风语空灵

我们从哪里来? 我们是谁? 我们往哪里去?
个人资料
风语空灵 (热门博主)
  • 博客访问:
正文

顽玩特斯拉 (2) 原理和其中奥妙

(2021-10-09 10:25:51) 下一个

年纪大的人往往平添庸惰,说是不思进取也不为过,但也比年轻时积聚了更多的资本,还坐拥多余的银子任由"挥霍",比如说弄辆好的或心仪的车开开,所选车种特斯拉高居榜首,原因可能是人们说的该车是一个大号的或会奔跑的苹果(手机)。特斯拉电动车是以特斯拉发明的感应电机为原理研制生产的全新车种,许多性能超出了交通工具的范畴,不但被年轻人追捧,而且也受到高龄老顽童们的青睐,特斯拉的瞬间加速在后背上的推力,无论是谁都不可能不激动不已。可以说感应电机是天生为近代车辆问世的,却在历史的仓库里苦苦地等了100年才重见光日。


 (点击这个链接:2022 Tesla S Plaid 加速视频,是你必须看一看的 ,打开链接后点击左上的喇叭符号取消静音)(图片来自网络)

谈电动车的原理自然会联想到早已司空见怪的电动机,日常用的电风扇,吹风机,冰箱,空调等都离不开电机的旋转作用。记得刚来美国时买过一部松下吸尘器,两年多就停止工作了,费了九猫二狗之晕打开一看,原来是电机的电刷磨短了造成接触不良,想尽办法让电刷紧紧与转子接触才解除吸尘器的"罢工"。当这位老顽童去车行打探特斯拉电动车时,自然就关心起特斯拉电动机的电刷问题,人家销售员一句话就立即打消了顾客的顾虑。
"No, No, Tesla's motor doesn't use any carbon brush!"( “不,不,特斯拉的电机不使用任何碳刷”) ,特斯拉销售员终于遇到了一个"迷途的羔羊",连声音都提高了几度。
 
(图片来自网络)

下面让我们来看看特斯拉电动车背后的技术,简而言之它是一种极为一体和同步化的行车机制,是未来人工智能驰骋的疆场。如前面提到的,特斯拉电动车的动力是基于大约100年前伟大科学家尼古拉·特斯拉的一项发明:感应电机,它由定子和转子两个主要部分组成,转子是端环短路的导电体的集合。输入的三相交流电被提供给定子,在特斯拉电机线圈中产生旋转磁场(四极磁场),这种旋转磁场在转子上感应出电流,使其转动。感应电动机既没有电刷也没有永磁体,同时,它坚固而强大。感应电机的美妙之处在于它的速度取决于交流电源的频率。所以只要改变电源的频率,我们就可以改变驱动轮的速度。这个简单的事实使电动汽车的速度控制变得简单而可靠。
 
(图片来自网络)

特斯拉的动力来自车载电池,电池的电流经过变频驱动器到达感应电动机,变频驱动器也控制电机速度,范围从零到 18000 rpm。与燃油汽车相比,这是电动汽车最大的优势。燃油汽车仅在有限的速度范围内产生可用的扭矩和功率输出。因此,不可能将发动机旋转轴直接连接到驱动轮,必须引入变速器来调节驱动轮速度(离合器和变速箱等),而感应电机能在任何速度范围内高效工作。电动汽车不需要那些摩擦耗能的中间环节,即无需多级变速传动,而且燃油发动机要先把活塞的线性运动转换为旋转运动,这里又多出了一个发动机曲轴平衡的复杂机械问题,导致其输出功率的均匀和启动速度都远远不如电动机。燃油发动机有着成千上万个配件,动力输出要经过一系列复杂结构。另一方面,感应电机"天生"的直接旋转运动和均匀的功率输出则可以"简单明了"直达车轮。由于这些因素,感应电机和所驱动的车辆自然而然地有敏捷的响应和很高的功重比,从而带来卓越的性能。如上所说,特斯拉的动力来自电池,而电池产生的是直流电,因此在供应给电机之前,它必须转换为交流电。这时另外一个叫逆变器的组件就开始发挥它至关重要的作用,它还控制交流电源频率,进而控制电机的角速度和行车线速度。此外,逆变器可以改变交流功率的幅度,从而控制电机功率输出。因此,逆变器是电动汽车变相的大脑。

