用的电源模块应该是ST Microelectronics为Model 3开发的sic电源模块(图片最前面并排的多个黑色零部件) 。各相的上/下臂各并列连接着4个电源模块,三相合计安装了24个电源模块。
4. 通过采用SiC MOSFET (碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管, Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ,可减少开启时的损耗和切换损耗,实现小型高效的逆变器。经过铜底板,由下方水冷散热器散热。电源模块连接处的反面没有片状突起,而是有多根棒状排列的散热器(扰流柱散热器) ,利用冷却水进行水冷。水通道由稍大的盖板覆盖和密封。

电源模块与电容器

散热器

壳体背面

sic作为新一代电源组件受到关注,也曾应用于铁路和基建领域,但由于成本高、供应不稳定(只有部分企业能提供晶体缺陷较少的sic,不能保证供应量) ,使得各整车厂都不敢采用,而特斯拉是首家在量产车中采用Sic的整车。

4.电池

Model 3搭载的电池为2170电池电芯, 相比原先尺寸增加20%,容量增加50%。

*电池包

电池包有4个模块,分别搭载印刷电路板。其优点是不像普通的电池包那样连着许多电线,电流的输入输出可通过带状电缆监控。各模块的电池控制器控制充电状态,监控是否处于安全正常的状态。

电池包

电池控制器

*Brick

Mode1 3搭载了4,41个电池电芯。特斯拉将每46个电芯分为一个"Brick" (砖) ,一共有96个Brick。每个Brick中的电芯在集电器上并列连接,整体作为1个电池工作,各个Brick的电压与官方电压一致,为3.6v,但容量却达46倍。如果Brick串联与外部连接,就可获得350v的电压。

Brick

集电器

*集电器

集电器上连接的2根细长的电线分别连接电芯。即使因振动和老化使得电线脱落,少了一个电芯,也只不过损失了整体容量的46分之1,不需要舍弃整个电池包。发生短路时,细电线能作为保险丝,切断与燃烧的系统的连接,几乎不会对车辆的性能产生影响。具有像这样可靠度极高的设计,即使发生一定程度的故障,对驾驶性能的影响也不大。

*电池电芯

相对于其他整车厂都倾向于采用大容量电芯,特斯拉较为独特,采取多个小容量电芯并列连接的方式。无需考虑修理的问题,所以全部采用粘合剂粘合,与其说是免维护,还不如说是无法维护的结构。拆解时电池包上的零部件均采用粘合剂粘合,因此不得不用锤子和凿子撬开盖板,让人觉得特斯拉似乎不希望被看到电池包里面的内容。

Model 3搭载的锂离子电池电芯与原先相同,为圆筒形锂离子电池电芯,但并非用于Mode1 s等车型的18650,而是2170镍钻铝锂离子电池。日本新能源与产业技术综合开发机构(NEDO)资料显示, Mode1 3 (2017款)采用的2170电芯容量为4. 75Ah ,能量密度为260wh/kg、 683wh/L。据推测,特斯拉与松下位于内华达州的大型合资公司生产的电芯是由特斯拉进行模块组装的。

本人也是通过资料的搜集整理，以及对知识的理解消化后，形成自己的阐述方式，将此篇文章奉献给大家，如本人在撰写的文章中，对某些知识有认识不足或有疏漏的地方，还请多多指正。

文章定有疏漏遗误之处，欢迎各位指正交流。

全文完~