特斯拉 Model Y 有哪些不为人知的高科技?

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谢邀!

我在 @知乎汽车 「拆车实验室」里给大家做一个解答:

尽管 Model Y,有一个很大的前备箱,但这并不意味着它的前舱里空空如也。其实在这个前备箱的壳子下面,特斯拉的工程师满满当当的布置了非常多的零件。这里最出风头,也最有意思的,就是在 Model Y 上首先应用的——

热泵空调系统

整个空调系统的核心零件,集成在这块面板之上,挺紧凑的。这台电动压缩机的外面包裹了海绵,但是工程师把悬置做得非常的软,甚至软到我用手就能直接的晃动的程度。

我猜测这样做的目的,还是为了NVH 考虑,毕竟之前的Model 3上为了隔离压缩机的噪音震动,特斯拉用了一个很大的塑料壳子。但这种超软的悬置方式所带来的耐久性问题,可能需要更长的时间来验证。

这套空调系统的背面,就是它最 Amazing 的地方了。这是一个黑色的,有着一个八爪鱼卡通形象的八通阀,一会儿我们会详细地介绍它。

因为电动汽车自身特性,没有传统车上的发动机来提供大量的没有用的热量,所以要加热座舱,只能依靠电池宝贵的能量。再加上低温情况下,电池的活性降低,所以冬季的续航,一直是电动汽车使用过程中最大的痛点。

之前大多数电动汽车,包括 2020 年前特斯拉的所有车型,都使用传统的 PTC (热敏电阻)加热。PTC类似于电热水器,消耗 1 度电的电能,它就释放 1 度电的热能。相当于花 1 块钱买 1 块钱的东西,天经地义。但是电池里的每一份能量,都是这么的宝贵,那有没有一个办法,能让 1 块钱掰成 2 块钱用呢?

热泵空调就是这个思路。

夏天我们吹空调的时候,感受到的是凉风。但是反过来想,这个时候的汽车,也在对外吹着热风啊。其实就是把车内的热量,搬运到了车外。热泵空调,就是在冬天的时候,把这个过程给倒过来,把车外的热量搬运到车内。

如果花费 1 度电的能量,就能够搬运 2 度电的热量到车内,那我们就实现了,一块钱当两块钱花目的。

但是热泵空调的成本比较高,所以之前,往往在比较高端的电动车上才能得到应用。特斯拉并不是行业内,首个应用热泵空调的车企。在这之前国外的大众 e-Golf、日产聆风,国内的上汽荣威 Ei5 、 MARVEL X、广汽 Aion LX都应用过这个技术。

Model Y 的热泵之所以有意思,是因为它为热泵匹配了我刚刚所说的 OctoValve——八通阀

传统车企在开发电动汽车热管理架构的时候,或多或少沿用了传统汽车的思路,传统车有发动机作为热源,它可以提供几乎用不完的废热。所以热管理系统的主要任务——是散热

而电动汽车不一样,整套电驱动系统工作点,效率普遍在80%甚至90%以上。废热相比发动机要少的多的多。冬天气温低 ,电池要加热,座舱也需要加热;可能在经过激烈驾驶之后,电池电机可能又需要散热。总的来说,纯电动车的驱动系统与座舱空调在不同条件下,对散热和加热的需求是不同的

这个时候如果有一套,智能的热管理系统,将动力系统需要散发的热量转移到座舱去,那就是取长补短,正正好好的。在这里,特斯拉开发了一套全新思路的热管理架构,核心思路是,把车上所有的热量统一起来管理。

在上一代 Model 3上面,那时候特斯拉还没有用上热泵系统,它用了一个设计非常巧妙的Superbottle,就是采用一个四通阀,将电池与电驱电控的热管理系统整合在了一起。

所谓的四通阀,就是一个可以改变空调系统不同零件间管路连接方式的阀门。当电池需要加热的时候,那就把电机和逆变器的废热释放给电池,甚至利用电机堵转(人为降低效率的方式)来加热电池。还取消了电池的 PTC 加热装置。但是在那套系统上,加热座舱的 PTC 还是存在的,并没有得到取消。

Model Y在 Superbottle 四通阀的基础上更进一步,特斯拉用两个四通阀叠起来组成了一个八通阀 OctoValve,彻底把空调与三电热管理系统整合了起来。

上一代 Superbottle 上,特斯拉设计了一个水壶超级英雄的卡通形象。,这次索性把 Octopus八爪鱼的卡通形象打在了这个八通阀上。

就是这么一个小小的阀门,可以改变九根管路的连接方式,实现十二种制热和三种制冷模式。它带来的直接收益就是,前舱的散热器由两个减少到了一个,完全依靠复杂的控制策略来实现热量的合理分配。这样一来:

