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2022-07-11 13:43:56

特斯拉、比亞迪技術(shù)對比

特斯拉：永磁同步電機技術(shù)革新，加速滲透


特斯拉的早期車型多采用感應(yīng)異步電機（Roadster等），2019款的海外特斯拉Model 3在單電機版本上依然搭載了感應(yīng)異步電機，在雙電機版本上則搭載前驅(qū)永磁同步電機搭配后驅(qū)感應(yīng)異步電機。2019款國產(chǎn)版的特斯拉Model 3單電機版本則搭載的是永磁同步電機。

現(xiàn)階段，特斯拉Model 3、Model Y、Model S、Model X等車型均在單電機版本上搭載永磁同步電機，在雙電機版本上搭載永磁同步電機+感應(yīng)異步電機。新款特斯拉Model S Plaid三電機版本搭載的全部是永磁同步電機。總體來看，特斯拉的驅(qū)動電機配置趨勢是數(shù)量越來越多，性能越來越強，永磁同步電機的滲透率越來越高。

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基于上文中已經(jīng)詳細(xì)分析過的永磁同步電機與感應(yīng)異步電機的性能互補，特斯拉主要的性能版車型中都采用永磁同步電機與感應(yīng)異步電機搭配的雙電機解決方案。特斯拉新款Model S Plaid版搭載了全部使用永磁同步電機的三電機解決方案，并落地了很多特斯拉在驅(qū)動電機上的前沿技術(shù)。
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三電機全部采用永磁同步電機，就需要對永磁同步電機在高轉(zhuǎn)速工況下的反電動勢、弱磁控制、結(jié)構(gòu)強度、散熱等問題進(jìn)行優(yōu)化處理。
1）特斯拉給電機轉(zhuǎn)子上加了一個碳纖維保護(hù)套，核心作用是加強電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度，防止高轉(zhuǎn)速工況下永磁體脫落。轉(zhuǎn)子中常用的釹鐵硼材料能經(jīng)受較大的壓應(yīng)力，但是不能經(jīng)受較大的拉應(yīng)力，抗拉強度不及抗壓強度的1/10。電機處于高轉(zhuǎn)速工況時，轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生巨大的離心力，可能會導(dǎo)致永磁體脫落。碳纖維具有耐高溫、抗張強度大、絕緣性能好的優(yōu)勢，作為保護(hù)套可有效加強轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度。同時，碳纖維導(dǎo)電率低，幾乎不會產(chǎn)生額外的渦流損耗，但與其他金屬材料相比，也難以屏蔽氣隙內(nèi)的諧波，降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的效果不明顯。
此外，碳纖維保護(hù)層可增加轉(zhuǎn)子的磁通量。根據(jù)特斯拉的專利文件，因為有了碳纖維保護(hù)層，原有的固定磁體的部分鐵片可以省去，纖維管和磁鐵之間沒有金屬，可減少對磁通的屏蔽。散熱方面，碳纖維保護(hù)層有利有弊。基于碳纖維材料優(yōu)秀的隔熱性能，電機的主要熱源，即定子銅線繞組發(fā)熱，對轉(zhuǎn)子的負(fù)面影響被削弱。但是，轉(zhuǎn)子本身在高速工況下同樣發(fā)熱，碳纖維保護(hù)層限制了轉(zhuǎn)子的散熱。
給轉(zhuǎn)子添加碳纖維保護(hù)層的主要壁壘在于加工工藝復(fù)雜。由于不同材料的膨脹系數(shù)不同，碳纖維所使用的環(huán)氧樹脂材料必須在高強度張力下纏繞在定子上，否則在低溫下碳纖維會松動。
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2）內(nèi)置永磁同步磁阻電機。在上文中，我們提到交流電機主要有永磁同步電機、感應(yīng)異步電機、磁阻電機。其中，磁阻電機在乘用車上應(yīng)用很少，因此我們沒有詳細(xì)介紹。磁阻電機與永磁同步電機的主要區(qū)別在于，轉(zhuǎn)子內(nèi)沒有永磁體，沒有磁場，完全依靠定子磁場，基于“磁阻最小原理”產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。磁阻電機幾乎沒有反電動勢、弱磁控制等問題，但是轉(zhuǎn)矩較小、脈動較大，在一定程度上與永磁同步電機互補，擴展了電動機的高效區(qū)間。
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特斯拉將永磁體嵌入磁阻電機的轉(zhuǎn)子槽中，該方案的主要壁壘在于永磁體的數(shù)量、尺寸、形狀、位置等。內(nèi)置永磁同步磁阻電機在低轉(zhuǎn)速工況下近似永磁同步電機，在高轉(zhuǎn)速工況下近似磁阻電機。轉(zhuǎn)子永磁體的V型結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)磁阻轉(zhuǎn)矩，緩解高轉(zhuǎn)速工況下的反電動勢問題。在高轉(zhuǎn)速工況下， 特斯拉盡可能將定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場對齊，從而大幅削弱反電動勢，這種設(shè)計的主要壁壘在于復(fù)雜的電機控制策略。
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3）10層扁線繞組電機。在特斯拉介紹上海超級工廠的預(yù)告片中，展示了電機的生產(chǎn)工藝。我們可以看到，特斯拉的電機已經(jīng)落地了扁線技術(shù)，并且在定子繞組的特寫中，每一排有5個焊接點，每個焊接點有2根扁銅線，特斯拉的扁線電機定子繞組已經(jīng)達(dá)到10層，生產(chǎn)加工工藝擁有較高的壁壘。目前市面上常見的高層數(shù)的扁線繞組電機通常只有6層或者8層。
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比亞迪：電動插混雙輪驅(qū)動，技術(shù)實力深厚全面

