Tesla Motors 在電動汽車領域有哪些核心技術？

12-31

Tesla
Motors的感應電動機銅芯轉子是一項創新的技術，可以說是Tesla Motors在電機方面的核心技術，即專利US20130069476 (https://www.google.com/patents/US20130069476)。這項專利2014年和Tesla
Motors的其他專利一併公開，從此可以一窺其中的巧妙之處。

我很喜歡這項專利，會盡量將它講述得精彩一些。這個回答也作為 @任猜何意回答的補充。

1. 首先賣個關子，在永磁同步電機佔據大半壁江山的局勢下，為什麼Tesla Motors要選擇感應電動機？

電動汽車/混合動力汽車的電機解決方案一般有：感應電動機（即交流非同步電動機），永磁同步電動機，開關磁阻電機三種。其中開關磁阻電動機震動、雜訊較大，在大型客車上有所應用，而乘用車領域多為前兩者，即感應電機或永磁同步電動機。說起感應電機和永磁同步電機的轉子區別，從材料上看可以簡單認為：除了兩者都需要使用的硅鋼片，永磁同步電機中使用了永磁材料，感應電機的轉子則通常用鋁或銅來製造。

那麼感應電機和永磁同步電動機比較起來，二者孰優孰劣？我作了一張圖簡單對比了它們的性能：

從性能上看，永磁同步電機在瞬態仍然可以保證較高的效率，同時有著更大的功率密度，因此適用於頻繁起停的工況以及較小的乘用車布置空間。而感應電動機勝在成本低、可靠性更高，同時穩態的效率也不錯（大部分工況85%~90%以上），因而在高速路網發達的工況以及較大的乘用車布置空間的條件下，感應電機可以滿足需求。

此外，另一個很重要的因素是：永磁同步電機所需要的釹鐵硼永磁材料是稀土資源，對於稀土資源缺少或稀土工業不發達的國家而言，車用動力電機的技術方案是與國家安全相關的。

綜合以上因素，應用兩種解決方案的國家與地區如下圖（我對我畫的九段線很滿意哈哈）：

當然，也並不能一概而論地說，歐美英所有的電動車都使用了感應電機，永磁同步電機或鐵氧體同步電機（這個技術也避免了永磁材料的使用）等技術方案在歐美英同樣存在。而對於我國和日本而言，我國擁有全球70%的稀土資源，釹鐵硼磁性材料的總產量達到全球的80%（儘管高端釹鐵硼產量有限）。日本則是稀土產業的大國，世界銷量前三的釹鐵硼公司：住友特殊金屬公司、新越化學實業公司和TDK集團都是日本公司，其實力可見一斑。

因而Tesla Motors選擇感應電機是更可靠（沒有退磁風險）、低成本（永磁材料成本佔到同步電機材料成本的70%）、高效率的解決方案。至於Tesla
Motors是怎麼將感應電機做到更加高效，就要看銅芯轉子的技術了。

2. 銅芯轉子的優點與製造

感應電動機的一種主流結構是鼠籠電機，名字的來源是由於它的轉子結構好比就是一個鼠籠（圖片來源：File:Squirrel cage.jpg）：

在工業感應電機的生產製造中，這樣的鼠籠通常都是用鋁鑄造而成，鋁有著較好的電導率和較低的熔點（660.4℃）成本也有優勢，因而鑄鋁轉子成為了感應電機轉子的主流。

但是使用鑄鋁轉子的感應電機效率有限，難以更進一步，如果使用電導率更高的銅來製作鼠籠，電機的效率將會顯著提升！

不同金屬材料的電導率如下圖（藍色線是銅，粉色線是鋁，圖片來源：Caring for your contact tips）：

但是問題來了，既然銅有百般好，為什麼卻不用它？原因是銅的熔點高（1083℃）、銅芯轉子難以製造。

首先來看用鑄造的方法來生產銅芯轉子，在AC Propulsion和MIT關於鑄銅轉子的合作研究中，研究者嘗試通過鑄造相同尺寸的銅芯轉子電機，來對比不同的鑄銅工藝。他們先是嘗試製造了直徑為6英寸的轉子，結果出現了下圖的情況（圖片來源：Improving the
Efficiency of High Speed Induction Motors Using Die Cast Copper Rotors http://www.coppermotor.com/wp-content/uploads/2013/09/CR-IM-hi-speed-improvement-project-ARMI-final-report-11Jul13.pdf）：

