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为什么这么火?Tesla Model S技术解析

2014年5月23日 发表评论 阅读评论

    Model S不久前获得了美国杂志《Motor Trend》的2013年度车型,成为第一个获得该杂志年度车称号的新能源车;也获得了美国《消费者报告》史上评分最高的车型。凭借超前的设计思维,出色的性能表现,优异的用户体验,Tesla Model S在最近可谓占足了各大媒体的头版,收到众多的赞誉。在电动车市场遭受寒冬的时候, Model S业绩却一路飘红,就像被冬日里的暖阳照耀着叛逆规律地逆生长。本着严谨的办事精神,科学的求证方法为宗旨,我们是时候出手来探究下Tesla Model S究竟为什么这么火。

在电动车市场遭受寒冬的时候, Tesla业绩却一路飘红,被各大媒体争相报道的 Model S着实是火了一把

先锋外观设计

    Tesla Model S第一眼给人的感觉就像是概念车,车身线条简洁动感,充满后现代感觉。而它的设计者正是现今汽车设计领域里的当红新星Franz von Holzhausen。这位毕业于Art Center College of Design的年轻设计师,于大众在加利福尼亚的设计中心开启了助理设计师的生涯。接着被通用汽车招至麾下,包括庞蒂亚克Solstice、土星Sky、与雪弗兰SS的设计草图,都能见到他的设计哲学。此后von Holzhausen去到马自达继续发挥概念车的设计触觉,包括在Ryuga、Hakaze 与Taiki等车型都担任设计要角。在2006年底特律国际车展的Kabura概念车,正是让von Holzhausen于设计领域打响名堂重要作品。

它的设计者正是现今汽车设计领域里的当红新星Franz von Holzhausen。

    Tesla Model S采用的四门Coupe的造型,这在传统电动车里面是十分鲜见的,而这种略带科技感的外观造型又很好的把它从一般四门轿车当中区别开来。Model S概念性的设计通过几个细节体现在Model S身上,诸如隐藏式的把手, LED灯组等等。当驾驶者携带钥匙接近车辆时 ,手柄会自动滑出,并以简单的触摸来解锁。而车辆在跑动时,车门手柄会自动缩进车内,以此来减少阻力。在流畅的车身线条和因摆放电池板组而使得底部完全平坦的共同作用下,Model S录得低至0.24Cd的风阻系数。

畅的车身线条配合底部完全平坦的电池板组,Model S录得低至0.24Cd的风阻系数。

    再具体地说,Model S有点像Jaguar XF和Aston Martin Rapide混种的感觉。而车子前方还特意设计了个“水箱罩”,让Model S看起来有个与一般的汽车差不多的「脸」。据Tesla厂家介绍,这样的设计是刻意为之,Tesla希望以一般人熟悉的外型来传达这样的讯息:电动车的性能表现与实用性可以与内燃机引擎的汽车匹敌,甚至更为优秀。

Tesla可以采用一般人熟悉的轿车外型为设计方向,目的是向人传达这样的讯
息:电动车的性能表现与实用性可以与内燃机引擎的汽车匹敌,甚至更为优秀

颠覆性内饰设计

    Model S在内饰设计上同样打破陈规,车内中控台放置了一块堪称巨大的17英寸(逼近两台Ipad尺寸)电容式触摸液晶屏幕,车主将能以触控形式透过拖曳、点选、旋转等操作手法,进行音乐、通话、导航、蓝牙、空调、灯光、乃至于电力回收系统、车身高度等控制,几乎所有的行车功能皆能透过该具屏幕完成,且能自由排列接口,操作直观而且界面非常炫目。尽管看似屏幕显示的信息相当繁琐,但若是智能手机使用者,不出两分钟便能熟悉所有的设定。

