【汽车解码】特斯拉Model S底盘深度解读

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。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。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。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。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。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。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。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）