由於鑄銅端環氣泡過多、無法進入間隙等問題，6英寸的銅芯轉子無法通過鑄造方案製造出來。於是他們轉而製造了3英寸的銅芯轉子進行實驗。

從該研究中，可以看出較大尺寸的銅芯轉子對鑄造有著極高的工藝要求，可靠的鑄銅工藝還很罕見。

那麼轉而使用焊接呢？實際上，通過焊接手段製造銅芯轉子是主流的技術手段，它的製造過程是這樣的：先將銅條插在轉子槽中，再在兩側焊上端環（端環通常使用離心鑄造法製造，離心鑄造的工藝可以排出其中的雜質和氣泡），如下圖（圖片來源：AC Rotors::Electric Materials Co.

）：

但製造銅芯轉子的焊接工藝需要採用感應釺焊，成本較高。且由於電機轉子的工作條件，對焊接點的強度要求比較大。如果焊接點出現損壞，輕則影響整個電機的性能，重則造成轉子損毀。

永磁體昂貴、鑄鋁轉子效率低、鑄銅轉子工藝難度大、焊接銅工藝成本高，在這樣的情況下，Tesla Motors是怎麼做的呢？

3. Tesla Motors的專利Rotor Design for An
Electric Motor

（圖片來源：https://www.google.com/patents/US20130069476）

這項技術先是與焊接鼠籠技術方案前半段相同，將銅條插入了轉子槽中，插完之後效果如下圖：

實物差不多是這個樣子（圖片來源：AC Rotors::Electric Materials Co.）：

然後，下一步本應該是焊接端環，而Tesla Motors卻另闢蹊徑！

精彩之處來了，Tesla製造了一組表面鍍銀的銅質楔子，將這些楔子插入了銅條端部的間隙之中，這樣一個銅質的「端環」就通過機械配合製造完成了！

（楔子形狀）

（轉子端部爆炸圖）

（轉子軸向視圖）

插完楔子之後，在楔子和銅條之間進行焊接，這個焊接要求比焊接方案中端環的感應釺焊成本、難度都低多了。焊接之後，再在兩端箍上禁錮環（下圖中107部件）：

禁錮環的配合有效保證了轉子的機械強度，實物如下圖：

這個專利巧妙地完成了低成本、高效率的銅芯轉子製造，堪稱Tesla
Motors的核心技術之一！

這一項技術曾是Tesla
Motors電機的秘密，我在閱讀專利之前對此一無所知，僅僅是閱讀的過程就猶如揭秘，十分過癮，想來倘若是親身參與機器的研發，一定是滿滿的得意。

讓數據來說話。

目前共查到 Tesla Motors, Inc.相關專利的數量為249項，對其進行簡單的關鍵詞統計分析。

由此可知，

Tesla Motors非常專註於電池的集成設計，不僅包括battery cell、battery pack，還包括 charge discharge control of battery etc.，從而確保蓄電池組安全穩定可靠的運行；
Tesla Motors的感應電動機也是其特色專利，通過全銅轉子的應用從而大幅提高了電機的效率和功率密度；
高配的硬體需要與之相匹的軟體方能更好地實現整體的性能，像iPhone，Tesla Motors在這一點做得也相當到位。由數據的採集檢測(16項)，到數據的通信(5+21項)，再到控制系統(30項)，實現了強大的軟控，私以為這是Tesla Motors最大的閃光點和核心技術。在這一方面，Musk似乎與Jobs有很接近的理念；
Tesla Motors關於保護的專利僅2項，這似乎是其薄弱點。尤其是對於蓄電池組的保護，需要加強。