中控台上有一块堪称巨大的17英寸电容式触摸液晶屏幕,车主将能
以触控形式透过拖曳、点选、旋转等操作手法控制几乎所有行车功能

    这块显示屏幕更导入显示适配器大厂NVIDIA Tegra显卡,搭载多核心处理器,无论仪表显示、多媒体信息与卫星导航等功能,都能拥有更优异的图像处理、色彩表现与更新速度,显示屏甚至能呈现3D视觉效果。而除了中控台触控屏幕之外,Model S所配备的12.3英寸液晶显示仪表板同样搭载NVIDIA Tegra显卡,其三环式的配置同样能够自由排列,打造个人化的操控界面,绝对能赋予车主充满爽快感的高级风范。Model S是首度导入NVIDIA Tegra显示芯片的车型,相对地,这也是NVIDIA首度跨足汽车产业,预计未来除了TESLA之外,BMW集团的也会采用NVIDIA Tegra显示芯片,提供消费者更豪华、更清晰也更便于使用的车用多媒体系统。

车内显示屏幕均导入显示适配器大厂NVIDIA Tegra显卡,搭载多核心处理器,使得操作界面非常炫目

    当然这块触摸屏更可以通过免费的3G模块即时连接互联网,它的背后是一个开放的Linux应用平台,地图、语音识别等各种各样的丰富程序都已构建在这个平台上。虽然之前无数的汽车公司试图使用这种设计,但真正将其投入大规模量产并获得好评的,Tesla应该算第一个。这主要得益于几位创始人的IT背景,对网络时代的人机交互界面和用户体验有着更深刻的理解。

得益于几位创始人的IT背景,对网络时代的人机交互界面和
用户体验有着更深刻的理解,Model S的触摸屏获得广泛好评

    另外,由于Model S突破了传统动力系统配置的方式。包括发动机、变速箱、传动轴、排气管和油箱等众多在传统内燃机汽车本该预留的位置统统被释放出来,因此Model S较传统动力汽车多了接近40%的可用空间。这意味着前后座的空间更为宽敞,车厢地台可以像MPV般完全平坦,坐在后座中中间,双脚可以更舒展。值得注意的是前座的中间少了排档座,也就是一般车子的变速箱,排档杆与手剎的位置,取而代之的是平坦的地板和宽大的置物盘。另外行李箱也更大了,并可以选择加装两个面向后方的儿童座椅,变成七人座的轿车。

Model S较传统动力汽车多了接近40%的可用空间,前后座的空间更为宽敞,车厢地台可以像MPV般完全平坦

底盘构造融入LOTUS的设计经验

    暂且撇开动力系统不谈,先看看其底盘部分。为了开创新境界,TESLA汽车厂于美国密执安州的 Rochester Hills设置全新的汽车设计与研发中心。Model S全车设计为LOTUS负责OEM。打造出全铝合金车架、前双横臂后多连杆悬挂结构、后置后驱和低重心的模式。

Model S全车设计为LOTUS负责OEM。

    Model S由于没有引擎而取消了副车架,车头部分的车架是整个底盘的一部分,一体化的设计令车头部分刚性更高。那在车头部分还能看到的东西就剩下水冷系统的水泵,电子助力转向机,启动避震系统的气压泵、电子式刹车助力泵和ABS泵了。同是因为取消了引擎的缘故,车架并没有设防火墙,所以同样要以一根类似“顶吧”的铝合金条焊接在两个塔顶之间。而这个“顶吧”对塔顶附近的抗扭性来说是十分重要。

Model S由于没有引擎而取消了副车架,车头部分的车架是整个底盘的一部分。

    双摇臂前悬挂中的下摇臂采用铝合金铸件,本来唯一整体的下摇臂被分解成两根独立摇臂,而这样的设计可以在车轮转向时,令主销前倾产生角变化,从而令车轮更贴服地面。这种细致的考虑可见路特斯在底盘上的深厚造诣。而避震机则选择避震名厂Bilstein的出品,这套气压避震具备高度调整的功能,可满足车主在四个高度之间进行调整。Model S在底盘降低状态下,除了令风阻下降外,亦因此提升了续航力,就像汽油车风阻愈低愈省油一样。

