Как устроен электромобиль Tesla

Технические характеристики

Основателем автомобильной компании Tesla стали Илон Маск, Джей Би Штробель и Марк Тарпеннинг. Прежде всего, основателям компании необходимо было разработать мощный электродвигатель и батареи, чтобы привести в работу ведущие колёса. Для создания первого прототипа автомобиля потребовалось почти 3 года.

Первый электрокар Tesla Roadster был презентован 19 июля 2006 года. Презентация автомобиля прошла успешно, но спортивный электрический автомобиль имел ряд недостатков. 2009 года была презентована 5-дверная Model S, двигатели которой устанавливаются на транспортные средства по этот день с небольшими доработками.

Технические характеристики силового агрегата электромобиля Tesla:

НаименованиеХарактеристика
ПроизводительTesla
Типтрёхфазный асинхронный двигатель
Мощность225, 270 или 310 кВт
Крутящий момент430, 440 или 600 Н·м
Максимальная скорость201 (первое поколение) 250 (второе поколение) км/час
Разгон до 100 км/часот 2,7 (модификация P100D) с
Тип аккумуляторалитий-ионный
Запас ходаот 370 до 632 км
Время зарядки8 ч

Асинхронный двигатель

Асинхронный электродвигатель «Теслы» – это трехфазный четырехполюсный мотор. Он состоит из двух основных частей — статора и ротора.

Статор состоит из трех частей — сердечника статора, проводника и рамы. Ядро статора представляет собой группу стальных колец, которые изолированы друг от друга и ламинируются вместе. Эти кольца имеют прорези внутри колец, которые проводящий провод будет обертывать, образуя катушки статора.

Проще говоря, в трехфазном асинхронном двигателе существует три разных типа проводников. Их можно назвать фазой 1, фазой 2 и фазой 3. Каждый тип провода обернут вокруг слотов на противоположных сторонах внутренней части сердечника статора. Как только проводящий провод находится внутри сердечника статора, сердечник размещается внутри рамки.

Рекуперативное торможение Тесла

На борту моделей Tesla можно обнаружить всего две педели: тормоза и газа. На месте привычного третьего органа управления находится «стоянка» для левой ноги. Реально же, управлять Теслой можно посредством только одной педали — педали акселератора. На западе такую манеру езды называют «one pedal driving». Почему электромобили могут предложить такую возможность?

Тут всё дело в присутствии системы рекуперативного торможения, несмотря на то, что транспортные средства на электрической тяге имеют в своём распоряжении такие же тормозные механизмы, как и автомобили оборудованные ДВС. Просто используются они не так часто, как на традиционных машинах. На Тесле, как только вы начинаете попускать педаль акселератора, авто начинает замедляться — это происходит за счёт включения в работу рекуперативной системы торможения. Асинхронный электродвижок просто перестраивается на режим генератора и начинает при этом вырабатывать электрическую энергию. В обычных машинах энергия торможения превращается в тепло, а в средствах передвижения оборудованных электродвигателем, она идёт на подзарядку аккумуляторной батареи, посредством преобразования кинетической энергии в электрическую. Говоря точнее, авто будет замедляться за счёт того, что в обмотках статора образовывается магнитное поле замедляющее ротор двигателя.

Если требуется полная остановка электрического транспортного средства, то в помощь водителю педаль тормоза, на которую следует воздействовать в самом конце замедления. Данное обстоятельство, даёт выигрыш: на моделях Тесла, тормозные колодки нужно менять гораздо реже, чем на средствах передвижения оснащённых ДВС.

Автопилот Тесла

По-моему, это самая крутая вещь, которую воплотила в жизнь команда Илона Маска. Автопилот использует систему обратной связи из 8 камер, которые охватывают угол обзора все 360 градусов на дальности в 250 метров, 12 сенсоров, которые помогают в опасных ситуациях, а также помогают парковаться, и есть также функция Summon, которая помогает перемещать автомобиль, например, из гаража, либо вывести с парковки с помощью мобильного приложения.