  • 电机电控的废热不仅能够用来加热电池,还能够用来加热座舱;
  • 电池也能够利用热泵空调,来加热和冷却
  • 甚至在冬天温暖的阳光下,车内被晒得很热的时候,还可以把车内的热量,输送到电池储存起来等需要的时候再释放出来。

此外,还有更 sao 的操作。特斯拉的热泵空调还彻底取消了高压 PTC,取而代之的是用压缩机来直接产生热量。

具体是怎么做呢? 就是同时打开空调的冷凝器与蒸发器将通过冷凝器的热空气再循环回蒸发器蒸发器吸收的热量与冷凝器排出的热量相抵消输入到车内的净热量等于压缩机输出的能量。

我知道这段话基本让人看不懂。说人话,这就好比你冬天的时候家里没有热空调 ,却只有一个冰箱。这个时候你可以把冰箱的门打开,这样看上去冰箱是在制冷,其实冷热的源头都在室内,压缩机做功的那份能量,最终还是会释放到室内,是可以给你取暖的。

当然,这样做冰箱的压缩机很容易坏,也可能容易引起家人对你智商的误解,所以回家千万别这么做。但是 Model Y 上的压缩机的功率在5-6kW,这和目前主流的 PTC 加热功率差不多,而且人家设计就是这么干活的,和你家里的冰箱真的不一样。在这套逻辑下,是可以提供足够的制热功率的。


好了 看完这很 sao 操作的热泵,再来看看刚刚提到的,会发热的电机。

一般来说,电机工程师是希望电机的效率越高越好,也就是发热浪费掉的能量越少越好。我们知道在乘用车上使用的电机一般有两种选择——永磁同步电机和交流感应电机。

Model Y前桥使用的是交流感应电机,后桥使用的是永磁同步电机。它们各有好处,交流感应电机很容易可以把功率做的比较大,恒定输出的情况下效率也比较高,但是复杂交变工况和小负荷的情况下,它的效率就比较低了。所以它比较适合作为,工业机器设备的动力源,在汽车上可能更适合美国的路况,长距离恒定的高速行驶比较多,但是到了东亚和欧洲主要是城市拥堵和山路的情况下,就显得水土不服。

永磁同步电机虽然正好能弥补交流感应电机的缺点,但它也有一个问题,就是如果四驱车在前后各配一个永磁同步电机的话那在低负荷的情况下,前桥的电机一般是在空转的。这时候永磁体转子在定子内不断地旋转 ,会产生反向电动势。换句话说它在拖这辆车的后腿,消耗车的动能产生热能。这个问题有两个解决方案——

  • 要么是给前桥的永磁同步电机增加一个机械的离合器,让它不工作的时候不要转,比如上汽荣威 MARVEL X 的四驱版本就是这么处理的。
  • 要么就是在前桥直接使用一个交流感应电机,简单粗暴解决这个问题。而从 Model 3 开始到 Model Y,特斯拉也正是这样做的。这样的动力配置可以确保在中低负荷驱动,也就是占比最高的工况里,它是一台高效的后驱车。而真正需要动力性发挥的时刻,它又是一台强劲的四驱车。

从一体式压铸、线束到热泵,特斯拉的迭代,这是让人感觉脑洞大开。

这个行业的发展,的确需要许多创新思维的引入,不仅仅是在商业模式的层面,在技术的层面更是如此。在手机市场我们看到国内各家厂商的新鲜尝试层出不穷,相信在电动汽车领域来自国内各路诸侯的技术创新,应该也在不远处等着我们了。

谢邀!

我在 @知乎汽车 「拆车实验室」里给大家做一个解答:

视频解答:

Model Y是不是一台长大了的Model3?

国产Model Y和国产新Model 3从今年1月正式上市以来,就热议不断。大部分人看到Model Y的第一感觉,这就是一辆长高长胖了的Model 3,定位SUV车型的Model Y和轿车Model 3有着怎样的关系呢?

