特斯拉Model S及X所使用的電機(jī)是臺(tái)灣富田生產(chǎn)的三相異步交流電機(jī)，就其使用的電機(jī)種類而言，與目前全球其他廠商使用的同步電機(jī)區(qū)別較大。 盡管特斯拉使用的電機(jī)功率大、性能優(yōu)異，在與整車整合后有著優(yōu)異的表現(xiàn)，但是其成本高使得在低價(jià)的Model 3上難以繼續(xù)應(yīng)用。 通過(guò)橫向?qū)Ρ绕渌廊A車品牌，同時(shí)縱向分析特斯拉本身的發(fā)展路徑，結(jié)合永磁同步電機(jī)的對(duì)比優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為Model 3使用永磁同步電機(jī)是特斯拉大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的必然選擇。 異步電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)并存 1.1 異步電機(jī)與同步電機(jī)的優(yōu)劣比較 與全球大多數(shù)新能源汽車企業(yè)普遍采用永磁同步直流電機(jī)不同，自特斯拉第一款車型Roadster推出起，特斯拉就一直采用三相異步交流電機(jī)。圖1展示了三相異步交流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖。 當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電時(shí)，三相定子繞組通入電流會(huì)產(chǎn)生三相磁動(dòng)勢(shì)(定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì))并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流(轉(zhuǎn)子繞組為閉合通路)。 根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電磁力，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。 由于三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以相同的方向，不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，存在轉(zhuǎn)速差，因此叫做異步電機(jī)，又稱為感應(yīng)電機(jī)。汽車中的交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子常采用空心式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，適于高速旋轉(zhuǎn)，免維護(hù)，且成本較低。 三相異步電機(jī)矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，使得異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此被較早應(yīng)用于電動(dòng)大客車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，技術(shù)相對(duì)成熟。 圖1、三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 相應(yīng)的，圖2展示了永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖。 可以看到，在永磁同步電機(jī)中，其轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，三相定子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下通過(guò)電樞反應(yīng)，感應(yīng)三相對(duì)稱電流，此時(shí)電子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，永磁同步電機(jī)作發(fā)電機(jī)用。 此外，當(dāng)定子側(cè)通入三相對(duì)稱電流，三相定子電流在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受到電磁力作用，此時(shí)電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，永磁同步電機(jī)作電動(dòng)機(jī)用。 永磁同步電機(jī)一大特點(diǎn)就是應(yīng)用了高磁能積、高矯頑力的稀土燒結(jié)釹鐵硼永磁材料 。釹鐵硼屬第三代稀土永磁材料，是迄今發(fā)現(xiàn)的磁性材料中磁性最強(qiáng)的一種。 總體來(lái)看，永磁同步電機(jī)具有高功率、體積小、運(yùn)行穩(wěn)定性高和過(guò)載能力大等優(yōu)點(diǎn)，是綜合性能最優(yōu)的電機(jī)。 圖2、永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 三相異步交流電機(jī)與永磁同步電機(jī)相比，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。 表1展示了異步交流電機(jī)與永磁同步電機(jī)的性能對(duì)比情況。首先，從永磁同步電機(jī)本身來(lái)看，電機(jī)的效率很高，大多數(shù)永磁同步電機(jī)在額定功率點(diǎn)的效率都高于普通的三相異步電機(jī)。 由于電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體提供，轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁電流，因此在任意轉(zhuǎn)速點(diǎn)與異步交流電機(jī)相比都更為節(jié)約電能，尤其在轉(zhuǎn)速低時(shí)此優(yōu)勢(shì)更為明顯。其次，永磁同步電機(jī)由于使用了高性能的永磁材料提供磁場(chǎng)，使得永磁同步電機(jī)的重量和體積得到了大大的縮減，更加方便了在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣與應(yīng)用。 