Автопилот Тесла может полностью водить автомобиль в автономном режиме. Он также может предупреждать владельца об опасных ситуациях на дороге.

Мнение директора компании

«Модель X является особенно сложной машиной для сборки. Может быть, самый сложный автомобиль для строительства в мире. Я не уверен, что будет сложнее », — признался Илон Маск, основатель компании-миллиардера «Теслы» и ее генеральный директор, который также выполняет те же роли в SpaceX.

Маск хочет сосредоточиться на создании лучшего в мире автомобиля, а модель S стоимостью в $ 70 000 по всем правам может претендовать на этот приз. Это полностью электрический автомобиль, он предлагает недельную поездку за одну зарядку от любой из общенациональной сети бесплатных зарядных станций на солнечной энергии.

Это самый быстрый из всех четырехдверных серийных автомобилей на планете, являясь самым безопасным автомобилем своего класса. Когда он сталкивается с машиной для испытания на столкновение, последняя, подобранная для испытания, ломается.

Инвертор

Как же нам преобразовать постоянный ток, который выдает нам большая аккумуляторная батарея Тесла в переменный ток, который требуется для асинхронного двигателя? Вот здесь в дело вступает инвертор

Он не только преобразовывает постоянный ток в переменный, но также и контролирует скорость вращения двигателя и его мощность, а следовательно, скорость автомобиля и его ускорение.

Недостатки электромобилей Тесла

Долгое время зарядки. В то время, как простой автомобиль с ДВС можно заправить буквально за 5 минут, Тесле поребуется около часа. Но и здесь опять же есть подвижки. В настоящее время компания стремится к тому, чтобы сделать время заряда как можно меньше. Для этого она строит так называемые Supercharger stations по всему миру. Эти заправочные станции, как говорят в Тесле, будут совершенно бесплатны, а ваш автомобиль сможет зарядиться на 80% за 30 минут! То есть пока вы пьете кофе, ваш авто уже будет снова готов покорять просторы) Полная зарядка на таких заправочных станциях длится около полутора часов. Пока что таких заправочных станций не так много, но я считаю, что ситуация все равно будет меняться в лучшую сторону.

заправка Supercharger
заправка Supercharger

Высокая стоимость. Цены на новые модели Теслы в бомж комплектации в Америке начинаются от 43 000 $. По нашим деньгам это около 2 800 000 рублей. В Москве цены начинаются от 3,5 млн рублей. Не очень то и дешево для электрокара.

Двигатель Тесла, принцип работы

Самым главным узлом в автомобиле является асинхронный двигатель, который разработал великий ученый Никола Тесла. Давайте разберем принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух частей: статора и ротора

статор и ротор асинхронного двигателя
статор и ротор асинхронного двигателя

Как же работает асинхронный двигатель? Асинхронный двигатель – это трехфазный двигатель переменного тока с вращающимся магнитным полем.

вращающееся магнитное поле
вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле образуется в обмотках статора. Оно в свою очередь приводит в движение ротор.

подключение асинхронного двигателя к трехфазному п
подключение асинхронного двигателя к трехфазному питанию

Также нельзя забывать тот факт, что в асинхронном двигателе скорость вращения самого ротора будет меньше, чем скорость вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре двигателя.

Но и это еще не все. Частота вращения такого двигателя зависит от частоты переменного тока, поступающего на его обмотки. Чем больше частота, тем быстрее будет вращается двигатель. Поэтому, управляя частотой, мы можем управлять вращением двигателя, а следовательно, и скоростью самого автомобиля. То есть все управление автомобилем сводится к тому, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный трехфазный и возможностью менять частОты переменного трехфазного тока. Это простое преобразование постоянного тока в переменный ток нужной частоты делает автомобили Тесла простыми и надежными.

