靠谱的电动汽车是怎么跑起来的？比如，特斯拉

2015-09-01 09:02

【编者按】本文作者廖子韬，就读于伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）EE专业，在特斯拉实习半年电机控制器以及BMS自动化测试，现在在德国做变速箱ecu实习。

游侠电动车之所以遭到那么多质疑，主要就是他们的团队资质，以及他们所给的发展计划时间违背了很多汽车技术研发的客观事实。
现在国内经常提“用互联网思维造车”，从另一个角度发展汽车工业固然好，但是造车毕竟还是造车。车是一个安全性，可靠性要求特别高的产品，因此更新的速度相对于瞬息万变的互联网产业简直就是惨不忍睹。
那么，电动汽车要跑起来，在动力系统和电池箱上都有哪些要求？特斯拉又是怎么做到的呢？
任何一个车的核心技术都是动力链系统
汽油车就是引擎，变速箱，以及一系列将引擎的动力传递到轮子上的系统。对于电动车来讲就是电机、逆变器、直流转换器、电池箱等将电机的动力传到轮子上的部件。
踩下加速器的那一瞬间，其实是给了逆变器（inverter，或者可以直观地称为电机控制器）一个电信号，这个电信号的电压大小决定了逆变器给电机输出多少功率，电机就会输出相应的扭矩来驱动车辆。逆变器的英文名是inverter，功能是将直流电逆转成交流电。那为什么要转换成交流电呢？因为电动车大多数用的都是交流电机，而电池只能输出直流电（即电流只有一个流动方向）。
其中永磁电机和感应电机是应用最多的两种电机。
永磁电机的定子（即电机中不会转的一部分）是永久磁性材料，电机内磁场强度高，能量转换效率高，单位质量输出功率大。感应交流电机在定子部分用的也是和转子一样的线圈，虽然效率和单位质量输出没有永磁电机高，但是建造成本低，建造速度快，并且结构非常可靠。感应交流电机由尼古拉.特斯拉发明，一直到现在基本架构和原理都没变。特斯拉电动车也是因此而得名。

（电动车动力系统基本架构）
电动车的另一核心就是电池箱。电池箱是由电池本身和电池管理系统构成。
一般电池包都是由一节节小电池组成。小的锂电池，分为圆柱体和长方体两种，电压大约在3-4V。小电池通过串联来达到较高的额定电压，比如400V左右，然后通过并联来达到较高电流的需求。
电池箱为了可靠性和安全性，一般采取模块化的设计，即由小的电池包组成大的电池箱。每一个小的电池包内部有一个电磁开关，如果该电池包内有小电池异常，这个电磁开关就由电池管理系统的控制电路打开。这样这个有问题的电池包就被切断于整个系统之外。
另外锂电池充电放电的特性和温度非常相关，所以在机械设计中也要充分考虑如何有效的平衡电池间的温度。
电池管理系统（bms）主要的功能有两个，一个是上述所说的通过采集各个小电池的电压，电流，温度等信息来决定开启保护电路，第二个就是平衡小电池之间的电量。
为了避免单个锂电池过度充电和放电，电池管理系统需要用一些电路来平衡电池之间的能量。最常见的有主动和被动平衡两种平衡方式。被动平衡就是在小电池电压过高的时候，通过放电电阻慢慢消耗多余的能量来平衡。主动就是在电池组上加上小的直流转换器，让能量在电池之间流动而不是简单的在电阻上消耗。
虽然主动平衡听上去比被动平衡要好很多，但是在现实的工程生产中，最佳的设计不一定是符合最佳理论设想的设计。被动平衡虽然确实会浪费一些能量，但是考虑到锂电池生产一致性非常高，充电放电过程中小电池的电压也不会相差太多，所以在放电电阻上的能量损耗也不会太高。
被动平衡系统的硬件和软件都比主动平衡系统简单可靠很多，在成本上也少很多。所以现在被动平衡还是工业界的主流。
电池管理系统在采集了所有电池的电压、温度、电流之后，一般会进行一些统计计算。比如说通过算方差来评估小电池数据的一致性。电池上的每一个传感器都有自己的“地址”，这样电池管理系统可以知道哪一个电池电压过低过高，温度过高，电流过高等来判断开启哪里的安全电路。

（常见电动车电池箱架构）
直流转换器的作用，就是将主电池箱比较高的400V的直流电转到24V或者12V来给车内其他电路供电。比如说娱乐系统、其他的电子控制单元等等。这里就不做详细介绍了。
以上是电动车的一些关键部分的介绍。
不论是汽油车还是电动车，在设计电路的时候都要比设计手机电脑等消费电子产品考虑的问题多。
首先因为汽车的工作环境千变万化，车上的电路要经得起高低温的考验。
一般电子控制单元（electronic control unit，即ECU）的设计公司，都会把ECU放在低至零下40度，高达150摄氏度的环境下测试，确保关键功能在极限环境下保持正常，所以在选择电路的部件时要求更高。
汽车在行驶过程中车身一直在震动，这些机械上的震动可以通过线束和连接点传输到电路里。比如说，车身的震动传到了电池的连接口上，那ECU接到的电池的电压就会因为接口接触不良而上下浮动。在设计电路的时候，要考虑到这个波动，然后相应设计一些稳定电压的电路。电磁干扰也是设计时经常考虑的因素。只要有电流就会有电磁波，所以比如我在车里面听收音机，ECU 不应该释放出能干扰收音机信号的电磁波。反过来，收音机的电磁波也会影响ECU信号的传递，所以在设计测试ECU 时也要考虑减小外界电磁波对内部信号传输的影响。
每多一个设计考虑就会多出很多成本。
设计本身要求更“耐操”的部件，所以部件成本增加。设计完了之后要测试，电磁的测试仪器设备，高温高压的测试设备等等，都是非常非常贵的。传统汽车电子供应商有很多项测试指标，一步一步测试，测了发现问题马上改，改了再测，往复循环。
特斯拉能在相对于传统汽车厂比较短的时间内完成这么高质量的产品确实不易。特斯拉的电机控制器，以及电池等一套动力系统，从roadster开始对电池bms和电机进行设计的验证，到08年金融危机之后给奔驰的b-class做代工，到后来买旧工厂，做车身，一步一步积累技术，十年磨一剑。在这其中人力物力的代价可想而知。
汽车工业在自己的圈子里发展了一百多年，突然出来一个特斯拉来搅局，发现其实互联网的用户体验，新能源的动力链，和传统的机械也能结合得如此好。这确实给了整个工业界很多启示，大厂商也开始动用更多财力、人力来更大胆地改进自己的汽车产品。而一些互联网公司，在谈将互联网思维运用到汽车工业之前，首先应该想想如何迅速吸收汽车工业的行业经验，造出一辆靠谱的车。互联网功能在汽车身上确实只是锦上添花，所以千万不要本末倒置。

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