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2022-07-11 13:43:56

特斯拉、比亚迪技术对比

特斯拉：永磁同步电机技术革新，加速渗透


特斯拉的早期车型多采用感应异步电机（Roadster等），2019款的海外特斯拉Model 3在单电机版本上依然搭载了感应异步电机，在双电机版本上则搭载前驱永磁同步电机搭配后驱感应异步电机。2019款国产版的特斯拉Model 3单电机版本则搭载的是永磁同步电机。

现阶段，特斯拉Model 3、Model Y、Model S、Model X等车型均在单电机版本上搭载永磁同步电机，在双电机版本上搭载永磁同步电机+感应异步电机。新款特斯拉Model S Plaid三电机版本搭载的全部是永磁同步电机。总体来看，特斯拉的驱动电机配置趋势是数量越来越多，性能越来越强，永磁同步电机的渗透率越来越高。

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基于上文中已经详细分析过的永磁同步电机与感应异步电机的性能互补，特斯拉主要的性能版车型中都采用永磁同步电机与感应异步电机搭配的双电机解决方案。特斯拉新款Model S Plaid版搭载了全部使用永磁同步电机的三电机解决方案，并落地了很多特斯拉在驱动电机上的前沿技术。
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三电机全部采用永磁同步电机，就需要对永磁同步电机在高转速工况下的反电动势、弱磁控制、结构强度、散热等问题进行优化处理。
1）特斯拉给电机转子上加了一个碳纤维保护套，核心作用是加强电机转子的结构强度，防止高转速工况下永磁体脱落。转子中常用的钕铁硼材料能经受较大的压应力，但是不能经受较大的拉应力，抗拉强度不及抗压强度的1/10。电机处于高转速工况时，转子会产生巨大的离心力，可能会导致永磁体脱落。碳纤维具有耐高温、抗张强度大、绝缘性能好的优势，作为保护套可有效加强转子的结构强度。同时，碳纤维导电率低，几乎不会产生额外的涡流损耗，但与其他金属材料相比，也难以屏蔽气隙内的谐波，降低转子涡流损耗的效果不明显。
此外，碳纤维保护层可增加转子的磁通量。根据特斯拉的专利文件，因为有了碳纤维保护层，原有的固定磁体的部分铁片可以省去，纤维管和磁铁之间没有金属，可减少对磁通的屏蔽。散热方面，碳纤维保护层有利有弊。基于碳纤维材料优秀的隔热性能，电机的主要热源，即定子铜线绕组发热，对转子的负面影响被削弱。但是，转子本身在高速工况下同样发热，碳纤维保护层限制了转子的散热。
给转子添加碳纤维保护层的主要壁垒在于加工工艺复杂。由于不同材料的膨胀系数不同，碳纤维所使用的环氧树脂材料必须在高强度张力下缠绕在定子上，否则在低温下碳纤维会松动。
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2）内置永磁同步磁阻电机。在上文中，我们提到交流电机主要有永磁同步电机、感应异步电机、磁阻电机。其中，磁阻电机在乘用车上应用很少，因此我们没有详细介绍。磁阻电机与永磁同步电机的主要区别在于，转子内没有永磁体，没有磁场，完全依靠定子磁场，基于“磁阻最小原理”产生转矩。磁阻电机几乎没有反电动势、弱磁控制等问题，但是转矩较小、脉动较大，在一定程度上与永磁同步电机互补，扩展了电动机的高效区间。
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特斯拉将永磁体嵌入磁阻电机的转子槽中，该方案的主要壁垒在于永磁体的数量、尺寸、形状、位置等。内置永磁同步磁阻电机在低转速工况下近似永磁同步电机，在高转速工况下近似磁阻电机。转子永磁体的V型结构可调节磁阻转矩，缓解高转速工况下的反电动势问题。在高转速工况下， 特斯拉尽可能将定子旋转磁场与转子磁场对齐，从而大幅削弱反电动势，这种设计的主要壁垒在于复杂的电机控制策略。
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3）10层扁线绕组电机。在特斯拉介绍上海超级工厂的预告片中，展示了电机的生产工艺。我们可以看到，特斯拉的电机已经落地了扁线技术，并且在定子绕组的特写中，每一排有5个焊接点，每个焊接点有2根扁铜线，特斯拉的扁线电机定子绕组已经达到10层，生产加工工艺拥有较高的壁垒。目前市面上常见的高层数的扁线绕组电机通常只有6层或者8层。
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比亚迪：电动插混双轮驱动，技术实力深厚全面