Редуктор Tesla

В преимущества электромобилей Тесла записано отсутствие КПП, но естественно остаётся вопрос — а как тогда, при такой конструктивной особенности, тяга передаётся на ведущие колёса? Всё просто, для этого манёвра конструкторы применили редуктор, который, в принципе, можно назвать односкоростной КП.

В разрезе устройство выглядит так:

Просто и соответственно надёжно и недорого! Ещё один интересный вопрос: как задействуется задний ход? А вот за этот процесс отвечает как раз таки не редуктор, а инвертор, меняющий две фазы на движке местами, после чего, электромотор просто начинает вращаться в противоположном направлении.

Неисправности и ремонт

Ремонт, как и обслуживание, стоит проводить на специальном оборудовании у специалистов. Основными и частыми неисправностями является быстрая потеря ресурса батареи. Первые модели Тесла имели слишком малый запас энергии, а поэтому была высока вероятность «застрять» на трассе.

Ещё один факт – неисправность в системе автопилота. Эта проблема стала причиной гибели американского гражданина Джошуа Браун в 2016 году. Расследование причин аварии показало, что автопилот не видит поперечно идущий транспорт. Данная неисправность на стадии усовершенствования.

Как работает электродвигатель?

Принцип работы электродвигателя «Тесла» такой.Он начинается с аккумулятора в автомобиле, который подключен к двигателю. Электрическая энергия подается на статор через аккумулятор. Катушки внутри статора (изготовленные из проводящей проволоки) расположены на противоположных сторонах сердечника статора и действуют как магниты. Поэтому когда электрическая энергия от автомобильной батареи подается на двигатель, катушки создают вращающиеся магнитные поля, которые тянут проводящие стержни снаружи ротора вдоль него. Вращающийся ротор — это то, что создает механическую энергию, необходимую для поворота шестеренок автомобиля, которые, в свою очередь, вращают шины.

В электромобиле нет генератора переменного тока. Как же заряжается аккумулятор? Когда нет отдельного генератора переменного тока, двигатель в электромобиле действует и как двигатель, и как и генератор. Это одна из причин, почему электромобили настолько уникальны. Как упоминалось выше, аккумулятор запускает двигатель, который подает энергию на шестерни, которые вращают шины. Этот процесс происходит, когда нога находится на ускорителе — ротор тянется вдоль вращающегося магнитного поля, требуя большего крутящего момента. Но что происходит, когда отпускают ускоритель?

Когда нога сходит с акселератора, вращающееся магнитное поле останавливается, и ротор начинает вращаться быстрее (в отличие от того, чтобы его тянуть вдоль магнитного поля). Когда ротор вращается быстрее, чем вращающееся магнитное поле в статоре, это действие перезаряжает батарею, действуя как генератор переменного тока.

Забавные факты

Чтобы не делал человек, другой человек способен это изменить и модернизировать. Так и с засекреченными автомобильными технологиями. Джейсон Хьюз (Jason Hughes) большой поклонник Tesla и электромобилей компании. Но ему нравится не только кататься на таких электромобилях, но и знать, как они работают. Джейсон — довольно известная личность в сообществе поклонников Tesla. К примеру, именно ему удалось извлечь из обновлённой прошивки автомобиля некоторые данные о новой модели электромобиля. Если точнее, речь идёт про обнаружение записи «P100D» в прошивке Tesla 7.1.

Но сейчас ему удалось гораздо большее. Он смог достать задний привод Tesla Model S, и научился им управлять. Откуда получен привод, Хьюз не говорит, но это не так уж и важно. Гораздо более важно то, что он смог получить полный контроль над всеми функциями этого узла.

Первым шагом, в этом непростом проекте, стала подача питания на привод с одновременным сниффингом CAN-шины на предмет обнаружения отдельных команд управления. На это ушло около 12 часов, но, в конце концов, мотор удалось заставить вращаться. Мастеру пришлось повозиться — мало того, что данные работы движка пришлось расшифровывать, но и для управления его работой Джейсон написал специальное ПО. На этом этапе речь шла только о том, чтобы заставить движок работать. На то, чтобы перехватить и расшифровать команды CAN, у него ушло ещё 3 часа.

