Lucid電驅動技術全解析
Lucid由特斯拉前副總裁兼董事謝家鵬 (Bernard Tse)和甲骨文前高管溫世銘 (Sam Weng)兩位華人于2007年創建。
成立之初叫Atieva,謝家鵬是原特斯拉副總裁、董事會成員、電池研發負責人。
Paul Rawlinson作為前特斯拉首席工程師,曾參與過Model S等重要項目,也是此次Lucid新車的主要負責人。
2014年Atieva進行C輪融資,北汽集團以1億美元入股,約占25%股權,隨后樂視也投資數千萬美元,雙方以第一、第二大股東的身份進入公司。
2015年,北汽轉讓股權給樂視,樂視持股比例提升至40%。為了給法拉第未來“輸血”,樂視后來也賣出了股份。
2018 年 9 月,沙特阿拉伯主權基金"公共投資基金"投資 Lucid Motors 超10億美元。
2019年,CEO溫世銘辭職,Rawlinson 兼任Lucid的CEO和CTO,掌舵公司。
Lucid自己宣稱將要占據的是豪華電動車市場,這塊目前相對競爭對手少(主要是保時捷Taycan)。Lucid在官網上描述:特斯拉創新但不豪華,并非直接競爭對手。
目前市面上寶馬屬于運動豪華,奧迪屬于科技豪華,奔馳是經典豪華,自己要做后-豪華市場(大概意思就是在未來要兼包并蓄,科技,表現力,持續力都會有)
Lucid Air 底盤最多可以布置三臺電機,這體現了Lucid Air 的超高集成能力。Lucid Air 全系可以按單電機后驅、雙電機全驅和前1后2/3電機全驅來布置。而三電機版將會是一臺1800馬力的性能怪獸。
▲Lucid Air electric sedan - Highly innovative & a cut above the rest
根據 Lucid Motors 的測試,三電機版的Lucid Air 最高速度可以達到 378 km/h。而特斯拉 Model S 和保時捷 Taycan Turbo S的最高速度分別為262 km/h 和 260 km/h。
▲Lucid reveals its insane 500-mile range is achieved on 113 kWh battery pack
部分得益于電機等零部件的高度集成,Lucid Air 擁有容積超過 280 升的前艙箱(比目前最大的轎車前艙箱大 89%),加上后備箱的總容積達到 739 升。
▲Lucid Motors Air — A Brand-New American Luxury EV
Lucid Air使用了Lucid Electric Advanced Platform (LEAP)平臺打造,這個平臺其實與其他品牌全新的純電平臺都是類似的,都是盡可能壓縮前后懸架空間,盡可能讓中部區域空間最大化,因為這樣可以給電池留出更多空間,并且也讓車內空間更大了。
▲Lucid Air Shows Off Bold Zenith Red Color Option In NYC
▲2021 Lucid Air electric Performance and MPG
▲Lucid Air前電驅總成
▲Lucid Air前電驅總成外形尺寸
▲Lucid Air后電驅總成
▲Lucid Air后電驅總成外形尺寸
Lucid Air 全系均為永磁電機,單電機功率可以達到 447 kW,是目前全球量產純電動車中峰值功率最高的電機,同時也是峰值功率最大的電機,包括感應電機在內。為了解決永磁電機可能存在的發熱問題,Lucid Air 對該電機進行了獨特設計。
▲The Lucid Air is betting on these electric motors to beat Tesla and Porsche
Lucid Air四驅車型前后均采用雙永磁同步電機,外形尺寸相仿;減速箱采用行星排齒輪機構,分布于電機兩側;根據整車的布置要求不同,前后電機的控制器分別布置于整車的Z向和X向。
▲Lucid Air Debuts with 500-mile Range and Car-to-Car Charging
根據官方披露,全驅版的Lucid Air擁有1080馬力(805kW)輸出的實力,是當前動力輸出最大的一款電動車。
此外,Lucid Air的續航能力,在美國EPA測試標準下為綜合里程836公里,如果在國內的話,實際續航里程還會更高。
根據上圖能夠看到,Lucid Air擁有體積更小的電動機,比保時捷、特斯拉電動機的體積還要小不少。
▲確實非常的緊湊
Lucid的電機體積明顯小,一方面是轉子繞組體積小、另一方面是Lucid電機的減速器集成度高,并不像其他電機一樣單獨凸出來做減速器,Lucid電機使用行星齒輪結構,將減速器集成在電機中,所以Lucid電機左右是直接接傳動軸的,這樣可以節省不少空間。
以這張PPT所展示的電機“馬力/重量”比值對比圖來看,Lucid Air的“馬力/重量”比值超越包括特斯拉在內的主要市場競爭對手。
實際對比看出,Lucid Air的電動機重量為74千克,而保時捷電動機重量為170千克,特斯拉單電機重量為92千克,雙電機為134千克。除了重量輕外,Lucid Air的電動機峰值功率更達到了驚人的670HP(500kW)。是目前量產的峰值功率最大的電機,超越了特斯拉。
▲Lucid Motors could very well be a force for good in the EV industry