避震机选择Bilstein的出品,这套气压避震具备高度调整的功能,可满足车主在四个高度之间进行调整

    由于Model S的电机放置在车尾,所以车尾部分是有副车架的,不像车头那样跟车架是一个整体。从形式上说,Model S算是后置后驱的车型。后悬挂方面采用的是多连杆的形式,尽管这种悬挂布置在现代汽车设计上已经相当普遍了,但是如何获得更好的灵活性,厂商在细节方面还是下了功夫。比如Model S的后悬挂下摇臂和连杆都采用铝合金材质并且镂空减重,而且经过了锻造处理保证其偷轻之后的强度。

Model S的后悬挂下摇臂和连杆都采用铝合金材质并
空减重,而且经过了锻造处理保证其偷轻了之后的强度。

    Tesla Model S在构造车身的时候,采用了95%以上的铝质材料以降低车身重量,但车重还是接近2.1吨,这得“归功”于沉重的电池组,不过Tesla Model S显得很聪明,他们将大约五百公斤的重量非常平均分布在轮轴下方2.5cm之处,使得车身重心离地面仅有44厘米(同福特GT一样)的同时,车身质量前后比重也达到近乎完美的48:52。另外,电池组采用紧密包装并平铺在整个车厢地板内,相互之间的紧密排布不但能加强对电池本身的保护,这个布局更提供另一种功能,电池结合车身的结构加强了整个车身的扭转刚度,提升了刚度重量比,使得车辆安全性更强。

Tesla 将大约五百公斤的重量非常平均分布在Model S的轮轴下方2.5cm之处,使得车身重心离地
面仅有44厘米,同时电池组更加强了整个车身的扭转刚度,提升刚度重量比使得车辆安全性更强

小宇宙爆发大能量

    Model S的动力来源于一颗体积约西瓜大小,输出却达416匹马力(310kW)4极交流感应铜转子电机,而非传统电动车所用的稀土永磁电机。科普一下,感应电动机属于异步电动机,它不像永磁电动机那样“矜贵”,感应电动机具有强大的温差承受能力,而永磁电动机则会因为温度大幅度变化而损坏。所以Tesla的电动机不需要像其他电动车那样安装散热器,冷却风扇、水泵及相关的管路等。

416匹马力,600牛米的力量来自这个像西瓜大小的电机。

    同样感应电动机的输出扭矩可以在大范围内调整,不像传统电动车那样需安装第二套乃至第三套传动机构。Tesla设计的电机转速能达到8600转/分钟并且能产生最高为600牛顿米的扭矩,并能在加速或爬坡时强制提高输出扭矩(虽然时间很短),而永磁电机的电动车要通过齿轮箱来输出更多的扭矩来实现提速,由此Model S简化了传动系统的结构。

从图上可看,Model S的动力结构相当简单,仅由电池和电机构成。

    综合以上所述,Model S的电机动力系统具有重量轻(大约52公斤)、效率高及结构紧凑的优点。而传统为什么不使用这种电动机呢?因为过去异步电动机的最大的缺陷就是很难控制转子的旋转速度,但随着现代半导体控制技术的发展,这一问题已经得到了解决。

Model S的电机动力系统具有重量轻(大约52公斤)、效率高及结构紧凑的优点。

    另外由于现阶段电动车充电始终不像汽油车加油那么方便,Tesla Model S不会让辛辛苦苦得来的能量白白流失。所以Model S上搭载了一个能量再生制动系统——当你正在减速时,该系统将电动机转化为发电机来收集车辆的动能,这完全由加速踏板来控制。松开踏板时,电动机吸收能量至60千瓦,在低速时产生接近0.2g的制动加速度。这就像是驾驶超跑的感觉一般,一松开油门速度立马就下掉。

Tesla Model S还设置了一个能量再生制动系统,刹车盘上的另一个卡钳便是回收电能的“电刷”。

创新的电池管理系统

    Tesla也标榜Model S拥有全球电动车最长的续航力,配备85kWh容量电池的Model S,续航能力可长达480公里。Tesla使用大多数笔记本等数码产品所用18650圆钴酸锂电池,这与其他电动车厂家相比是相当叛逆的做法。因为这种钴酸锂电池虽然技术较为成熟,功率高、能量密度大、且一致性较高,但问题是安全系数较低,热特性和电特性较差,成本也相对较高。更为危险的是,18650电池外电压但凡低于2.7V或高于3.3V,都会出现过热的症状。如果电池组较大且温度梯度控制得不好,会存在很大起火风险。