Appendix：
Recent patent applications related to Tesla Motors, Inc.. Tesla Motors, Inc. is listed as below ,

Tesla Motors, Inc. patents list (updated weekly)

tesla最厲害的就是對現有技術的整合。

其中最核心的技術就是電池箱的整合。從機械結構講：有電池箱的整體排布，冷卻系統等等。而最關鍵的就是電池管理系統：如何有效的平衡每個cell之間的電壓電流，在充電放電的時候保持整體電壓電流的穩定。這個系統的硬體和演算法都是非常重要的。

特斯拉的里程高主要也是因為電池非常多的原因，但成本也相對高。leaf和volt之類的車主要受成本限制。另外如果大家聽說過叫rimac concept 1的車，就會發現這輛車其實里程也很高，但是價格基本上是蘭博基尼往上走的水平。這麼一來。。tesla暫時在高性能電動車10W刀左右的市場是沒有對手的。

另外說到super charger。super charger也是特斯拉技術整合一個很重要的方面。上面提到的rimac，雖說電池有很高的里程，速度也很快，價格偏高不說，但是沒有tesla這種提供整體服務的能力。

高性能交流電機和逆變器其實現在很多廠商都有在生產，比較厲害的幾家比如德國的AMK，英國的YASA，SEVCON。。。等等。但是因為只是電機生產商而不是汽車生產商，所以也不用像tesla一樣做成一個drive unit。做成整體drive unit在技術上主要是機械加工，因為只是相當於做了一個殼子然后里面放著電機和電機控制器。

很多人說裡面那塊觸屏很厲害。但其實我認為任何大廠商都可以做出這樣的系統。UI用觸屏，操作系統用linux，然後I/O與車上各種控制模塊交流，模塊控制上各種servo motor，speaker，camera等等。這些都不是什麼新鮮東西。

tesla厲害的就是把這些東西都放在了一起，讓大家有一個完全不一樣的產品體驗。

再往大里說，現在的科技產品，大多都是現有技術的整合。只有比如intel這類極少數研究水平不亞於各種大學的公司，才能說有可能有革命性的，在基礎學科上的突破。所謂基礎學科，革命性的的突破，比如三極體，LED，C語言的發明，等等。

根據 @叫我電氣小混混的答案，又加工了一下，順便更新了專利到2015年

根據專利內容，

特斯拉長處在電池、電源管理、充電管理，軟體設計和app也還不錯
短處在車身設計，電機研發

也許還有一些專利正在研發中，沒有確權。不過有些知識不能申請專利但對於外行人就是大坑，或作為不願申請專利公開秘密。

為了便於閱讀，在word中用色彩標籤化關鍵詞，視覺化後，便於快速瀏覽。共享一下：

紅色是電池電源
藍色是電機
灰色是其他

Tesla Motors, Inc. patents list (updated weekly)

哎呀竟然處女答了

記得特斯拉一個車上好多好多專利，印象最深的是交流非同步電機全銅轉子，效率提高一倍（在此之前交流非同步電機的質量功率比是趕不上永磁同步的）。

非同步電機輸出減震我記得也有專利。

此外還有一體化設計，國內做的車大抵控制器歸控制器，電機歸電機，橋有些是一體的，但是特斯拉集成度相當高，抗震很好。

這樣的集成化設計減震性能相當好

當然最牛X的還是控制器集成度相當相當高。這貨上面包含了逆變，矢量控制以及特別特別厲害的電池充放電控制，由於電機啟動轉矩和油車不同所以控制器演算法還必須模擬出油車加速時加速度的變化。此外雨刷什麼的控制也在上面。

ps，水平半桶水。。。呃輕拍吧。。。

1、特斯拉的底盤和車身，設計者出自前馬自達的設計師。從結構看，前雙叉後多連桿，和馬自達6一樣。

2、特斯拉用的電機，是交流感應電機，功率重量比高，我算了一下大約5點幾，比亞迪的秦用的直流永磁電機是3.5，特斯拉的電機是台灣一個電機廠的。直流永磁電機的好處是可以精確控制轉速和扭矩，交流感應電機要差點。但是使用環境要求不高，功率重量比高。

