电动汽车正在汽车世界里风生水起。这些无噪音、无污染、高性能的车辆，预计将在2025年之前陆续替代内燃机汽车。事实上，世界上第一辆汽车其实就是纯电动汽车。本文将揭示Tesla Model S背后隐藏的技术，它最近成为世界上速度最快的汽车之一。特斯拉Model S P100D在5.27秒内就可以加速到100km/h。通过分析感应电动机、逆变器、锂离子电池背后的技术，我们将看到电动汽车是如何实现卓越性能的。

感应电动机 - 特斯拉汽车的发电机

特斯拉汽车上的电动机是大科学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在100年前发明的。感应电机有两个主要部分，定子和转子。图1A中可以看到电机的结构细节。转子只是由端环短路的一组导电棒。一个三相交流电源输入给定子。线圈中的三相交流电产生旋转磁场（RMF）。特斯拉电机产生的是一个4极磁场。这个旋转的磁场在转子条上感应出电流使其转动。在感应电动机中，转子总是滞后于旋转磁场的。感应电机既没有电刷也没有永磁体。

感应电动机的美妙之处在于它的速度取决于交流电源的频率。所以只要改变电源频率，我们就可以改变驱动轮速度。这个简单的事实使得电动车的速度控制简单可靠。电机电源来自变频器，从而控制电机转速。电机转速范围从0到18000 rpm。

图A1 ：感应电机的典型效率图

图1B：内燃机的典型效率图

与内燃机汽车相比，这是电动汽车具有的最大优势。内燃机仅在有限的速度范围内产生可用的扭矩和动力输出。从图1B可以清楚地看出。因此，将发动机输出直接连接到驱动轮是行不通 的。必须引入变速器来改变驱动轮速度。另一方面，感应电机可以在任何速度范围内高效工作。因此，电动车不需要变速器。而且，内燃机不会产生直接的旋转运动，而必须是活塞的直线运动转换成旋转运动，这会带来震动等很多问题。内燃机不会像感应电机那样自启动，输出的动力也是不均匀的。而用感应电机可以产生直接的旋转运动和均匀的功率输出。由于这些因素，电动汽车的高比功率自然而然地归功于感应电动机，从而表现出出色的车辆性能。

主要内部部件——电池、逆变器、感应电机

但是电动机从哪里获得电力？对，来自电池组。电池产生直流电，所以在提供给电机之前，必须将其转换为交流电。逆变器的作用就在于此。逆变器还控制交流电频率，从而控制电机速度。而且，逆变器甚至可以改变交流电的幅值，进而控制电动机的功率输出。因此，逆变器充当电动车的大脑。

图2：电动汽车的主要零部件

电池组 - Tesla Motors最大的创新

现在，让我们把重点放在电池组上。你会惊讶地发现，它们只是一个类似于你日常生活中使用的普通锂离子电池的集合。电池以串联和并联的方式进行组合，以达到电动汽车所需的电力。乙二醇冷却剂通过金属内管穿过电池之间的间隙，这是特斯拉的一个主要创新。通过使用许多小电池而不是几个大电池，可以保证有效的冷却，这将会让热点最小化，甚至达到温度均匀分布，从而延长电池组的使用寿命。电池被设计成可拆卸的模块，电池组中有16个这样的模块，组成7000个电池单元。

图3：电池模块的细节

被电池加热后的乙二醇通过安装在车辆前部的散热器来冷却。此外，您可以看到电池组是如此的接近地面，这样的设计可以降低车辆的重心。

图4：电动汽车需要散热器来冷却电池

较低的重心大大提高了汽车的稳定性。电池组也散布在地板上，提供了防止侧面碰撞的结构刚性。

图5：电池组充当支撑结构

图6：电池组有意的贴近地面

简单的传动系

现在，让我们回到特斯拉的传动系统。电机产生的功率通过齿轮箱传递给驱动轮。如前所述，特斯拉S型使用简单的单速变速器，这是因为电机在各种工作条件下都是高效的。您可以看到，电机的输出速度分两步减少。在电动汽车中实现倒档也是相当容易的，只要改变相位就可以了。电动车传动的唯一目的是减速和扭矩倍增。

图7：电动车可以使用单速传动系统

开放式差速器用在这种先进的汽车上？

变速器中的第二个部件是差速器。您可以看到这是一个简单的开放式差速器，但是，开放式差速器存在牵引力控制问题。但是，为什么这样的高级轿车使用开放式差速器而不是防滑差速器呢？答案是，开放式差速器更加坚固，可承载更大的扭矩。利用两种方法，选择性制动和切断动力源，可有效克服在差速器中发生的牵引力控制问题。在内燃机中，通过切断燃料来切断动力源，响应速度并不理想。然而，在感应电动机中，动力切断是相当灵敏的，并且是获得牵引力控制的有效手段。在特斯拉汽车里，这一切都可以在传感器和控制器的帮助下使用最先进的算法来完成。简而言之，特斯拉电机已经用智能软件取代了复杂的机械硬件系统。

图8：特斯拉 Model S使用开放式差速器

再生制动：最大的优点

你知道一辆电动车只需一个踏板就能高效地行驶吗？这归功于其强大的再生制动系统。这意味着以电力的形式节约汽车的巨大动能，而以热量的形式浪费掉。电动汽车在再生制动期间，感应电动机也可作为发电机。这时，轮子驱动感应电机的转子。我们知道，在感应电机中，转子转速低于旋转磁场的转速。要将电机转换为发电机，您只需确保转子转速大于旋转磁场的转速。

图8：再生制动

变频器在调节输入电源频率和保持旋转磁场转速低于转子转速方面起着至关重要的作用。这将在定子线圈中产生电力，然后，可以将产生的电力存储在电池组中。在这个过程中，一个相反的电磁力作用在转子上，所以驱动轮和汽车会慢下来。这样在驾驶过程中使用单个踏板可以精确控制车辆速度。刹车踏板可以让车辆完全停止。

正如你知道的那样，电动汽车比内燃汽车更安全。维护和驾驶电动车的成本远低于内燃机车的成本。随着电动汽车的改进，电动汽车的弊端也将越来越少，电动汽车有望成为未来的汽车。