Model S采用的钴酸锂电池虽然技术较为成熟,功率高、能量密度大、且一致性较高,
问题是安全系数较低,热特性和电特性较差,需要一套严格的系统检测这些“活跃分子”。

    一般地,笔记本等电子设备需要使用4-6节电池,而要驱动一辆汽车,无疑需要相当数量的18650电池,在Model S上,这个数字达到了惊人的7000节。而每节电池都有机会出现上述情况,如何管理这些“不安分的圆柱体”呢?Tesla借鉴了网络控制领域用过程控制成百上千台服务器的模式,引入了分层管理的方法。具体地,Tesla将电池组以片、块、组、包等逐及递增的单位形式组合,在每个层级实施全面监控,在每个电池片、电池块和电池组中设计了监控单元和保险丝,一旦检测电流过大或电池过热时立刻断开输出。Tesla开发了这样一个全面监控的软件,相比研发新的电池结构,这是丰富硅谷工作经验的科技公司员工们更乐于做的事情。

开发一个全面监控电池的软件,对于这些丰富硅谷工作经验的科技公司员工们不是一件难事。

    而且特斯拉MODEL S 85kWh版本的电池拥有8年无限公里保修,60kWh版本有8年20万公里的保修,用户基本不用考虑保养更换的成本。

“天马行空”的经营模式

    另外Tesla的销售及服务模式相当创新,甚至有点冒险。Tesla没有经销网络,所有车都是从工厂直接寄到客户手中。Tesla 在全国各大城市的中心设立了面积较小的展示厅,就像在苹果产品的体验店里一样,你可以近距离欣赏Tesla Model S的外观,感受其内部空间,触碰她17寸的液晶显示屏,甚至购买Tesla的一些纪念品。但是体验店与一般的4S店不同,试驾Model S必须通过官网进行预约,而购买也只能是线上预定、线上付款。展厅只作展示用途,即便是提着一蛇皮袋现金去店里,你也不能马上带回一辆Tesla Model S。

Tesla展厅只作展示用途,即便是提着一蛇皮袋现金去店里,你也不能马上带回一辆Tesla Model S。

    由于没有经销商网络,售后服务的部分自然也是 Tesla 自己来完成,Tesla会是面向客户的第一窗口,而后续的服务会由 Tesla 的服务/修理中心或特许的服务合作伙伴来执行。Tesla为用户提供两项主要的售后服务:电池保修政策和“50%保值率”政策。只要不是人为损坏、碰撞事故或蓄意破坏造成电池的损坏,Tesla都会为用户免费提供电池更换服务。用户使用Model S三年之后,如果不想继续使用,Tesla公司将进行回收,并且保值率不低于50%。

由于没有经销商网络,售后服务的部分自然也是 Tesla 自己来完成,Tesla会是面向客户的第一窗口

    Tesla的技术服务更像电脑行业的“云服务”,在汽车出现问题时Tesla呼叫中心服务人员会通过3G网络连接到Model S,检查各种错误代码和日志,排查问题。虽然很多厂商已经拥有了或者合作推出了各种像G-BOOK,安吉星之类的系统,但能充分推广,并应用到极致的恐怕也只有Tesla。在联合网络技术这一点上,Tesla未来发展的潜力不可估量。

Tesla的技术服务中心通过3G网络与Model S车辆取得联系,车辆信息也可以通过车内的屏幕反馈出来

以制造IT产品的理念造车,是Tesla书写车界历史最华丽的一笔

    从接近车时门把手的自动滑出,进入车厢内用指尖轻轻划动中控的触摸屏,通过3G网络与Tesla的技术服务建立联系,再到离开车厢时系统会感应驾驶席没有重量而自动“熄火”,Tesla Model S是电动车领域里的新尝试,更是汽车工业的未来发展方向的新启示。

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