第三，由于永磁同步電機(jī)一般也是采用異步起動(dòng)方式，電機(jī)正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子繞組不起作用，因此在設(shè)計(jì)永磁電機(jī)時(shí)，可使轉(zhuǎn)子繞組滿足高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求。 與三相異步交流電機(jī)比較，永磁同步電機(jī)除了具有上述優(yōu)點(diǎn)以外，還有一些劣勢(shì)存在，例如：安裝永磁電機(jī)的電動(dòng)車需要通過(guò)齒輪箱來(lái)輸出更多扭矩從而實(shí)現(xiàn)提速的目的，但是三相異步交流電機(jī)卻無(wú)需安裝額外的傳動(dòng)裝置，其扭矩調(diào)節(jié)范圍較廣;在較極端的氣溫條件下，永磁體的磁性不穩(wěn)定，需要安裝散熱器、水泵以及冷卻風(fēng)扇等，三相異步交流電機(jī)卻較少用到此類裝置。 另外，三相異步交流電機(jī)還具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維護(hù);環(huán)境適應(yīng)性高以及在負(fù)載區(qū)域內(nèi)接近恒速等優(yōu)勢(shì)。 1.2 特斯拉與其他新能源汽車電機(jī)比較 表2列示了幾種中高端新能源汽車的性能對(duì)比情況表。從表中可以發(fā)現(xiàn)，從整體來(lái)看，特斯拉的綜合性能位居全球新能源汽車的前列，無(wú)論是電機(jī)最大功率還是續(xù)航里程，都遠(yuǎn)高于其他品牌的電動(dòng)汽車。 從電機(jī)最大功率來(lái)看，特斯拉的電機(jī)最大功率是310Kw，而同樣作為中高端車型的寶馬I3和I8系列，其電機(jī)最大功率為125Kw和95Kw(混合動(dòng)力)。特斯拉Model S系列的續(xù)航里程可以達(dá)到480Km，是其他品牌電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的3倍及以上。 另外，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，寶馬I3系列電動(dòng)汽車的最大扭矩為250N.m，遠(yuǎn)小于特斯拉電動(dòng)汽車電機(jī)的配置參數(shù)。結(jié)合電機(jī)功率和電機(jī)質(zhì)量來(lái)看，特斯拉的電機(jī)功率密度高達(dá)6Kw/kg，在當(dāng)今的電動(dòng)汽車中擁有十分顯著的電機(jī)優(yōu)勢(shì)。 特斯拉選用異步交流電機(jī)原因分析 臺(tái)灣富田電機(jī)是特斯拉電機(jī)的主要供應(yīng)商。從特斯拉建立之初的背景條件來(lái)看，在特斯拉創(chuàng)辦之初，由于其產(chǎn)量小，又對(duì)零部件的成本、技術(shù)有一定的限制和要求，為其提供汽車零部件可以獲得的利潤(rùn)空間很小，許多歐美日韓的供應(yīng)商并不愿意與其合作，臺(tái)灣的很多規(guī)模較大的工廠也對(duì)特斯拉并不感興趣。 在此大背景下，特斯拉與當(dāng)時(shí)規(guī)模并不大的富田電機(jī)建立了合作關(guān)系，選擇了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、生產(chǎn)成本較低的異步交流電機(jī)作為該公司新能源汽車的電機(jī)。 從公司對(duì)于產(chǎn)品的市場(chǎng)定位方面來(lái)看，根據(jù)埃隆·馬斯克在2006年發(fā)布的特斯發(fā)展規(guī)劃四部曲，特斯拉的業(yè)務(wù)發(fā)展依次為：生產(chǎn)小量而昂貴的電動(dòng)跑車、適量?jī)r(jià)格適中的車型、量產(chǎn)價(jià)格親民的車型以及提供太陽(yáng)能電力。目前，特斯拉除了有第一代跑車Tesla Roadster以外，現(xiàn)有車型還有Model S和Model X，也已推出了Model 3并接受市場(chǎng)預(yù)訂。 與第一代電動(dòng)跑車的市場(chǎng)定價(jià)相比，Model S的價(jià)格雖有所降低，但還是屬于中高端車型。對(duì)于此類中高端車型來(lái)說(shuō)，加速性以及高速性能是這類汽車企業(yè)所要考慮的重要因素，而使用異步電機(jī)是其最好的選擇?，F(xiàn)在特斯拉主打的Model S和Model X的加速性能都十分出色，Model S p100d的百公里加速僅需2.7秒。 另外，相比于永磁同步電機(jī)，異步交流感應(yīng)電機(jī)的一大弱點(diǎn)在于其功率密度與體積、重量等。對(duì)于新能源汽車來(lái)說(shuō)，運(yùn)用異步交流感應(yīng)電機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)也在于小型化和高功率。特斯拉的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)使用高頻繞組定子和銅質(zhì)轉(zhuǎn)子，成功解決了這項(xiàng)技術(shù)難題，對(duì)于想要通過(guò)運(yùn)用交流感應(yīng)電機(jī)來(lái)提高電動(dòng)汽車電機(jī)性能的新能源汽車企業(yè)來(lái)說(shuō)，形成了較難攻破的技術(shù)壁壘。 而特斯拉作為全球新能源汽車領(lǐng)域極具影響力的企業(yè)，該核心技術(shù)的發(fā)展與成熟運(yùn)用對(duì)其鞏固和進(jìn)一步公司業(yè)務(wù)，擴(kuò)展市場(chǎng)份額起到了十分重要的作用。另外，基于電機(jī)體積小功率密度高的特性，汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以直接放置在車輪周圍，從而減少軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣不僅提升了效率，更增大了汽車后排的乘車空間及前后的儲(chǔ)物空間，使汽車得到了更高效的設(shè)計(jì)安排和使用。 Model 3電機(jī)性能預(yù)想 2016年3月底，特斯拉公布了第四款電動(dòng)汽車——Model 3。Model 3的其售價(jià)僅為35,000美元，價(jià)格不到Model S和Model X系列車型價(jià)格的一半。在特斯拉公布Model 3之后的短短一周內(nèi)，就有超過(guò)32.5萬(wàn)人預(yù)訂了該系列車型，市場(chǎng)反應(yīng)可謂十分熱烈。 