世界的技術(shù)解

傳說中理工科學(xué)霸們有一種特殊的技能，就是能用理工科思維去解釋整個(gè)世界，舉幾個(gè)例子：

“喝酒上臉的科學(xué)解不是酒量差，而是少了酒精酶，所以別裝了?！?；

“相親太多，不知道怎么選怎么辦？也有技術(shù)解，很簡單，畫個(gè)程序流程圖，“是否有房有車？”NO--走A路線，YES--直接面談?！澳挲g是否<30？”yes--走A1路線,NO--做心理年齡測試。”

“老婆是購物，成了剁手黨，怎么辦？也有技術(shù)解：將要買的東西，按重要性和緊急性，排列成：重要不緊急，又重要又緊急，緊急不重要，不緊急不重要四個(gè)象限，只要落在又重要又緊急象限外的物品，一律不買，這叫科學(xué)購物?！?/p>

好吧，言歸正傳，今天小編想詳細(xì)介紹一下特斯拉的雙電機(jī)系統(tǒng)，網(wǎng)上這方面的資料很多，但大多都是商務(wù)、駕駛體驗(yàn)等方面的，小編試著給出一個(gè)技術(shù)解。

特斯拉ModelSD系列雙電機(jī)

2014年10月特斯拉推出了全新的雙電機(jī)全輪驅(qū)動(dòng)D系列車型：包括60D、85D、P85D等。所謂雙電機(jī)全輪驅(qū)動(dòng)，就是在后輪驅(qū)動(dòng)ModelS的基礎(chǔ)上，在前軸加裝了一臺(tái)電機(jī)，這樣前后軸都有動(dòng)力源了。

類似的驅(qū)動(dòng)構(gòu)型在ModelX上也有，也是一前一后搭載了兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)車型帶來了令人炫目效果，最重要的是兩點(diǎn)：

1加速時(shí)間變短：以P85D為例，百公里加速達(dá)到3.2s，而單電機(jī)的P85，需要4s。

2續(xù)航里程變長：85D比85多出了30英里的續(xù)航：從265英里（EPA）升到了295英里。

此外雙電機(jī)還帶來了操縱感更好，電機(jī)重量小等優(yōu)點(diǎn)。但小編更好奇的另外兩個(gè)問題：

1為什么雙電機(jī)系統(tǒng)會(huì)有這些優(yōu)勢呢，它的技術(shù)解是什么？

2雙電機(jī)的構(gòu)型有很多，為什么特斯拉選擇這種構(gòu)型？

特斯拉雙電機(jī)的優(yōu)勢解析

為什么雙電機(jī)會(huì)有動(dòng)力優(yōu)勢，大多數(shù)的人下意識(shí)反應(yīng)：“增加了一個(gè)電機(jī)功率更大了，當(dāng)然加速能力更強(qiáng)了，就像CPU由單核變成了雙核一樣”。這樣理解還真把問題想簡單了，如果僅僅是追求功率更大，那為什么不把原來那臺(tái)電機(jī)做大一點(diǎn)呢？既簡單又方便。其中必有奧妙，特斯拉首席技術(shù)官JBStraubel,在《特斯拉全輪驅(qū)動(dòng)（雙電機(jī)）功率與扭矩規(guī)范》中點(diǎn)出的兩個(gè)概念，第一個(gè)是電池和電機(jī)功率匹配，第二個(gè)是兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的有效分配。也許就是奧妙所在。

電池和電機(jī)功率匹配

單電機(jī)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車，一般要求電機(jī)的總功率略小于電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的輸出功率，在電池容量不變的條件下，如果想提高動(dòng)力性能，可以把電機(jī)峰值功率做的比電池略大一點(diǎn)，這樣在加速和減速過程中，電池的能力將完全發(fā)揮。但這樣做帶來的一個(gè)副作用，就是在正常工況下，電機(jī)的功率富裕了很多，出現(xiàn)了大馬拉小車的現(xiàn)象，電機(jī)負(fù)荷都低，效率就會(huì)下降，續(xù)航里程也就下降。這就是單電機(jī)系統(tǒng)的死結(jié)，加速強(qiáng)則續(xù)航短，續(xù)航長則加速弱。

特斯拉通過引入雙電機(jī)來解決這個(gè)問題的，他們的原則是電池和電機(jī)功率匹配，加速過程中，雙電機(jī)同時(shí)工作，總電機(jī)功率提高，讓電機(jī)的峰值功率和電池的峰值功率匹配。平常行駛時(shí)，單電機(jī)工作，總功率下降，基本和電池額定功率持平。若載荷較小時(shí)，前電機(jī)工作，載荷較大時(shí)，后電機(jī)工作。如此電機(jī)即經(jīng)常工作在高效區(qū)間，電池的峰值能力也能完全釋放。解開了加速和續(xù)航的死結(jié)。

轉(zhuǎn)矩有效分配

特斯拉前后雙電機(jī)，是一主一副，一強(qiáng)一弱的雙電機(jī)，目前是前小后大。如下圖所示：前電機(jī)的功率不到后電機(jī)的一半。

為什么要這樣分配功率和轉(zhuǎn)矩，特斯拉也算是煞費(fèi)苦心，這和汽車的動(dòng)力學(xué)問題相關(guān)。這里插播一個(gè)概念：

“weighttransfer”重量轉(zhuǎn)移--指的是車輛在加速過程中，由于慣性力的作用，前輪的承載會(huì)降低，輪子附著力會(huì)下降，后輪的承載會(huì)提高，輪子的附著力提高，相當(dāng)于重量從前輪轉(zhuǎn)移到了后輪。