比亚迪一直使用永磁同步电机，并且早在2015款的比亚迪唐新能源上就落地了双电机四驱结构，具有一定的前瞻性和先进性。
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在纯电平台方面，比亚迪最新的E平台3.0采用了前驱感应异步电机+后驱永磁同步电机的技术方案，二者互补，在日常行驶中以永磁同步电机为主，在加速工况下双电机最大输出。
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该平台落地了全球首个八合一动力总成（整车控制器、电机控制器、车载充电器、驱动电机、电池管理器、高压配电箱、直流变换器、减速器），高性能版本最大功率270KW（E平台3.0有前后两个八合一动力总成，后驱峰值功率270KW，前驱峰值功率150KW），系统综合效率89%。其中，扁线驱动电机最高效率可达97.5%，电机功率提升了40%。
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基于高度集成的电驱动系统，整车的热管理系统也得以进一步集成，宽温域高效热泵系统得以落地，实现了整车热量综合利用，-30℃~60℃的宽域热泵工作温度，动力电池的直冷直热技术热效率最高提升20%。
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得益于优异的电驱动系统设计，E平台3.0的零百加速可达到2.9S，续航里程可达到1000KM，百公里电耗比同级别车型低10%，冬季续航里程增加10%。
在插混系统方面，比亚迪的DMI超级混动的EHS电混系统采用了双电机（发电机+电动机）双电控的集成化设计，串并联架构，集成了双电机、双电控、单档减速器、直驱离合器、电机油冷系统，体积和重量减小了30%。
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EHS电混系统搭载的扁线油冷电机最高转速可达16000rpm，峰值功率160KW，峰值扭矩325N/M，领先市场上大部分竞品。电机的最高效率可达97.5%，效率＞90%占比90.3%，直喷式转子油冷技术超强散热，提升电机功率密度32%至44.3KW/L。配合比亚迪第四代IGBT技术，电控综合效率高达98.5%。
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在具体的设计工艺方面，根据国家知识产权局披露的比亚迪专利文件，2021年下半年以来，比亚迪在电机总成、散热结构、定子设计、转子设计上均有新技术突破。我们将对最具代表性转子设计进行简单介绍。
在上文中我们提到，永磁同步电机在高转速工况下存在弱磁控制问题，需要输入额外电流削弱转子磁场。针对这个问题的一种解决方案是，采用移动式永磁体的转子组件，通过驱动机构驱动可移动永磁体在规定的可移动空间内来回平移，可改变可移动永磁体到转子表面的距离，以此来改变气隙磁场。但这个解决方案存在一些缺陷：
1）驱动永磁体自动平移的驱动机构成本高；
2）驱动机构组件复杂；
3）转子空间利用率低。
比亚迪设计的转子组件包括转子铁芯、齿圈及至少两个永磁体，所述齿圈转动连接在所述转子铁芯的一端，所述转子铁芯与所述齿圈同轴，所述永磁体沿着所述齿圈的内圈呈环形间隔排布；每一所述永磁体包括安装柱及连接在所述安装柱的齿轮，所述安装柱与所述齿轮同轴，所述安装柱可转动地设置在所述转子铁芯内，所述安装柱的轴向平行于所述转子铁芯的轴向，所述齿轮与齿圈内啮合。通过齿圈来带动永磁体的转动，以此来改变气隙磁场的强弱，处理弱磁控制问题。相较于移动式或抽拉式的方案，不需要额外的移动空间，设计简单且结构可靠。
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