特斯拉ModelSD系列双电机的介绍

世界的技术解传说中理工科学霸们有一种特殊的技能，就是能用理工科思维去解释整个世界，举几个例子：

“喝酒上脸的科学解不是酒量差，而是少了酒精酶，所以别装了。”;

“相亲太多，不知道怎么选怎么办?也有技术解，很简单，画个程序流程图，“是否有房有车?”NO--走A路线，YES--直接面谈。“年龄是否<30?”yes--走A1路线,NO--做心理年龄测试。”

“老婆是购物，成了剁手党，怎么办?也有技术解：将要买的东西，按重要性和紧急性，排列成：重要不紧急，又重要又紧急，紧急不重要，不紧急不重要四个象限，只要落在又重要又紧急象限外的物品，一律不买，这叫科学购物。”

好吧，言归正传，今天小编想详细介绍一下特斯拉的双电机系统，网上这方面的资料很多，但大多都是商务、驾驶体验等方面的，小编试着给出一个技术解。

特斯拉ModelSD系列双电机

2014年10月特斯拉推出了全新的双电机全轮驱动D系列车型：包括60D、85D、P85D等。所谓双电机全轮驱动，就是在后轮驱动ModelS的基础上，在前轴加装了一台电机，这样前后轴都有动力源了。

类似的驱动构型在ModelX上也有，也是一前一后搭载了两套驱动系统。

双电机驱动车型带来了令人炫目效果，最重要的是两点：

1加速时间变短：以P85D为例，百公里加速达到3.2s，而单电机的P85，需要4s。

2续航里程变长：85D比85多出了30英里的续航：从265英里(EPA)升到了295英里。

此外双电机还带来了操纵感更好，电机重量小等优点。但小编更好奇的另外两个问题：

1为什么双电机系统会有这些优势呢，它的技术解是什么?

2双电机的构型有很多，为什么特斯拉选择这种构型?

特斯拉双电机的优势解析

为什么双电机会有动力优势，大多数的人下意识反应：“增加了一个电机功率更大了，当然加速能力更强了，就像CPU由单核变成了双核一样”。这样理解还真把问题想简单了，如果仅仅是追求功率更大，那为什么不把原来那台电机做大一点呢?既简单又方便。其中必有奥妙，特斯拉首席技术官JBStraubel,在《特斯拉全轮驱动(双电机)功率与扭矩规范》中点出的两个概念，第一个是电池和电机功率匹配，第二个是两个电机的转矩的有效分配。也许就是奥妙所在。

电池和电机功率匹配

单电机系统的电动汽车，一般要求电机的总功率略小于电池电化学反应产生的输出功率，在电池容量不变的条件下，如果想提高动力性能，可以把电机峰值功率做的比电池略大一点，这样在加速和减速过程中，电池的能力将完全发挥。但这样做带来的一个副作用，就是在正常工况下，电机的功率富裕了很多，出现了大马拉小车的现象，电机负荷都低，效率就会下降，续航里程也就下降。这就是单电机系统的死结，加速强则续航短，续航长则加速弱。

特斯拉通过引入双电机来解决这个问题的，他们的原则是电池和电机功率匹配，加速过程中，双电机同时工作，总电机功率提高，让电机的峰值功率和电池的峰值功率匹配。平常行驶时，单电机工作，总功率下降，基本和电池额定功率持平。若载荷较小时，前电机工作，载荷较大时，后电机工作。如此电机即经常工作在高效区间，电池的峰值能力也能完全释放。解开了加速和续航的死结。

转矩有效分配

特斯拉前后双电机，是一主一副，一强一弱的双电机，目前是前小后大。如下图所示：前电机的功率不到后电机的一半。

为什么要这样分配功率和转矩，特斯拉也算是煞费苦心，这和汽车的动力学问题相关。这里插播一个概念：

“weighttransfer”重量转移--指的是车辆在加速过程中，由于惯性力的作用，前轮的承载会降低，轮子附着力会下降，后轮的承载会提高，轮子的附着力提高，相当于重量从前轮转移到了后轮。

