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【汽车解码】特斯拉Model S底盘深度解读

腾讯数码[微博]刘琦2015年08月20日07:32

[摘要]本期,我们来彻底解构下特斯拉Model S的底盘结构。共分为三部分来讲:电池组、电机,以及四驱。

编者按:前一段时间游侠汽车发布之后,关于其底盘技术是否“山寨”自特斯拉的讨论不绝于耳,那么特斯拉的底盘到底什么样?对于一款纯电动车来说,好似身体骨架的底盘又有什么特别之处?本文我们就来一次深度解读。

腾讯数码讯(刘琦) 特斯拉的第一代产品Roadster,用的是莲花Elise的底盘。这台车当时卖了2000多台。现在,这个经典的跑车底盘又被底特律电动车(Detroit Electric)拿来做另外一款“Roadster”了。

2012年,特斯拉发布Model S。底盘结构由特斯拉自主研发,并为其今后的车系奠定了基础。与燃油汽车不同,特斯拉一个底盘就可以涵盖所有级别的车型。比如将于2017年上市的Model 3,其底盘是在Model S的基础上缩短了轴距而已。

【汽车解码】特斯拉Model S底盘深度解读

本期,我们来彻底解构下特斯拉Model S的底盘结构。共分为三部分来讲:电池组、电机,以及四驱。先从电池组说起。

特斯拉的电池,是特斯拉的核心专利技术之一,可以说是整台Model S最核心的一个零件。特斯拉一共拥有249项专利,其中有104项是跟电池有关的。与很多采用几个大的电池单元成电池组的布局不同,特斯拉采用的是与笔记本一样的电池。整台Model S的整备质量为2108kg(2.1吨),其中电池组的重量就占了600kg(0.6吨)。作为一辆D级豪华车,特斯拉Model S并没有超重。这在很大程度上得益于Model S的全铝车身。

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由于电池组横贯于位于车辆底部,这使得Model S的重心得以降低,平衡了配重,从而提升了操控性。根据官方数据,Model S的前后配重比为48:52。

在Model S刚上市时,按照电池划分共有3款型号,分别是85kWh、60kWh,以及40kWh。2013年,由于40kWh车型销量惨淡,特斯拉决定停止销售。不久前,特斯拉又推出了70Kwh车型,来取代之前的60kWh版本。

值得一提的是,当年60kWh的车型与40kWh的车型,电池组其实是一样的;两者的区别在于,特斯拉将40kWh的电池进行了软件限制,从而在一个可容纳60kWh电量的电池组中,只有40kWh的电量可用。

而85kWh电池与60kWh电池的区别,主要是电池组中装配的电池单元数量。85kWh的电池组电压为400V,由一共16个电池包组成,每个电池包装配了444颗电池单元,所以这个电池组一共有7104颗电池组成。60kWh,则是由14个电池包,共计6216颗电池单元组成。这里所说的电池单元,是由松下提供的NCR-18650A型电池。

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18650是可充电锂离子电池的一种型号,它的命名来源于这种电池的尺寸——18mm*65mm,但由于还要加入保护电路,所以电池的实际尺寸要略微大几零点几毫米。18650电池的主要用途,是笔记本电脑的电池,它有很多生产厂商;而特斯拉则选用了松下提供的18650电池,但要注意特斯拉使用的电池与笔记本中的电池还是有差别。18650只是一个统称。

早前特斯拉的第一代电动跑车、基于莲花Elise地盘的特斯拉Roadster,使用的也是松下18650电池,只不过电池容量为2100mAh,而后来Model S采用的18650A型电池的容量则为3100mAh。后者不仅在容量上有所提升,由于正极材料从之前的钴酸锂(LCO)改为了镍钴铝酸锂(NCA),使其在使用寿命、输出功率、安全性以及温度控制方面有不小的提升。镍钴铝酸锂电池,是所谓的三元电池的一种;而三元电池,则是指正极材料由三种不同元素组成的锂电池。除了镍钴铝酸锂,三元电池还有镍钴锰酸锂电池。

下面我们以85kWh的电池组为例,来看下它的内部设计是怎么样的。首先,85kWh电池组,由共计16个电池包组成。电池包的排列非常规整,两组、每组7个并列排放,然后还有另外2个上下堆叠放在电池组的头部突出部分,其中上面的电池包是反过来放的。每一个电池包内部都有同样的冷却液循环系统,以及一块电控板。

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冷却液循环系统,在电池包的内部呈S型排列,它将444块电池纵向划分为了7组,每组两列。所以说,特斯拉对于电池温度的控制,已经精确到了单个电池单元。由此,我们可以看出特斯拉采用这种“笔记本”电池的好处之一,那就是做到更精确的温度控制,使冷却系统能够贯穿整个电池内部。

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在动力电池的冷却方面,有两种主流选择:空气冷却或液体冷却。空气冷却,顾名思义靠行驶过程中的气流来带走热量,这种冷却系统成本低、结构简单,但效率也低、而且占用空间较大;相比之下,液体冷却效率最高,适合特斯拉装备的大功率电池,而且在结构设计上比空气冷却要更加灵活,但关键因素是成本较高。不仅如此,液体冷却还会存在冷却液外泄的危险,后期的保养与维护成本也较高。