Model 3目前的定價(jià)，與國(guó)內(nèi)的部分相對(duì)中高端的電動(dòng)汽車車型售價(jià)較為接近。根據(jù)特斯拉官方公布數(shù)據(jù)顯示，Model 3的售價(jià)雖然相比于之前的車型較為便宜，但續(xù)航里程仍然達(dá)到了345公里，因此預(yù)測(cè)特斯拉在該款車型中電池方面的成本并不會(huì)有大幅度的下降，而相應(yīng)的，電機(jī)部分的成本就要有相當(dāng)程度的縮減，從而確保特斯拉Model 3的利潤(rùn)空間。 上表列示了國(guó)內(nèi)部分與Model 3售價(jià)相當(dāng)?shù)碾妱?dòng)汽車車型電機(jī)性能情況表。目前，根據(jù)官方數(shù)據(jù)顯示，Model 3的續(xù)航里程為345公里，和騰勢(shì)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程大體相同。但Model 3的百公里加速時(shí)間僅為6秒，而騰勢(shì)的百公里加速時(shí)間需要14秒左右。 另外，根據(jù)北汽EU260、騰勢(shì)以及比亞迪e6等車型的性能比較分析可得，預(yù)測(cè)Model 3系列車型的最高車速在150km/h左右，不會(huì)超過(guò)Model S車型的最高車速210km/h。 潛在產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng) 如果Model 3選擇使用稀土永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的話，那么國(guó)內(nèi)廠商切入其電機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的可能性是比較高的。經(jīng)歷過(guò)近3-4年的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)新能源汽車電機(jī)及總成的配套整合能力有了明顯提升，整車控制器等核心零部件的生產(chǎn)工藝也有較大提升。 永磁同步電機(jī)作為國(guó)產(chǎn)新能源汽車使用的主要電機(jī)類型，也積累的大量的實(shí)際生產(chǎn)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為特斯拉Model 3提供配套也有比較扎實(shí)的基礎(chǔ)。 目前主要使用的稀土永磁電機(jī)是釹鐵硼電機(jī)，在釹鐵硼發(fā)現(xiàn)之前，使用的是成本高且磁能密度較低的釤鈷稀土電機(jī)。高性能釹鐵硼磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，不僅可以達(dá)到電流勵(lì)磁所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而且還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電流勵(lì)磁，因而可以制造出數(shù)千kW的大中型電機(jī)。但是釤鈷電機(jī)的穩(wěn)定性高，這是其主要優(yōu)點(diǎn)。 圖3、永磁同步電機(jī)控制示意圖 從目前的情況來(lái)看，大洋電機(jī)、大郡、精進(jìn)、方正電機(jī)等國(guó)內(nèi)主流的電機(jī)企業(yè)都有可能向特斯拉供貨，主要的零部件廠商信質(zhì)電機(jī)的確定性相對(duì)較高一些。但是從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)來(lái)看，最具彈性的是電機(jī)稀土材料。 目前，國(guó)內(nèi)主要的釹鐵硼供應(yīng)商為中科三環(huán)和寧波韻升，且產(chǎn)能都相對(duì)有限，可能成為Model 3國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程開(kāi)始后，最受益的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)之一。 從稀土材料用量上來(lái)看，配置60kw電動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力車需要釹鐵硼永磁材料2-3kg;90kw電動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力車需要釹鐵硼永磁材料5公斤以上。同時(shí)，每噸釹鐵硼材料需要0.42噸金屬釹。目前，金屬釹價(jià)格約30萬(wàn)元/噸，氧化鐠釹價(jià)格約20萬(wàn)元/噸。 總結(jié)及展望 特斯拉Model 3使用永磁同步電機(jī)，是特斯拉大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)、提升整體效率的必然選擇。對(duì)比異步交流電機(jī)，永磁同步電機(jī)在電動(dòng)汽車的使用上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括高功率、體積小、運(yùn)行穩(wěn)定性高和過(guò)載能力大等優(yōu)點(diǎn)。因此，在特斯拉進(jìn)一步小型化、更注重汽車整體設(shè)計(jì)的前提下，使用永磁同步電機(jī)是自然的選擇。 永磁同步電機(jī)的國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)相對(duì)完善，盡管與國(guó)外的最先進(jìn)水平存在一定差距，但是若未來(lái)特斯拉能夠?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)，那么其產(chǎn)業(yè)鏈部分向國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)移的可能性是完全存在的。同時(shí)，特斯拉Model 3使用永磁同步電機(jī)也更堅(jiān)定了國(guó)內(nèi)車企當(dāng)前的技術(shù)路線，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)業(yè)研發(fā)也將受到提振。
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