视频 | 特斯拉电动汽车的工作原理

本视频由 Learn Engineering 制作，“试译宝”推荐的译员翻译，“科普天天向上”配音、加字幕，42号车库已获得中文转载授权。

该视频长 10 分 52 秒，字幕内容约 2300 字。

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以下是字幕内容：

市面上的电动汽车越来越多，电动汽车没有尾气污染、噪音低、性能高，预计 2025 年就能把汽油和柴油汽车挤出市场。特斯拉 Model S 型电动汽车如今是世界上加速度最快的量产汽车，这个视频介绍特斯拉 Model S 型电动汽车所采用的技术。

为了让大家明白电动汽车是如何获得超高的性能，本视频将分别分析电动汽车中的感应电动机，逆变器，锂离子电池，以及整个汽车是如何协同工作的。

▌感应电动机

特斯拉汽车由感应电动机驱动，感应电动机是尼古拉·特斯拉在一个世纪前发明的，特斯拉汽车的名字也是为了纪念尼古拉·特斯拉而取的。

感应电动机有两个主要的部件，定子和转子。转子由横着的多根导电杆，两端的导电圆盘，以及夹在导电圆盘之间的多个硅钢片组成。定子连接到三相交流电上，线圈中的三相交流电产生旋转的磁场，从而在电机中产生具有 4 个磁极的磁场，旋转的磁场在转子的导电杆中产生感应电流。因为导电杆中有电流，所以导电杆在磁场中转动。

在感应电动机中，转子的转速始终小于磁场的旋转速度，感应电动机中没有电刷，也没有永磁体，但动力强劲。感应电动机的优点是：感应电动机的转速取决于交流电的频率，所以，只要控制交流电的频率，就可以控制电机的转速，从而控制汽车驱动轮的转速。控制了驱动轮的转速，就控制了电动汽车的车速，这种控制方式简单可靠。

电机具有变频驱动模块，用以控制电机的转速，电机的转速范围为 0 到 18000 转/分钟，这个转速指标大大优于采用汽油或柴油发动机的汽车。对于汽油和柴油发动机来说，扭矩符合要求时，转速不一定符合要求，因此，发动机不能直接连接到驱动轮上，发动机必须与变速器配合，才能使驱动轮达到所需要的转速。

而感应电动机在输出所需的扭矩的同时，还能输出所需的转速，能在转速范围内一直保持较高的效率，所以，电动汽车就不需要变速器。

另外，发动机无法直接产生旋转运动，而是将活塞的上下直线运动转换成旋转运动，而将直线运动转换为旋转运动时，会出现机械平衡方面的问题。

发动机还有两个问题，一个问题是，发动机不能像感应电动机那样自己启动，而是需要启动电机进行启动，另一个问题是，发动机无法均匀地输出动力。为了解决这两个问题，发动机要配备发电机给蓄电池充电，而蓄电池可以为启动电机提供电力，发动机还要配备飞轮，从而尽量均匀地输出动力。

而感应电动机不仅可以直接产生旋转运动，而且可以均匀地输出动力，所以感应电动机可以省去发动机上的很多部件。因此，感应电动机重量比发动机轻，响应速度比发动机快，动力比发动机强，使得电动汽车具有超强的性能。

▌逆变器

感应电动机的动力从哪儿来呢？来自电池组。

但感应电动机需要的是交流电，所以，需要逆变器把电池组输出直流电，变成感应电动机所需要的交流电。逆变器同时控制其所输出的交流电的频率，从而控制电机的转速。另外，逆变器甚至能控制交流电的电压，从而控制电机的动力。

因此，逆变器就像电动汽车的 CEO ，执行着对电动汽车的控制。

▌锂离子电池

我们现在研究一下电池组。你可能会惊奇地发现，电池组是由许多节日常生活中使用 18650 充电电池组成，“18” 表示电池直径为 18 毫米，“65” 表示电池长度为 65 毫米，“0” 表示电池是圆柱形。这些电池通过串联和并联，为电动车提供动力。电池之间有扁平的金属管，内装冷却液，用于给电池进行冷却。

特斯拉的一个创新之举是采用大量的小电池，而不是几个大的电池块，从而确保能对电池进行有效冷却，使得发热点尽量地小，温度分布均匀，从而延长电池组的使用寿命。

多节电池构成这种可拆卸的电池模块，整个电池组共有16个这样的可拆卸电池模块，共包含大约 7000 节电池，位于车头的散热器用于对电池组中的冷却液进行冷却。

另外，因为电池组安装在车身较低的位置，从而降低了汽车的重心，汽车重心降低则大大提高了汽车行驶时的稳定性。电池组分布于汽车的整个底部，电池组坚固的结构有助于汽车抵抗侧面的撞击。

▌动力传动系统

现在我们继续研究特斯拉的动力传动系统。

电机产生的动力通过齿轮箱传输到驱动轴，因为电机本身的有效转速范围比较宽，所以，特斯拉使用的是简单的单速变速器。电机输出的速度通过齿轮，进行了 2 次降速。

电动汽车的倒车也含简单，只需要改变电源相位的顺序就可以了。电动汽车采用变速器的唯一目的，就是通过牺牲转速来获得更大的扭矩。

齿轮箱中的另一个重要的部件是差速器，动力通过齿轮输送到差速器。这是一个简单的开放式的差速器，但开放式的差速器在牵引控制方面有缺陷。

这么先进的电动汽车为什么要使用开放式差速器，而不使用限滑差速器？原因是开放式差速器更结实，能够传输更大的扭矩。

有 2 个方法可以消除开放式差速器的缺陷，一是选择性制动，另一个是切断电源供应。对于汽油和柴油发动机，通过切断油路来切断动力见效慢，而对于感应电动机，切断电源的效果立竿见影，从而可以有效地进行牵引控制。

特斯拉可以利用最先进的算法，结合传感器、控制器进行牵引控制，简而言之，特斯拉汽车利用智能软件取代了复杂的机械硬件系统。

你是否知道，即使只使用油门踏板，也能高效地控制行驶中的电动汽车，这归功于特斯拉强大的动力回收系统。也就是说，制动时，汽车巨大的动能被转换为电能，而不是被转换为刹车片上的热能被浪费掉。

行驶时，“油门”踏板一旦被松开，电动汽车便启动动力回收系统，在动力回收系统工作时，感应电动机变成了发电机。此时，车轮驱动感应电动机的转子，在转子的转速小于磁场的旋转速度时，感应电动机作为电机输出动力，当转子的转速大于磁场的旋转速度时，感应电动机就变成了发电机。

此时逆变器起到关键的作用，逆变器降低输入到电机的电流的频率，从而降低磁场的旋转速度，使得转子的转速高于磁场的旋转速度。从而使电动机变成了发电机，产生的电流是交流电，转换为直流电后，就可以存储到电池组中，发电的同时，转子受到反向的电磁力，从而给驱动轮施加了阻力，从而降低了驱动轮的转速和车速。

这样，行驶中，仅仅通过油门踏板就可以精确地控制车速，而刹车踏板用于将汽车完全停下来。

由于动力回收系统和刹车踏板的共同作用，使得电动汽车比汽油和柴油汽车更安全，电动汽车的保养和使用比汽油和柴油汽车便宜很多，随着技术的不断进步，电动汽车现有的缺点会逐渐被克服，未来将是电动汽车的天下。

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