我们先来对比看一下Model Y和Model3整车尺寸和内外部空间的情况

整车相关尺寸对比 Model 3 VS Model Y

首先是整车离地间隙。我们可以看到SUV车型的Model Y相对于轿车Model3整车满载离地间隙差了22mm左右,而Model Y选用了轮胎直径为712mm(前轮型号为225/45 R19和235/35 R21),比Model 3选用的轮胎直径为670mm(前轮型号为235/45 R18和235/35 R19),车轮半径上就差了21mm;

接下来是内部乘员的座高。我们看到Model Y的前排座高为290比Model 3的195mm座高高了95mm。在拆解车身后我们可以看到,Model Y车身上座椅和车身主体结构之间增加了一个很高的骨架结构,高度为130mm。

前排座椅垫高骨架结构

Model Y的第二排座高为377mm,比Model 3的高了116mm,这个更改主要是通过第二排座椅骨架结构和坐垫的结构来实现的。

Model Y二排座椅坐垫下方的骨架结构

经过内部空间的分析,Model Y给消费者带来的确实是SUV应该有的高坐姿,大空间的乘坐体验。

通过以上,可以推断Model Y是特斯拉的工程师们基于Model3的整车架构快速打造出来的一款具有SUV乘坐感受的车型。

接下来,我们从整车架构集成的维度解析Model Y 开发的创新性和先进性

虽然纯电动汽车相比燃油车有着较低的用车成本和更加平顺的驾驶体验,但是仍然存在着如: “里程焦虑”、“安全焦虑”等问题。

关于里程焦虑

而特斯拉以其在续航里程上的优势慢慢在燃油车市场中杀出一条血路,并结合广泛布局的超级充电桩缓解“里程焦虑”问题。我们来看看特斯拉的工程团队在打造Model Y这款车型到底应用了什么技术?

第一,降低整车(风)阻力(F=Cd.A)

  • 更加流线圆润,无进气格栅的造型风格;
  • 隐藏式门把手、无框车门、低风阻轮;
  • 整车底部贯穿前后完整的护板结构;
圆润的Model Y

第二,整车上提供更大的空间给电池包。

Model Y 相比于几年前的特斯拉 Model S ,在一定的整车长度范围内,缩短前后悬以增加置于前后轮的电池包有效长度;另外在宽度方向将电池包设计之间同车身门槛固定,提升整车宽度方向上的电池包宽度;最后在寸土寸金的整车高度方向上,Model Y突破性的设计将电池包与车身底板进行零贴设计,以提升整车高度方向上电池包的空间利用效率(一般车型预留10mm的匹配间隙),从而实现相同的整车尺寸内提供更大的电池包的布置空间。可以想象一下,你去买房,买到了一个公摊小得房率更高的房子。

Model Y电池与车身匹配断面图

第三,提高电池包内电芯的布置效率。

根据电芯的布置效率进行统计分析,Model Y(包括3)相对于几年前的Model S通过纵向梁+无框的电池框架结构,以及电芯更加合理的布局,实现了电芯集成有约15%提升。还是以房子为例子,一定面积的情况下,你通过合理的布局,让房子里可以装更多的东西。

电池包内电芯布置效率对比 Model S VS Model 3

关于安全焦虑

刚才也提到, Model Y并没有像其他电动车一样采用横梁+边框的框架结构,而是采用了三根纵向梁的无框电池包结构。改变了电池的传统布局,会不会不安全呢?其实在特斯拉这里没有。

纵向梁结构:电池包内的纵向梁结构在整车上的状态,两边两根分别是和车身前大梁以及副车架的纵梁基本在一条线上,并连接形成了一条完成的纵向路径;

Model Y(3)车身与电池框内纵梁结构

无侧框结构:车身本身有门槛梁结构,如果电池包有侧框结构,这个侧框结构与车身门槛梁能集成为一根梁,减少了两根梁之间的匹配间隙,并提升两根梁的连接强度,这样效率是最高的,说白了就是更结实了。从而可以支持提供更多的电芯布置在整车宽度方向上的空间。侧面碰撞主要依靠车身内的横梁结构支撑、门槛结构变形吸能来满足。

电池包内的纵梁结构与车身横梁结构的集成连接:刚才提到电池包与整车的匹配是零间隙配合[刘1] 的,而一般电动车都会预留8~10mm的配合间隙。Model Y通过内部纵梁结构的局部区域与车身贴合并与车身横梁交叉处连接固定,从而形成纵横交错的结构,提升电池与车身的一体性。另外在侧碰工况,车身的横梁还可以通过电池框内的纵梁结构的连接点提升其支撑强度;

通过这种突破性的集成方案,不仅提升了电芯的布置集成效率,提升了整车的碰撞安全性能,在整车的成本和重量上也会有比较大的收益。等于你买到了一套得房率很高的房子,经过装修布局之后空间利用效率还提高了。

在另一项性能(安全)没有牺牲的情况下,这一项性能(电池)还得到了提升,这本身就是一种科技,是工程上的好设计。

此外,Model Y还有一项技术非常值得探讨分析,就是此次应用在model y车身上的大型铸铝结构件。

Model Y一体式压铸后地板结构

在整车的开发中,一般会设计前后轴荷比50比50,或者前轴略重。但是电动车由于地板下方的电池布置以及后轴的驱动电机,将会导致整车的后轴轴荷高于前轴,从而带来整车转向过度的趋势,也就是所谓的甩尾。所以特斯拉工程团队在打造Model3的时候,在后轴之后采用了冲压铝板的减重方案来平衡前后轴荷,但是带来的问题是,过为零碎的冲压铝板结构让车身的拼接过程变得相对复杂。那么如何应对这样的问题呢?

