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AlCocconi创立）合作开发骡车，制造模拟传动系统，以适配LotusElise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Roadster 2.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。 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。 3.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转，因此可以倒车。 三相异步电动机部分，电机定子安装在铝制外壳中，外壳内部是中空的，并有隔板保证强度，定子中充满冷却液进行冷却。三根电源供应线的铜排，从电机的壳体里伸出。驱动电机定子装在机壳内。 特斯拉这一版本的车型使用了感应电动机，不需要使用永磁体，所以不会消磁，成本也更低。但由于感应电动机的运行特性，转子容易发热。低转速运行的异步电动机在电动汽车上相比永磁电机效率并不高。 这是插入电机定子中的转子，铜质"鼠笼"结构。转子转速可以达到16000rpm。高速行驶时，异步电动机效率更高。 转子轴是空心的，冷却液在内部循环。 在工业感应电机的生产制造中，鼠笼式电机的鼠笼通常都是用铝铸造而成，由于铝具有较好的电导率和较低的熔点（660.4℃）且成本也有优势，所以铸铝转子一直是感应电机转子的主流。 弊端就是使用铸铝转子的感应电机效率有限，如果使用电导率更高的铜来制作鼠笼，电机的效率会大幅提高，但问题是铜的熔点高（1083℃），存在铜芯转子难以铸造、铸铜端环气泡过多等问题。通过焊接手段制造铜芯转子是主流的技术手段，其制造过程是先将铜条插在转子槽中，再在两侧焊上端环。 但制造铜芯转子的焊接工艺需要采用感应钎焊，成本较高。且由于电机转子的工作条件，对焊接点的强度要求高。特斯拉的专利《Rotor Design for An Electric Motor》，采用了焊接铜工艺，特斯拉制造了一组表面镀银的铜质楔子，将这些楔子插入了铜条端部的间隙之中，这样一个机械构造的端环就制造完成了。 插完楔子之后，在楔子和铜条之间进行焊接，这个焊接要求比焊接方案中端环的感应钎焊成本、难度都低。这样的一个机械构造的端环能够实现低成本、实现批量化生产、实现电机高效率运转。 焊接之后，再在两侧套上禁锢端环，禁锢端环的束缚保证了转子的机械强度。特斯拉的专利此种方案实现了低成本、高可靠性铜芯转子的制造，是特斯拉异步电机的核心技术。 特斯拉异步电驱爆炸图，注意器逆变器是圆筒形立体三角布局，LDU不带外壳的整个电动机（定子和转子部分）重30kg。 由于电机最高转速达到了16000rpm，而车轮需要的最高转速也不过1700rpm（车速已经超过200km/h），所以为了将电机动力传递到车轮，必须使用减速器降低转速、增加扭矩，因此，减速器和差速器是电动车驱动总成中必不可少的部分。 分开中间部分的差速器外壳，可以看到特斯拉电动汽车使用非常简单的单挡减速器，其中的变速齿轮为单速（无变速），齿轮比为9.5:1。 拆开的减速器。 减速器后壳体与逆变器共壳体，前壳体与电机共端盖。 左侧电机，中间减速器，右侧控制器。IGBT单管的布局和散热方式有了重大改变。每个半桥上下桥臂中的IGBT单管背靠背通过低温焊接固定在散热器上，并用夹具进一步加强。 另外，特斯拉对供应商提供的IGBT单管增加了特别的规格分档要求，对IGBT制造的后道工序以及供应链管理都带来了不小的挑战。 IGBT单管的连接也与以往有了很大不同，不再需要功率板连接IGBT单管，而是采用倒插的方式与驱动板相连。因此不再需要折弯IGBT单管管脚，降低了安装成本。 特斯拉选择分立器件的原因首先是成本，即使是同样的DBC、芯片等，模块的封装成本更高，并且需要设计不同的封装，定制化的成本和风险都更高，并且内部也是多个芯片串并联而成，TO247已经大规模使用多年，多方面原因都使得模块成本更高。 另外，在Model S/X设计之初，主流IGBT使用的英飞凌HP2模块最大125kW，特斯拉375kW需要并联3个，当时模块达不到特斯拉的功率需求，既然要并联，还不如直接选择封装更小、成本更低的TO247并联方便灵活。 特斯拉异步电驱爆炸图，注意其逆变器结构已经做了设计变更，SDU 特斯拉Model S和X共用的两套电驱系统，均是电机、减速器和控制器的左中右布置结构，即电机和制器布置在减速器两边，除了电机结构、冷却方式有差异外，逆变器内部结构也稍微有些不同。 4.特斯拉第三代电驱动系统 从第三代开始，特斯拉用上了永磁同步电机和碳化硅器件，是这一代电驱系统的最主要特征。Model 3/Y前轴采用感应异步电机，后轴则采用永磁同步电机。永磁同步电机的外形尺寸更紧凑，运行效率高更容易控制。 此搭配方案能够较好利用感应电机高效区在高速、永磁电机高效区在低速的特点，进行两者工作区域效率的互补。特斯拉Model 3的主逆变器采用SiC功率器件，电能转换效率显著增加，续航里程提升5~10%。相比于硅基材料，SiC具有耐高压性、高速运作、热传导速率快等优势。 电机和减速箱采用油冷却且内部油路相通，控制器单独采用水冷却。外部可以看到油泵、滤清器、热交换器，系统整体外观复杂突兀，体积较小