比亞迪一直使用永磁同步電機，并且早在2015款的比亞迪唐新能源上就落地了雙電機四驅(qū)結(jié)構(gòu)，具有一定的前瞻性和先進(jìn)性。
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在純電平臺方面，比亞迪最新的E平臺3.0采用了前驅(qū)感應(yīng)異步電機+后驅(qū)永磁同步電機的技術(shù)方案，二者互補，在日常行駛中以永磁同步電機為主，在加速工況下雙電機最大輸出。
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該平臺落地了全球首個八合一動力總成（整車控制器、電機控制器、車載充電器、驅(qū)動電機、電池管理器、高壓配電箱、直流變換器、減速器），高性能版本最大功率270KW（E平臺3.0有前后兩個八合一動力總成，后驅(qū)峰值功率270KW，前驅(qū)峰值功率150KW），系統(tǒng)綜合效率89%。其中，扁線驅(qū)動電機最高效率可達(dá)97.5%，電機功率提升了40%。
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基于高度集成的電驅(qū)動系統(tǒng)，整車的熱管理系統(tǒng)也得以進(jìn)一步集成，寬溫域高效熱泵系統(tǒng)得以落地，實現(xiàn)了整車熱量綜合利用，-30℃~60℃的寬域熱泵工作溫度，動力電池的直冷直熱技術(shù)熱效率最高提升20%。
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得益于優(yōu)異的電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，E平臺3.0的零百加速可達(dá)到2.9S，續(xù)航里程可達(dá)到1000KM，百公里電耗比同級別車型低10%，冬季續(xù)航里程增加10%。
在插混系統(tǒng)方面，比亞迪的DMI超級混動的EHS電混系統(tǒng)采用了雙電機（發(fā)電機+電動機）雙電控的集成化設(shè)計，串并聯(lián)架構(gòu)，集成了雙電機、雙電控、單檔減速器、直驅(qū)離合器、電機油冷系統(tǒng)，體積和重量減小了30%。
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EHS電混系統(tǒng)搭載的扁線油冷電機最高轉(zhuǎn)速可達(dá)16000rpm，峰值功率160KW，峰值扭矩325N/M，領(lǐng)先市場上大部分競品。電機的最高效率可達(dá)97.5%，效率＞90%占比90.3%，直噴式轉(zhuǎn)子油冷技術(shù)超強散熱，提升電機功率密度32%至44.3KW/L。配合比亞迪第四代IGBT技術(shù)，電控綜合效率高達(dá)98.5%。
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在具體的設(shè)計工藝方面，根據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局披露的比亞迪專利文件，2021年下半年以來，比亞迪在電機總成、散熱結(jié)構(gòu)、定子設(shè)計、轉(zhuǎn)子設(shè)計上均有新技術(shù)突破。我們將對最具代表性轉(zhuǎn)子設(shè)計進(jìn)行簡單介紹。
在上文中我們提到，永磁同步電機在高轉(zhuǎn)速工況下存在弱磁控制問題，需要輸入額外電流削弱轉(zhuǎn)子磁場。針對這個問題的一種解決方案是，采用移動式永磁體的轉(zhuǎn)子組件，通過驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動可移動永磁體在規(guī)定的可移動空間內(nèi)來回平移，可改變可移動永磁體到轉(zhuǎn)子表面的距離，以此來改變氣隙磁場。但這個解決方案存在一些缺陷：
1）驅(qū)動永磁體自動平移的驅(qū)動機構(gòu)成本高；
2）驅(qū)動機構(gòu)組件復(fù)雜；
3）轉(zhuǎn)子空間利用率低。
比亞迪設(shè)計的轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子鐵芯、齒圈及至少兩個永磁體，所述齒圈轉(zhuǎn)動連接在所述轉(zhuǎn)子鐵芯的一端，所述轉(zhuǎn)子鐵芯與所述齒圈同軸，所述永磁體沿著所述齒圈的內(nèi)圈呈環(huán)形間隔排布；每一所述永磁體包括安裝柱及連接在所述安裝柱的齒輪，所述安裝柱與所述齒輪同軸，所述安裝柱可轉(zhuǎn)動地設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)，所述安裝柱的軸向平行于所述轉(zhuǎn)子鐵芯的軸向，所述齒輪與齒圈內(nèi)嚙合。通過齒圈來帶動永磁體的轉(zhuǎn)動，以此來改變氣隙磁場的強弱，處理弱磁控制問題。相較于移動式或抽拉式的方案，不需要額外的移動空間，設(shè)計簡單且結(jié)構(gòu)可靠。
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