После этого дело пошло уже легче — Хьюзу удалось найти полный пакет команд управления. К примеру, он смог подключить систему водяного охлаждения, и приводил её в действие во время работы привода (в определённом режиме работы система заявляла о скорости в 188 километров в час). Двигатель удалось ввести и в режим генерации энергии. Система рекуперации энергии, введённая инженерами Tesla, позволяет во время торможения использовать двигатель машины в качестве генератора. Сейчас Джеймс может по своему усмотрению устанавливать различные параметры питания движка и генерации им энергии.

В итоге ему удалось даже создать собственную плату управления задним приводом. Интересно, что мотор был извлечён из автомобиля с прошивкой 7.1, которая включала ряд схем безопасности, предотвращающих вмешательство в нормальную работу системы. Но Джейсону удалось обойти эти препятствия.

Наиболее сложной задачей было заставить движок слушаться команд самодельного контроллера, но и это, оказалось, по силам умельцу. По его словам, он собрал свою плату буквально из мусора. Для того чтобы обезопасить движок, мастер использовал относительно низкий ампераж. Это не первый случай «хака» движка Tesla Model S. 11 месяцами ранее другому умельцу, Джеку Рикарду, также удалось заставить электромотор слушаться команд контроллера собственного изобретения. Но здесь речь идёт об использовании лишь двигателя и контроллера.

Стоит помнить, что обновлённая модель электромобиля Tesla Model S поставляется с 70 кВт·ч аккумулятором, который на самом деле имеет ёмкость в 75 кВт·ч, но часть батареи, если так можно выразиться, залочена программно. Компания продавала эти авто в течение месяца, и только сейчас об этом стало известно. Как же владелец такой машины может получить 5 дополнительных кВт·ч? Очень просто — доплатить $3250 для «разлочки».

Процесс апгрейда полностью программный, и производится «по воздуху». Работникам компании физический доступ к авто нужен только для того, чтобы сменить бейдж Tesla Model S 70 на бейдж Tesla Model S 75 (делается в сервисном центре). Идея компании проста, хотя и немного странная — позволить покупателям Tesla Model S 70 платить меньше на $3000, чем покупателям Tesla Model S 75. Причём «железо» у обеих моделей абсолютно одинаковое. В компании рассудили, что не всем нужна увеличенная ёмкость батареи, и тем, кому она не нужна, разрешили платить меньше. Разница в расстоянии, которое могут проехать обе модели в автономном режиме — около 35 км.

Кстати, не так давно для той же Tesla Model S было выпущено специальное программное обеспечение, позволяющее водителю управлять машиной при помощи «силы мысли». Мысленными командами можно заставить автомобиль проехать немного вперёд или же включить заднюю передачу. При этом считывание сигналов электрической деятельности мозга производится при помощи специального шлема. Сигналы анализируются специальной программой, после чего они передаются в бортовой компьютер для управления транспортным средством.

Особенности процесса производства Тесла

Первое, что можно заметить на производственном этаже Tesla Motors, — это роботы. Восемь футов высотой ярко-красных ботов, которые выглядят как трансформеры, прижимающиеся к каждому седану модели S. До восьми роботов одновременно работают над одной моделью S в четкой последовательности, каждая машина выполняет до пяти задач:

  • сварку,
  • заклепывание,
  • захват и перемещение материалов,
  • изгиб металла,
  • установку компонентов.

Почему асинхронный двигатель лучше, чем ДВС

График зависимости крутящего момента (Н⋅м) от оборотов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) выглядит примерно вот так:

График зависимости крутящего момента от оборотов в
График зависимости крутящего момента от оборотов в ДВС

Поэтому, соединять вал двигателя ДВС напрямую с колесами – так себе идея.

