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特斯拉双电机全轮驱动的“技术解”

2018-05-28 06:59 来源: CST三交产研-汽车

世界的技术解

传说中理工科学霸们有一种特殊的技能,就是能用理工科思维去解释整个世界,举几个例子:

“ 喝酒上脸的科学解不是酒量差,而是少了酒精酶,所以别装了。”;

“相亲太多,不知道怎么选怎么办?也有技术解,很简单,画个程序流程图,“是否有房有车 ?” NO--走A路线,YES--直接面谈。“年龄是否<30?”yes--走A1路线,NO--做心理年龄测试。”

“老婆是购物,成了剁手党,怎么办?也有技术解:将要买的东西,按重要性和紧急性,排列成:重要不紧急,又重要又紧急,紧急不重要,不紧急不重要四个象限,只要落在又重要又紧急象限外的物品,一律不买,这叫科学购物。”

好吧,言归正传,今天蜗牛想详细介绍一下特斯拉的双电机系统,网上这方面的资料很多,但大多都是商务、驾驶体验等方面的,蜗牛试着给出一个技术解。

特斯拉Model S D系列双电机

2014年10月 特斯拉推出了全新的双电机全轮驱动D系列车型: 包括60D、85D、P85D 等。所谓双电机全轮驱动,就是在后轮驱动Model S的基础上,在前轴加装了一台电机 ,这样前后轴都有动力源了。

特斯拉双电机全轮驱动的“技术解”

类似的驱动构型在Model X上也有,也是一前一后搭载了两套驱动系统。

特斯拉双电机全轮驱动的“技术解”

双电机驱动车型带来了令人炫目效果,最重要的是两点:

1加速时间变短:以P85D为例,百公里加速达到3.2s,而单电机的P85,需要4s。

2 续航里程变长:85D比85多出了30英里的续航:从265英里(EPA)升到了295英里 。

此外双电机还带来了操纵感更好,电机重量小等优点。但蜗牛更好奇的另外两个问题:

1 为什么双电机系统会有这些优势呢,它的技术解是什么?

2 双电机的构型有很多,为什么特斯拉选择这种构型?

特斯拉 双电机的优势解析

为什么双电机会有动力优势, 大多数的人下意识反应:“ 增加了一个电机功率更大了,当然加速能力更强了,就像CPU由单核变成了双核一样”。这样理解还真把问题想简单了,如果仅仅是追求功率更大,那为什么不把原来那台电机做大一点呢?既简单又方便。其中必有奥妙, 特斯拉首席技术官JB Straubel,在《特斯拉全轮驱动(双电机)功率与扭矩规范》中点出的两个概念,第一个是电池和电机功率匹配,第二个是两个电机的转矩的有效分配。也许就是奥妙所在。

电池和电机功率匹配

单电机系统的电动汽车,一般要求电机的总功率略小于电池电化学反应产生的输出功率,在电池容量不变的条件下,如果想提高动力性能,可以把电机峰值功率做的比电池略大一点,这样在加速和减速过程中, 电池的能力将完全发挥。但这样做带来的一个副作用,就是在正常工况下,电机的功率富裕了很多,出现了大马拉小车的现象,电机负荷都低, 效率就会下降, 续航里程也就下降。这就是单电机系统的死结,加速强则续航短,续航长则加速弱。

特斯拉通过引入双电机来解决这个问题的,他们的原则是电池和电机功率匹配,加速过程中,双电机同时工作,总电机功率提高,让电机的峰值功率和电池的峰值功率匹配。平常行驶时,单电机工作,总功率下降,基本和电池额定功率持平。若载荷较小时,前电机工作,载荷较大时,后电机工作。如此电机即经常工作在高效区间,电池的峰值能力也能完全释放。解开了加速和续航的死结。

特斯拉双电机全轮驱动的“技术解”

转矩有效分配

特斯拉前后双电机,是一主一副,一强一弱的双电机,目前是 前小后大。如下图所示:前电机的功率不到后电机的一半。

特斯拉双电机全轮驱动的“技术解”

为什么要这样分配功率和转矩,特斯拉也算是煞费苦心,这和汽车的动力学问题相关。这里插播一个概念:

“weight transfer”重量转移 --指的是车辆在加速过程中,由于惯性力的作用,前轮的承载会降低,轮子附着力会下降,后轮的承载会提高,轮子的附着力提高 ,相当于重量从前轮转移到了后轮。

加速过程的重量转移现象发生时,前轮给的力大不但低效,反而会使轮子打滑,后轮附着力大,应该把动力更多的分配给后轮。 特斯拉针对这种现象,把后电机作为主电机,分配了更多的转矩,如此两台电机的有效合成扭矩比平均分配大的多。

特斯拉工程师们还做了更深入的研究, 两台电机不仅仅是功率不一样,转矩转速特性曲线也不一样。如下图所示:主电机的是典型的横转矩横功率曲线,而辅电机的转矩却基本持平,可以认为是一个转矩源。这样做的目的是让两台电机实现差异化互补。

特斯拉双电机全轮驱动的“技术解”

做过车用驱动电机设计的人都有一个同样的体会: 单追求爬坡转矩容易,单追求高速性能也容易,不容易的是在一台电机同时追求两个性能 。而且还要控制成本。

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