QDSJ185 特斯拉电驱进化史

NO.185 特斯拉电驱进化史1. 前言电动汽车需要电驱动系统（EDS，Electric Drive System）实现动力输出与控制，电驱动系统已成为汽车的核心系统之一。电驱动系统主要由驱动电机、电机控制器和减（变）速器组成。随着特斯拉Roadster以及全家桶”S3XY"系列车型的开发，特斯拉电驱动系统经历了四代技术迭代：（1）第一代电驱动系统应用在Roadster，得到AC Propulsion授权使用异步感应电机作为驱动电机，控制器应用IGBT单管并联技术，最早开发且交付量少，少为世人所知。（2）第二代电驱动系统用在Model S/X ，控制器改为立体构造，类似叠层三明治结构，异步电机和控制器左右对称布置。（3）第三代电驱动系统应用在Model 3/Y ，首次搭载了永磁同步电机，控制器中应用了碳化硅功率器件，并改变了控制器的结构设计，整体更加紧凑。（4）第四代电驱动系统优化了输出三相电气连接的保护，增加了红外温度传感器；控制器上以前用螺丝固定的接插件位置，现在改用了搅拌焊接的一体成型工艺，进一步降低了成本；电机油滤外壳整体铸造，滤芯内置，不再可更换，等等。特斯拉早期大事记：⚫2003年7月，马丁·埃伯哈德和马克·塔潘宁成立特斯拉汽车公司⚫2004年，埃隆·马斯克作为投资者加入特斯拉⚫2005年，特斯拉与AC Propulsion（通用EV-1项目工程师Al Cocconi创立）合作开发骡车，制造模拟传动系统，以适配Lotus Elise的底盘⚫2006年，特斯拉制造了大约10辆工程/评估原型跑车⚫2007年，特斯拉放弃模拟架构，使用数字化IGBT和单速变速箱，制造了14辆验证原型跑车⚫2008年1月，创始人兼CEO马丁·埃伯哈德离开了特斯拉（2016年9月被小康股份聘为公司新能源汽车顾问，注：上个月小康股份更名赛力斯）⚫2008年3月，Roadster正式投产，目标是每月生产100辆⚫2008～2012年间，特斯拉共售出2450辆Roadster2. 特斯拉第一代电驱动系统2006年，特斯拉早期推出的豪华电动跑车Roadster开始使用异步感应电机，2008年电驱动部分开始量产。Roadster电驱动系统：1-驱动电机；2-减速器；3-电力电子部分（PEM）Roadster初始设计使用185kW电机，并匹配了两挡变速箱，一档用于快速启动，0到60英里每小时在4秒内，二档用于最高速度，超过120英里每小时。一挡齿比为4.2:1，二挡齿比为2.17:1，终传比3.41:1（14.322/7.399），由英国Xtrac提供变速箱解决方案，但制造问题耽误了量产，重新设计的电机和性能更高的电子器件提供了更大的功率，后被单速变速器所取代。特斯拉早期Roadster电机主要参数：①电机类型：三相四极感应电机；②交流电压：375 V；③重量：52公斤；④功率：185kW；⑤转速：14,000 RPM。当初就是由于两挡变速箱的量产难度太大，导致了Roadster发布的严重延误，甚至一度让特斯拉濒临破产倒闭，而因此才有了后来马斯克出任首席执行官，同时特斯拉也最终宣布更改方案，采用固定齿比为8.27:1的BorgWarner单速减速箱，并且换装215kW电机。这里我们也得到一个小经验：搞不定变速箱的时候，把电机搞大也是一样的。Roadster异步感应电机，峰值功率 215kW，最高转速13000rpm，最大转矩430Nm，功率密度2.25kW/kg，电机开发商：富田。特斯拉成立后，包括第一代Roadster逆变器中用到的IGBT单管并联技术，从AC Propulsion（2006年被小康股份1亿美元收购）处获得了技术授权，生产了500台电驱动总成。自此之后，多管并联成为特斯拉逆变器设计的主要特征。Roadster的电机控制部分称为PEM（Power Electronics Module）：从上图可以看出，其中一半的空间为高压连接件、高压继电器和保险丝等，另一半为逆变器部分。早期可量产车规级IGBT模块产品寥寥无几，市场基本上没有满足特斯拉对功率输出、可靠性以及外形尺寸的要求，当时也没有厂商愿意为特斯拉定制昂贵的车规级功率模块产品。PEM在Roadster整车上的布置 当时IGBT单管虽然电流规格尚小，但是供应商较多，总部同样位于加州的IR公司（已被英飞凌收购）和特斯拉进行了技术交流，定制了IGBT单管集成到逆变器中，早期185kW方案采用的IGBT单管为标准TO247封装，每个开关由14片IGBT单管并联，总共使用84个igbt单管。Tesla Roadster PEM3. 特斯拉第二代电驱动系统2012年6月，特斯拉model S/X异步三合一电驱动开始量产，T型布局，减速器居中，电机和控制器左右布置。：特斯拉model S电机主要参数：额定电压375V、峰值功率215kW、峰值扭矩370Nm、峰值转速14000rpm。特斯拉第二代电驱动分为LDU（Large Drive Unit，大电驱，用于后驱）和SDU（Small Drive Unit，小电驱，用于标准版前后驱和性能版前驱）两种。LDU体积和功率较大，SDU则相反，其在车型上的配置可以小结如下：⚫ Model S后驱版：后轴LDU⚫ Model S标准版：前轴SDU+后轴SDU⚫ Model S性能版：前轴SDU+后轴LDU如上图，特斯拉这一代电驱动总成也由三部分构成：异步电动机（照片中右侧壳体）、电机控制器（照片中左侧壳体）和中间位置的减速器和差速器。注意这不是两个电动机。打开外壳，先将右边的逆变器部分与减速器+差速器外壳分开。电机控制器的作用是基于功率半导体的硬件及软件设计，对电机的工作状态进行实时控制，使其按照需要的方向、转速、转矩、响应时间工作，主要由功率组件、控制软件和传感器等组成。2012年量产的Model S的逆变器放弃了上一代84个小单管平铺的方式，改为三角形立体布局，2015年量产的Model X也沿用同样的设计。功率器件方面采用与第一代相同规格的TO247单管器件，每个开关为16个IGBT单管并联，共用了96个IGBT。每相的功率板贴合在铝散热器上，给IGBT和膜电容散热，膜电容被四面铝壳包围，三个铝散热器的水道是彼此独立并联流动的，保证三相散热效果一致。逆变器将电池400V的直流电转换为交流电输入驱动电机，峰值电流可达1400A，大量功率器件挤在狭小的空间中给散热增加很大难度，同时考虑到汽车运行时不可避免的振动，所以汽车级的应用给电力电子器件的应用带来新的挑战。逆变器发热量非常大，中央部分的孔用于散热冷却，并没有设计弯管。逆变器呈立体三角布局，每相或者说每个半桥部分占据三角的一个面。三角的顶端和底端分别是高压直流输入部分和高压交流输出部分。在直流输入侧另有三块小三角形PCB。特斯拉这款逆变器设计复杂、结构立体、装配工艺繁复，各种PCB板就有十几块，是目前单体容量最大的车用电机驱动器了，这种设计和装配工艺以及物料的需求，没有量的支撑根本搞不定供应链。下图三根引线的三相接线线束（带有白色标签），从逆变器输出端（顶端）引出，从齿轮差速器壳上进入壳体，通往驱动电机。逆变器可以改变感应电动机上的磁场旋转方向，电动机将以相反的方向旋