除了电池外,最重要的就是电动机了。特斯拉Model S采用的,是由特斯拉与台湾富田公司共同研发与制造的三相交流感应电机。特斯拉汽车之所以叫做特斯拉,就是因为他们采用了由物理学家尼古拉•特斯拉发明的感应电机。所以,电动机是特斯拉的心脏,也是这家公司核心精神的体现。

目前,在电动汽车的电机方面,交流感应电机与永磁同步电机是采用较多的两种。与永磁电机相比,感应电机的成本略低;但同时,它的性能与效率也相对较差。其中,永磁同步电机需要用到稀土资源,目前全球市场绝大部分的稀土资源是由中国提供的。所以基于资源的控制,以及制造成本的考虑,欧美市场的大部分纯电动车或混动车型,采用的都是感应电机。

与这台感应电机搭配的,是一个电流逆变器。它将电池组的直流电转换为交流电,输入到感应电机中;而感应电机的动力则通过一个9.73:1的固定齿比变速箱,将动力创送至轮端。此外,与上述驱动机构搭配的,还有一个差速器——这是任何一辆车都必备的零件。电池、电机、逆变器,以及固定齿比的变速箱,构成了特斯拉Model S的动力总成。

我们知道,Model S是一款后置后驱的车型,它的驱动机构位于车辆后桥,这让其前轮仅负责转向。所以,对于一款标榜运动性的豪华D级车来说,还差那么一点——就是四驱系统。说起四驱系统,大家都会联想到quattro、X-Drive、4Matic这些四驱品牌,还会想到分动箱、差速器、差速锁,以及什么粘性联轴节之类的技术名词。

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可以说,四驱系统不亚于发动机、变速箱,是各大汽车品牌的另外一个竞技场。然而电动化的进程却改变了一些事情——四驱结构似乎不必像现在这么复杂。无论是插电式混合动力车型,还是纯电动车型,四驱结构都变得相对简单。这是因为,电动单元的加入,让车辆可以同时拥有两个动力来源。而这两个来源,可以分别被安置在车辆的前后桥,来驱动前后轮。

比如某些插电式混动车型,选择在后桥加装一台电动机来构成四驱结构。而对于特斯拉来说,摆脱了燃油发动机、传统变速箱的束缚,实现四驱模式变得更加简单。所以,在2014年10月,配合驾驶辅助系统,特斯拉推出了全时四驱版的Model S。要知道,对于Model S这样的纯电动汽车,双电机四驱结构的应用,可不仅仅是实现四驱那么简单。

人们听到Model S上又加了一个电机,第一反应是电池的续航水平会不会下降?答案其实是相反的。与传统汽车装配四驱结构导致油耗升高不同,电动汽车实现四驱后,续航反而会提升。根据特斯拉官方的数据,全时四驱版的Model S 85D,能够比两驱版本多出5英里的续航。

原因是,大功率感应电机,虽然在起步时就能爆发最大扭矩,但当达到较高转速时,扭矩就会大幅降低。这就是为什么Model S与超级跑车对飙时,前半段遥遥领先,后半段逐渐被赶超的原因。相反,燃油发动机一般在高转速下爆发出最大扭矩。这个时候,高转速下的电机不但扭矩下降,而且功率、效率降低。

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但如果采用主电机+辅助电机的组合,效果就会有所好转。其中辅助电机被设计为拥有较为平缓的扭矩曲线,虽然峰值很低,但不会因为转速的增加而出现剧烈的变化。这样,在主电机达到高转速出现扭矩下降时,辅助电机就可以补充一部分扭矩,使车辆后半段的加速也保持有力的状态。

说完这些,我们还是没有解答为何续航会增加的疑问。不要急。前面说到,辅助电机的介入,让四驱结构整体的扭矩增加了。但同时,输出功率也增加了。这台辅助电机的设计初衷,不仅要拥有平缓的扭矩曲线,还要拥有一个在电动机转速区间内,缓慢上扬的功率曲线,要达到在主电机的功率出现下降时,辅助电机的功率依然在随着转速增加。

这样一来,双电机组合下的功率曲线,相比主电机的曲线,就能够做到在更高的转速下才有所下滑。如果采取单个电机驱动,那么这个电机一定是一个大功率电机,它的功率比上述的主电机、辅助电机分别都要大很多,最大输出功率相当与后两者之和。这时,与双电机组合曲线相比,单个大功率电机在某个高转速点就会出现功率下降,而双电机组合曲线则可以“坚挺”到更高的转速。

那么用一句话概括,就是两个电机配合,可以优化功率输出,相互配合提高能量的利用效率。其实,要想优化电机的输出功率,有一个办法可以解决,就是为电动车装上拥有多个档位的变速箱。不过,这样一来电动汽车动力总成的结构就会变得更加复杂,同时动力输出到轮端的流畅度、驾驶感受也会大打折扣。双电机结构不仅优化了电机效率,还实现了四驱,是最完美的方案。

以上是特斯拉底盘的深度技术解析。下期,我们再来了解特斯拉Model S的散热系统。

(注:视频与文章无明显关联,仅作辅助阅读)

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[责任编辑:yannwang]
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