加速過程的重量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，前輪給的力大不但低效，反而會(huì)使輪子打滑，后輪附著力大，應(yīng)該把動(dòng)力更多的分配給后輪。特斯拉針對這種現(xiàn)象，把后電機(jī)作為主電機(jī)，分配了更多的轉(zhuǎn)矩，如此兩臺(tái)電機(jī)的有效合成扭矩比平均分配大的多。

特斯拉工程師們還做了更深入的研究，兩臺(tái)電機(jī)不僅僅是功率不一樣，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線也不一樣。如下圖所示：主電機(jī)的是典型的橫轉(zhuǎn)矩橫功率曲線，而輔電機(jī)的轉(zhuǎn)矩卻基本持平，可以認(rèn)為是一個(gè)轉(zhuǎn)矩源。這樣做的目的是讓兩臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)差異化互補(bǔ)。

做過車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的人都有一個(gè)同樣的體會(huì)：單追求爬坡轉(zhuǎn)矩容易，單追求高速性能也容易，不容易的是在一臺(tái)電機(jī)同時(shí)追求兩個(gè)性能。而且還要控制成本。

車用電機(jī)的高速功率是受電池電壓約束的，轉(zhuǎn)矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速迅速衰減，也叫“轉(zhuǎn)矩跌落”。我們想讓高速功率更高（上圖曲線705，后半段更高），就必須降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，但這樣的話，低速電流會(huì)變大，出不了那么大轉(zhuǎn)矩。這就是電機(jī)人常說的：“低速和高速的平衡矛盾”。

特斯拉的差異化主副電機(jī)方案，相當(dāng)于把這個(gè)問題解耦了。主電機(jī)做成一個(gè)普通的電機(jī)，按偏低速爬坡能設(shè)計(jì)就可以了。輔助電機(jī)的做成高速非弱磁電機(jī)，它有兩個(gè)好處：1轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化，功率隨轉(zhuǎn)速線性增加，2由于轉(zhuǎn)矩小，不用考慮低速電流大的問題。這樣輔助電機(jī)即能補(bǔ)償主電機(jī)高速轉(zhuǎn)矩跌落的問題，又能補(bǔ)償一些加速轉(zhuǎn)矩。如此兩臺(tái)電機(jī)合成的轉(zhuǎn)矩包絡(luò)是大于一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩包絡(luò)的。不但如此，成本也比兩臺(tái)一模一樣的電機(jī)合成小的多：

一大一小兩類不同特性電機(jī)組合而成的高速性能，反而比兩臺(tái)同樣大的電機(jī)組合更好。這是因?yàn)槠胀ㄜ囉秒姍C(jī)的弱點(diǎn)是：高速時(shí)由于電壓約束，輸出能力會(huì)明顯下降。而恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)能以最少的成本，補(bǔ)償普通電機(jī)的弱點(diǎn)，這叫差異化互補(bǔ)。

小結(jié)一下，特斯拉雙電機(jī)設(shè)計(jì)之所以能夠獲得優(yōu)異的性能，一方面是做到了電池和電機(jī)功率匹配。另一方面是針對汽車加速過程中動(dòng)力學(xué)特性，做了轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化分配。并且通過前后電機(jī)的差異化設(shè)計(jì)，獲得了性能更優(yōu)異的等效合成電機(jī)，可以說既是系統(tǒng)解決方案，又是部件解決方案。這是我給出的特斯拉雙電機(jī)技術(shù)解。那么剩下最后一個(gè)問題，雙電機(jī)的構(gòu)型那么多，為什么選擇這種呢？

雙電機(jī)構(gòu)型介紹

在《雙電機(jī)去驅(qū)動(dòng)家族探秘》這篇文章中，主要介紹了一種叫“雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)的”系統(tǒng)，它只不過是家族的一員。雙電機(jī)完整的家族譜系，如下圖所示：

單輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)的是每個(gè)輪子獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輪子的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是獨(dú)立控制的，如此汽車獲得了無與倫比的靈活性和操控性，但與此同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)“電子差速”，“轉(zhuǎn)矩分配”等控制算法，對控制精度和復(fù)雜度的挑戰(zhàn)也是很大的。從電機(jī)的角度出發(fā)，左右輪動(dòng)力要平衡，兩臺(tái)電機(jī)必然設(shè)計(jì)成一致，因此兩臺(tái)電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)差異化互補(bǔ)，電機(jī)設(shè)計(jì)所面臨“低速和高速的平衡”矛盾沒有得到緩解。因此這種方案，是一種單純的系統(tǒng)級(jí)解決方案。

單輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)系統(tǒng)

耦合驅(qū)動(dòng)模式的構(gòu)型如下圖，雙電機(jī)共用一個(gè)輸出，可以等效為一個(gè)電機(jī)，所以也叫耦合驅(qū)動(dòng)。這種構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效的解決單電機(jī)設(shè)計(jì)矛盾，將一臺(tái)電機(jī)分成兩臺(tái)電機(jī)，通過差異化互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)等效電機(jī)性能優(yōu)化，是部件級(jí)解決方案。

耦合驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)系統(tǒng)

特斯拉選擇的前后軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)型式。優(yōu)點(diǎn)是：可充分利用整車的重力產(chǎn)生車輛附著力,提高整體動(dòng)力性，同時(shí)通過兩臺(tái)電機(jī)差異化互補(bǔ)設(shè)計(jì)，即能獲得系統(tǒng)高效，又能降低每臺(tái)電機(jī)的設(shè)計(jì)難度，是系統(tǒng)級(jí)+部件級(jí)綜合解決方案。如此選擇，不僅僅是技巧更是智慧了。

前后軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)-雙電機(jī)系統(tǒng)

當(dāng)然特斯拉選擇前后軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可能還有其它的考量，比如性能和技術(shù)成熟度、性能和經(jīng)濟(jì)性的平衡等等。