1) 化繁为简:一般冲压钢板后地板结构有60个左右的冲压件,而Model Y的冲压件的数量超过70个。一体式压铸后地板结构可以将这一堆零件集成为一个,连接点数量由原来的700~800减少到50个以内,而制造时间也可以由原来的1~2个小时直接缩短到3分钟;

2) 一体压铸的工艺:就是将融化的金属铝液通过浇注口,浇注到针筒内,然后通过活塞推动将铝液由缓慢开始后到最后快速加压将铝液快速填充到模具中,经冷却固化形成最终的零件结构。铸造完成后再经过修边、热处理、机加工和整形等工序最终得到满足装车要求的零件。

3) 但是特斯拉在Model Y上应用的一体式压铸后地板结构,应用的材料为新设计的材料,支持实现压铸后的零件不需要进行时效处理(固溶+过时效),即铸态即可以满足强度和塑性要求,最终满足连接工艺和整车性能要求。

4) 在重量上,一体式压铸后地板相对于Model 3直接减重10%(7Kg左右);但是成本上,并没有增加。传统重量在5Kg左右的铸铝结构件,零件的成本构成由30%的材料成本和70%的工艺成本,其中工艺成本占零件成本的比例非常高;而特斯拉在Model Y上一体式压铸后地板结构的成本构成为70%的材料成本和30%的工艺成本,这一比例也当前冲压钢制车身的成本中材料和工艺的成本比例已经相当了。最后再综合考虑连接点的数量大幅减少,可以实现一体式铸铝工艺在提升生产效率和减重的同时,基本实现成本不增加。

Model Y一体式压铸后地板零件成本分析

5) 但是铸铝材料并不是完美的。铸铝材料的机械性能相对于钢制车身抗拉和屈服强度是偏低的,但是铸铝件的结构可塑性比较高,所以在结构设计过程中可以通过各种加强筋结构的设计来实现不同区域的强弱需求。

铸铝结构件上的加强筋结构设计

6) 可能很多人会担心一体式压铸后地板结构会带来维修成本高的问题,其实在整车设计过程中一般会分低速碰撞区和高速碰撞区。低速碰撞区域一般是设计可更换的前后防撞梁结构,在发生低速碰撞后可更换维修,但是车体上高速碰撞承载区一旦发生高速碰撞,无论是何种结构维修成本都不会很低,而且略微严重的情况大概率会导致整车报废。

7) 这样激进的制造方式其实也是有短板的。压铸过程是将铝液填充到模具腔体内,在原理浇筑口的地方容易出现气孔疏松等质量缺陷。为了解决这个问题就需要较大吨位的压铸机,所以特斯拉为此定制了世界上最大的6000吨压机,接下来还有8000到10000吨的压机,而此前最大的压机吨位在4500吨。压机吨位增大之后,也会带来铝液的快速流动冲蚀压铸模具从而影响模具寿命。还有一个问题就是压铸完的后地板结构还需和车身其他零件进行连接,所以对于匹配连接面的延伸率和质量有比较高的要求,这也是影响大型铸件推广的另外顾虑点。

5) 那为什么选择后地板结构作为一体式压铸结构呢?特斯拉的工程团队在整车开发过程中秉承着两个理念,一是:不断追求整车集成效率的提升;二是:小步快跑,快速迭代。所以从Model3到去年上市的海外版的Model Y,再到这辆国产的Model Y,在追求集成效率的方向上不断迭代。在整车的后部结构中相对来说考虑的设计工况是少一些,所以出现问题的几率也会低一些,因此特斯拉的工程团队从一体式铸造后地板结构切入试点应用超大的一体式压铸结构,成功之后将会在其他结构扩展应用,据不明渠道消息说特斯拉现在正在开发一体式压铸前舱结构,我想再下一步可能就是一体式压铸中舱结构为最终实现Cell to Car这样更为高效的集成理念走下坚实的一步。