现在让我们来看看特斯拉的电池组。当人们知道它们一组常见的锂离子电池时常常会大吃一惊,每一个特斯拉电池的大小非常类似日常使用的5号电池(目前新一代电池的单个大小和容量会有所变化)。这些电池以串联和并联的方式连接,以产生电动汽车所需的电力。乙二醇作为冷却剂通过电池间隙中的金属管道往复循环带走热量。使用许多小电池而不是几个大电池是特斯拉的独创,从而保证了有效的冷却,最大限度地减少了电池热点,实现温度的均匀分布,从而延长电池寿命。此外,电池组被设计成16个可拆卸的模块,总共约7000个小电池。吸收了电池热量的乙二醇通过安装在车辆前部的散热器冷却。此外,沉重的电池模块被排放在高强度底板上,使特斯拉的整车重心大大降低,从而极大地提高了汽车的稳定性。同时,提供了防侧碰撞的结构刚度。
 
(图片来自网络)

现在让我们回到特斯拉的动力传动系统。电机产生的动力通过变速箱传递到驱动轮。特斯拉使用简单的单速变速器,用它来完成减速和扭矩倍增。电机在各种运行条件下非常高效,电动汽车实现倒档也相当容易,只需更改电源的正负顺序即可。变速箱中的第二个部件是差速器,车辆转弯全靠它,将试图转向一侧的轮子变相减速,以两个轮子的速度差别完成转向。另外,当路面情况变化时,可以把动力分配到摩擦阻力较大的轮子,避免打滑的轮子空转。电动汽车的差速器是一个简单的开放式差速器,它会遇到牵引力控制或分配问题。为什么这么先进的汽车使用开放式差速器而不是限滑差速器呢?答案是开放式差速器更坚固耐用,可以承载更大的扭矩。依靠软件和传感器利用选择性制动和切断电源,特斯拉有效地克服了开放式差速器的不足。燃油车的等同做法是切断燃料,实际上很不灵敏也很难做到,然而,感应电机对电源切断反应灵敏,能对牵引力实现有效控制。
 
(Tesla Plaid Drivetrain,特斯拉的传动机构)(图片来自网络)

在传感器和控制器的帮助下,特斯拉用最先进的算法完成这一切,简而言之,特斯拉以人工智能、迅速的电传和软件取代了复杂的机械硬件系统。比如说,只需优雅地操纵刹车踏板就可以有效地驾驶电动汽车,这受益于再生制动系统,将动能以电能的形式保存下来并使车子减速,而不会以热量的形式消散在空中。当您松开油门踏板,再生制动就会起作用,这时同一个感应电动机转换成感应发电机。逆变器在调整输入电源频率和再生制动方面起着至关重要的作用,电动车刹车或制动时在定子线圈中产生远大于供给的电力,相反的电磁力作用在转子上,起到刹车的作用,产生的电流经转换后存储在电池组中。这样在驱动过程中可以使用单个油门踏板控制车速,刹车踏板只用于完全停止。您可能已经知道,电动汽车比内燃机汽车安全有效得多,电动汽车的维护和驾驶成本也远低于燃油汽车。通过不断改进可以减少电动汽车的缺点(例如充电时间长),电动汽车正在走向未来。

顽玩特斯拉 (1) 漫谈优点和缺点

[ 打印 ]
阅读 ()评论 (6)
评论
风语空灵 回复 悄悄话 回复 '白钉' 的评论 :

专利不太懂了,只好猜一猜,估计感应电机的原理部分不在专利范围,但特斯拉的电机制造工艺也许受专利保护。特斯拉电池及其整体化应用方式等也应该有专利的,最多的应该在AI和软件方面。
白钉 回复 悄悄话
这些东东有木有专利?如有,别的电车厂家怎么办?
风语空灵 回复 悄悄话 回复 '破棉袄' 的评论 :

祝贺你!也被EV迷上了,弄一辆开开,会受益匪浅。特斯拉车除电池之外其它部件会很长寿,我的已六年了,没有观察到电池衰减,若干年后,如果电池出了问题,电池也便宜了,换一下电池就又是一辆"新车"。谢谢!
破棉袄 回复 悄悄话 不错的科普,了解了特斯拉的动力和控制原理。我这几天也变成了特斯拉funboy了,大致了解了自动驾驶和锂电池的原理,加上这篇科普,特斯拉EV的常识基本上贯通了。
风语空灵 回复 悄悄话 回复 'lurenjia2014' 的评论 :

是的。说不定外星人有某种未知技术,把"弯曲"的重力/"发散"的磁力/辐射等,或其他宇宙能量"赋予"到特斯拉线圈,在普通时空中用于飞碟。

Just a wild wild idea. 谢谢! : )
lurenjia2014 回复 悄悄话 特斯拉是牛人,飞碟上都在用特斯拉线圈。但是,飞碟的能量来源,人类还是不知道。
登录后才可评论.