3、特斯拉用的電池，是松下的18650電池，優點是能量密度高。一樣的重量可以跑的遠，缺點是壽命和安全，好在特斯拉提供了比較長的質保，但是沒撞過車，這個安全性其實是有一定隱患的。

4、特斯拉自己的東西主要是電控上，電池的管理，電機的管理，底盤的調教，車載電子與機械設備的融合。特斯拉的中控台是17寸的顯示屏，ipad級別的管理界面。大多數汽車廠的中控台界面還是MP4時代的。

5、從技術上來說，特斯拉s型車沒有太高的，都是比較成熟的技術，就是電池用的比較冒險。

但是特斯拉的思路很正確。走高端車市場體現性價比。特斯拉s型車的鋁合金車身，空氣懸掛都是C級D級車才有的。發揮電力車扭矩大，安靜，無震動的優勢。發揮電力車底盤重心低，操控性好的優勢。

實際駕駛品質和感覺都能達到高檔車的感覺，而價格並不貴多少。也不用考慮太殘酷的可靠性和安全性測試，因為高檔車的使用環境一般都比較優越。

比亞迪做屌絲車，安全，惡劣環境都要考慮，車的各種配件為了成本都用低檔貨，動力用功率小的電機降低成本，電池用安全性高的壽命長的降低里程。最後車是低端的性能，只有一個省錢的賣點。成本怎麼壓也壓不到入門車的水平。反而做不開。

Tesla主要的核心技術是無比強大的營銷和公關能力。

PS：其實技術層面而言，其他傳統豪華品牌（如ABB和窩窩）也完全可以達得到。但目前影響力沒有Tesla這麼大的原因在於：1、沒有傾其所有投入電動汽車領域；2、很難創造出同Musk一樣的影響力。當然我認為第一個原因是最關鍵的。

還是品牌營銷能力。

核心技術其實是目前等於沒有明顯突出的。

要說到最後就是整合能力了。

但其實還是容易被複制。

除非先入為主。

你好，特斯拉汽車的運營模式不像傳統的汽車生廠商，他的身上流淌的矽谷的創新與科技精神，相較於其他的傳統的汽車公司，特斯拉作為電動車的外形足夠吸引人們的眼球，絲毫不遜色與任何一款B級車，你可以參考豐田最成功的電動車普瑞斯的外形，便會知曉目前純電力驅動汽車的外形設計大概情況，同時就最主要的性能來講，特斯拉單次充電最大行程為480公里，或是在時速88km/h的情況下連續行駛3至4個小時，完全可以應對市區里交通情況，比普通市售電動車裡程高出約三分之一，而最吸引人的除了外觀，內飾也值得大書特書一番，整車內部結構幾乎沒有物理按鍵，由一塊17英寸觸摸顯示屏完成除駕駛外的所有操作，非常高科技，這種創新的操作方式之前沒有哪家汽車廠商敢於嘗試，同時在美國因為市場比較成熟，特斯拉在創業十周年之際開始實現首次盈利，也是美國國內少有的以科技公司上市的汽車企業

說一句不是回答題主問題的話，tesla的成功不是本身技術的nb，而是他將新技術主要是計算機控制技術集成到汽車中及注重人的體驗。

不太認同@姚昌晟的高票答案，非同步機自身缺陷，特斯拉現在也開始走永磁路線。特斯拉最厲害的還是電池管理。

請問特斯拉汽車的電機和驅動器是自主研發嘛

贊同前面答主說的「Tesla主要的核心技術是無比強大的營銷和公關能力」。在人類發明有效的電能移動存儲技術和有效的電能快速補充技術之前，純電動汽車只能充當富人的玩具車、公園觀光車、車間叉車等配角，沒有實用價值。