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电动汽车真能开上火星? | 技术活儿

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1958年,在集成电路发明以后

计算机工业摆脱了重量和空间的限制

不仅把人送上了月球,还让你我把生活装进口袋

2014年,在e-Motion Drive驱动汽车以后

同样摆脱重量和空间限制的汽车工业

不仅动力更强,更蕴含了无限可能

e-Motion Drive可以被装进口袋的时候

电动汽车是不是真能开上火星?

图源:技术活儿

e-Motion Drive系统,包含了电动汽车的控制系统和动力系统,是整车最核心的部分。纯电驱动的e-Motion Drive不仅具有强大的计算能力,还可以释放出曾经“不可思议”的动力输出。而且更可怕的是,生于数字时代的e-Motion Drive系统蕴含着巨大的进化潜能。那么敢于挑战火星的e-Motion Drive,到底是怎么“Drive”电动汽车的呢?

超级大脑

如果在动力系统机械结构的复杂程度上相比,那电动汽车和燃油汽车相差甚多,但是如果在控制系统的复杂程度上相比,电动汽车和燃油汽车则完全不在一个量级。

  

  图源:SKILLSHARE

燃油发动机在发动起来以后,对发动机的控制基本就是通过脚踏板控制节气门的开度来控制发动机转速,如果从电路角度来讲其难易程度基本和中学物理的滑动电阻控制小灯明暗的难度差不多。

图源:题库巴巴

而电动汽车的控制系统电路基本是这个样子的,所以开电动车真的不简单。

图源:Ken Shirriff's blog

“同性相斥,异性相吸”是磁铁的基本特性,也是电动发动机的基本原理。虽然早在中世纪就有人利用磁铁做了“永动机”,不过在麦克斯韦1873年出版科学名著《电磁理论》之后,人类才真正能够控制电动机。

磁铁永动机

图源:xx0ru

麦克斯韦-安培定律阐明,磁场可以靠随时间变化的电场产生,也就是说,人们可以通过控制电流的变化来改变磁场,进而使磁铁转动,就像这样:

图源:The Engineering Mindset

这就是北汽新能源车上“永磁同步电机”的基本原理,而为了让电动机运行更平顺,真正的电动机内部有三组交流电路,就像这样:

图源:The Engineering Mindset

  所以电动汽车的控制系统就是要通过这三组交流电路按照用户需求控制电机。一般来说,交流电的频率决定电机转速,振幅决定输出功率但控制的前提是,得把电池输出的直流电“掰弯”。

  将直流电变成交流电的电子元器件叫逆变器,它的原理电路不复杂,但复杂的是这个电路需要精准的开关控制才能保证输出电能的质量,而这也是控制系统计算能力的考验。

图源:The Engineering Mindset

  由于用户的需求随时都在变化,整车各大系统的状态也在随时变化,电动汽车的控制系统需要整合全车数百个传感器的数据后再对电机进行精准的控制,所以电动汽车的“大脑”每秒的数据处理量非常巨大。

  

正在用于自动驾驶研发的英伟达AI计算机计算能力已经达到每秒320,000,000,000,000次,是苹果A12处理器计算能力的64倍

图源:Nvidia

  而且为了用户的安全,控制系统的稳定性要求要远远高于普通计算机,所以每一次“三高”试验控制系统稳定性都是测试的重点。控制系统的策略开发也要严谨到可以通过德国莱茵TüV认证,这样才能保证安装在车上的“超级大脑”是靠谱的。

基因里的小而强大

除了拥有“超级大脑”以外,e-Motion Drive的动力系统则具有小而强大的基因。

图源:Animagraffs

燃油汽车的发动机动力本质上源于汽油与空气的混合燃烧,虽然经历了130多年的进化,但是由于物理特性的限制,燃油发动机的重量和体积已难有突破。而且为了维持四冲程的动态平衡,燃油汽车的发动机必须要保持700-800转/分钟的"最低"转速,虽然一般民用车的发动机最高转速也不过8000转/分钟,况且燃油车的发动机也不能高转速运行,因为容易。。。爆~

图源:F1

所以燃油汽车发动机转速不能和车速同步,为了保证发动机的安全以及在不同速度下都产生最佳的输出效率,燃油汽车的发动机必须要连接可“换挡”的变速箱才能驱动车辆,而复杂的机械结构就意味着更低的传动效率,更高的保养维修费用以及更大重量和体积。

图源:LearnEngineering

相比之下尼古拉·特斯拉在1887年发明的电动发动机则为汽车工业带来了另外一个路径。

图源:LearnEngineering

电动发动机的重量差不多只有燃油发动机的六分之一,结构更是简单到...词穷(因为小编实在无法找出V12, 6.75升,自然吸气...这种富有感情的词藻来描述一台电动机),不过论起性能来电动发动机可一点都不弱。

图源:SKILLSHARE

不仅没有怠速,电动发动机在启动瞬间就可以释放出远超燃油发动机的动力(这也是电动汽车加速快的原因),而且电动发动机在全转速区间都可以平顺而稳定的输出动力,所以电动汽车根本就没有“换挡”这一说,单电机的传动系统重量差不多只有燃油汽车传动系统的五分之一。

  插条八卦

  关于电动发动机的发明者归属是有争议的。电动发动机的原型机在1885年就被意大利物理学家加利莱奥·法拉利Galileo Ferraris)在实验室中展示过,而这位法拉利大神相信他所提出的旋转磁场理论以及他所开发的新产品在科学上的价值远远超过物质上的价值,因此他有意不为自己的发明申请专利两年后的1887年,特斯拉将电动发动机在美国申请了专利

基因里的小而强大已经让电动汽车开始脱离传统的汽车设计,呈现出完全不同进化方向。比较激进的公司如Rimac Automobili已经开始研发四电机四轮独立驱动技术,不过概念车型CONCEPT_ONE在著名汽车主持人Richard Hammond试驾时失控,险些终结了Hammond的职业生涯...

图源:Rimac Automobili

进化ING

  

  图源:Intel

  这张图源自于英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔提出摩尔定律的那篇著名论文:Cramming more components onto integrated circuits(将更多的器件塞入集成电路)。图中售货员手里拿的小盒子就是在电脑尺寸还论房间算的年代对未来电脑的想象。

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Resin/3.1.10