В этом случае требуется трансмиссия и коробка передач

трансмиссия и коробка передач в автомобилях с ДВС
трансмиссия и коробка передач в автомобилях с ДВС

Также не забывайте, что линейное движение поршней должно быть преобразовано во вращательное движение. Это очень трудоемкий процесс, так как приходится балансировать весь двигатель, чтобы было как меньше вибраций при работе.

принцип работы двигателя ДВС
принцип работы двигателя ДВС

Да и для того, чтобы запустить такой двигатель, нам также понадобится стартер. А как вы знаете, без аккумулятора стартер не заведется. Ну или “с толкача”).

Еще один минус ДВС в том, что выдаваемая им мощность очень неравномерна, поэтому надо использовать маховик.

К очевидным минусам ДВС можно также добавить его высокую стоимость, выбросы выхлопных газов в окружающую среду, высокую стоимость топлива, ограниченный ресурс, так как очень много трущихся деталей, низкий КПД, сильный шум, большой вес, замена расходников, а также, как мы уже говорили, требуется обязательно коробка переключения передач.

Зависимость крутящего момента от оборотов электродвигателя на автомобилях Тесла выглядит так

Скорость вращения двигателя может быть от нуля и до 18 000 оборотов в минуту! Как вы видите, почти во всем диапазоне эта зависимость почти равномерная. Значит, нет надобности в трансмиссии и коробке передач.

Если даже сравнивать ДВС и асинхронный двигатель, то можно увидеть существенную разницу весе и выдаваемой мощности. Отношение веса к выдаваемой мощности у ДВС 0,8 кВт/кг, а у асинхронного двигателя 8,5 кВт/кг. Разница более, чем в 10 раз!

сравнение двигателя ДВС и асинхронного двигателя
сравнение двигателя ДВС и асинхронного двигателя

Коробка передач

Как же передается вращение от двигателя к колесам?

Для этого используется коробка передач

коробка передач в автомобилях Тесла
коробка передач в автомобилях Тесла

В автомобилях Тесла используется простая односкоростная коробка передач, так как крутящий момент двигателя почти равномерный на всех оборотах.

Если разобрать коробку, то можно увидеть ее простую конструкцию

Вращение вала двигателя приводит к вращению шестеренки, которая передает вращающий момент на колеса автомобиля

Даже обратный ход достигается тем, что инвертор меняет две фазы на асинхронном двигателе местами, и двигатель будет вращаться в другую сторону.

Автопилот Tesla

А вот эта технология выводит модели известного элитного производителя электрических автомобилей совсем на другой уровень. Автопилот задействует систему обратной связи состоящей из восьми камер, охватывающих угол обзора в 360 градусов на расстоянии 250 м. Присутствуют двенадцать сенсоров, которые могут сослужить добрую службу при возникновении опасных ситуаций, а кроме того, помогают в процессе парковки. Имеется и функция Summon, помогающая перемещать электрокар, к примеру, из гаража, также его можно вывести из места парковки воспользовавшись мобильным приложением. Система автопилотирования может управлять машиной в полностью автономном режиме, к тому же в её обязанности входит предупреждение водителя об небезопасных обстоятельствах на дороге.

Электрические автомобили и окружающая среда

С точки зрения крупномасштабных перспектив, есть несколько преимуществ для роста электромобилей:

  • снижение шумового загрязнения, поскольку шум, электрический двигатель намного более подавлен, чем двигатель с газовым двигателем;
  • электромоторы не требуют смазочных материалов и технического обслуживания, как газовый двигатель, химикатов и масла.
Подведем итоги

Подведем итоги

Электродвигатель стал особенно высоко цениться в течение последних нескольких лет. Поскольку большинство людей понимают и оценивают влияние загрязнения окружающей среды на климат, спрос на это транспортное средство, которое может принести меньше вреда природе, постоянно возрастает.

Благодаря этому требованию роста и развития некоторые из величайших изобретателей мира усовершенствовали электродвигатель, чтобы он работал лучше и был более эффективным. Илон Маск – один из них. Он приближает время, когда электромобили станут использоваться повсеместно. Тогда и экология планеты будет более чистой.