加速过程的重量转移现象发生时，前轮给的力大不但低效，反而会使轮子打滑，后轮附着力大，应该把动力更多的分配给后轮。特斯拉针对这种现象，把后电机作为主电机，分配了更多的转矩，如此两台电机的有效合成扭矩比平均分配大的多。

特斯拉工程师们还做了更深入的研究，两台电机不仅仅是功率不一样，转矩转速特性曲线也不一样。如下图所示：主电机的是典型的横转矩横功率曲线，而辅电机的转矩却基本持平，可以认为是一个转矩源。这样做的目的是让两台电机实现差异化互补。

做过车用驱动电机设计的人都有一个同样的体会：单追求爬坡转矩容易，单追求高速性能也容易，不容易的是在一台电机同时追求两个性能。而且还要控制成本。

车用电机的高速功率是受电池电压约束的，转矩会随转速迅速衰减，也叫“转矩跌落”。我们想让高速功率更高(上图曲线705，后半段更高)，就必须降低电机的转矩系数，但这样的话，低速电流会变大，出不了那么大转矩。这就是电机人常说的：“低速和高速的平衡矛盾”。

特斯拉的差异化主副电机方案，相当于把这个问题解耦了。主电机做成一个普通的电机，按偏低速爬坡能设计就可以了。辅助电机的做成高速非弱磁电机，它有两个好处：1转矩不随转速变化，功率随转速线性增加，2由于转矩小，不用考虑低速电流大的问题。这样辅助电机即能补偿主电机高速转矩跌落的问题，又能补偿一些加速转矩。如此两台电机合成的转矩包络是大于一台电机的转矩包络的。不但如此，成本也比两台一模一样的电机合成小的多：

一大一小两类不同特性电机组合而成的高速性能，反而比两台同样大的电机组合更好。这是因为普通车用电机的弱点是：高速时由于电压约束，输出能力会明显下降。而恒转矩电机能以最少的成本，补偿普通电机的弱点，这叫差异化互补。

小结一下，特斯拉双电机设计之所以能够获得优异的性能，一方面是做到了电池和电机功率匹配。另一方面是针对汽车加速过程中动力学特性，做了转矩的优化分配。并且通过前后电机的差异化设计，获得了性能更优异的等效合成电机，可以说既是系统解决方案，又是部件解决方案。这是我给出的特斯拉双电机技术解。那么剩下最后一个问题，双电机的构型那么多，为什么选择这种呢?

双电机构型介绍

在《双电机去驱动家族探秘》这篇文章中，主要介绍了一种叫“双电机耦合驱动的”系统，它只不过是家族的一员。双电机完整的家族谱系，如下图所示：

单轮独立驱动系统，强调的是每个轮子独立驱动，每个轮子的转矩和转速都是独立控制的，如此汽车获得了无与伦比的灵活性和操控性，但与此同时需要实现“电子差速”，“转矩分配”等控制算法，对控制精度和复杂度的挑战也是很大的。从电机的角度出发，左右轮动力要平衡，两台电机必然设计成一致，因此两台电机不能实现差异化互补，电机设计所面临“低速和高速的平衡”矛盾没有得到缓解。因此这种方案，是一种单纯的系统级解决方案。

单轮独立驱动双电机系统

耦合驱动模式的构型如下图，双电机共用一个输出，可以等效为一个电机，所以也叫耦合驱动。这种构型的优点是能够有效的解决单电机设计矛盾，将一台电机分成两台电机，通过差异化互补，实现等效电机性能优化，是部件级解决方案。

耦合驱动双电机系统

特斯拉选择的前后轴独立驱动型式。优点是：可充分利用整车的重力产生车辆附着力,提高整体动力性，同时通过两台电机差异化互补设计，即能获得系统高效，又能降低每台电机的设计难度，是系统级+部件级综合解决方案。如此选择，不仅仅是技巧更是智慧了。

前后轴独立驱动-双电机系统

当然特斯拉选择前后轴独立驱动技术，可能还有其它的考量，比如性能和技术成熟度、性能和经济性的平衡等等。

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