Lucid的技術優化集中在三個方向:
讓冷卻液盡可能貼近導線,降低電阻。
找到電機中的Dead Zone,即對電動機內部的電磁場進行了數學建模后,發現定子中有幾個區域對導電沒有幫助,因此可以將冷卻系統從這些區域引入電機的核心。
使用了具有連續波狀獨特繞組模式的計算機化線圈繞組系統,這樣可以使溫度更加一致。
我們都知道,永磁同步電機的轉子是由很多硅鋼片疊加而成的,而每個硅鋼片都會進行打孔,把永磁體嵌入其中。
永磁同步電機轉子根據永磁體的位置可分為表面磁鐵(表貼式)和內置磁鐵兩種,表面磁鐵顧名思義就是把永磁體放置在轉子外表面,這樣的話,磁鐵就是弧形的。
它的上面需要有一層金屬殼來固定它,當電機工作時,這層金屬殼不但增加了轉子直徑,還會產生感應電流,增加了熱損耗,而且這層金屬殼的強度要足夠高,以防止被轉子的離心力甩出去,特斯拉最新搞了個碳纖維包裹的轉子,在不改變永磁體的前提下,通過對轉子結構的顛覆來實現更高的效率,屬于很激進,甚至逆天的設計了。
所以目前的常規設計是內置永磁體,為了多放幾塊磁鐵,大家通常采用V型內嵌方案,讓一組永磁體以V形夾角的方式對立擺放。
永磁同步電機使用的永磁體一般有兩種,分別是燒結永磁體和粘結永磁體。常用的是燒結永磁體,一般只能加工成特定形狀,通常為長方形。燒結永磁體的優點是密度最大,性能最強,是目前驅動電機上使用量最大的。
它的缺點是制造工藝復雜,加工成異型成本高,不能將疊片孔隙全部填滿。而粘結永磁體雖然磁性小,但是可以加工成任意形狀,甚至可以澆筑進需要填充的孔隙中,提高磁通量。
▲Lucid Air motor的轉子疊片打孔圖,采用6極單V型設計,但打孔不規則
▲Lucid Air motor嵌入了燒結永磁體的結構圖
長方形的永磁體嵌入后,還留下了兩側形狀對稱的異形空間:
▲填充完燒結永磁體的轉子疊片還存在大量的空隙,屬于一種浪費
Lucid Air的工程師們沒有浪費這些空隙,他們將粘結永磁體嵌入或澆筑到這些空隙中,不僅增加了永磁體的體積,提高了磁通量,也增加了永磁體與疊片之間的連接強度。這就是Lucid的Hybrid Rotor Assembly(混合磁鐵技術)。
利用這種方式,在有限的空間內增加了磁通量。
下圖很明顯看出,混合磁體技術在各個方面都占有明顯的優勢。同轉速情況下,扭矩提升明顯。達到同樣扭矩的情況下,803的效率更高,能耗更低。
▲燒結永磁體801和混合磁鐵803技術的性能對比
在上圖中,橫向坐標軸是電機轉速,縱向坐標軸對應的是扭矩,可以看出,由于混合磁鐵的磁性更大,能夠在相同轉速下帶來一定的扭矩提升;換句話說,相同扭矩下,Lucid電機效率更高,需要的能耗更小,帶來更長的續航里程。
▲A Game Of Inches: 2021 Lucid Air EV Sedan
Lucid電機定子冷卻管路是直接集成到了定子里面的,這樣既能節省外部空間,同時也能優化內部的熱管理,Lucid有個專利叫做“同軸冷卻系統”
由于定子線圈通電工作時會產生大量的熱,不但是很大的能量損耗,也限制了功率和扭矩的進一步提高。
而Lucid在對定子建模仿真過程中發現定子中有一些沒有產生電磁感應的“死角”,Lucid工程師就把冷卻管道“穿進”這些“死角”中,讓冷卻管路成為了定子的一部分,這樣就能讓冷卻液盡可能靠近定子線圈,最大程度進行降溫,溫度降低了,銅線電阻就降低了,效率就提升了。
Peter Rawlinson:工程師試圖通過盡可能靠近銅線的冷卻液來管理這一點,但是笨重的鐵定子 - 包裹旋轉轉子并向其導電的固定組件 - 往往會妨礙。
團隊對電機內部的電磁場進行了一些數學建模,發現定子中有幾個"死區"對電傳導沒有貢獻,因此可能用于使冷卻劑更接近繞組。以前沒有人真正關注過這些區域,這些地方沒有電磁感應。
Lucid首先想到的只是去除材料并放一些孔以減輕重量,但后來他們意識到,可以將冷卻系統通過這些區域直接帶到電機繞組產生的熱量。
Lucid對于定子線圈的纏繞模式也進行了建模分析,找到了最優的解決方案,讓銅線各個部分的溫度保持一致,能夠避免局部電阻增大,該繞組由24根方形銅線“編織”成一個需要最少粘合的便捷組件。
Peter Rawlinson:定子中的銅導線也是著眼于溫度控制的。大多數電動汽車電機中的電線纏繞不精確,這增加了一個電機與下一個電機之間的差異,從而影響了工程師準確預測和塑造磁場的能力。我們使用計算機化的線圈繞組系統,使用獨特的波繞組模式,這使得溫度更加一致。這也使我們能夠避免將所有導線焊接在一起。
Lucid電機定子部分
▲Lucid_Air_Stator_Profile
▲Lucid電機定子6極72槽,專利:US20200127508A1
▲Lucid Air 電機定子結構(圖片來源:公眾號【調皮的JINX】)
定子線圈采用8層W-PIN繞組:該工藝路線量產難度較大,看起來Lucid在這一塊花了不少精力,是否具備量產條件有待后續觀察;
鍵槽配合:采用6個鍵槽與電機殼體相連,此方式簡單、可靠;
螺栓直連:三相出線采用螺母形式,與控制器銅排直連,省去了常規的接線座;
Busbar采用采用包塑的形式。
▲Lucid Air 電機三相連接(圖片來源:公眾號【調皮的JINX】)
▲Lucid_Air_Rotor_Fastener
電機轉子結構
▲Lucid Air 電機轉子結構(圖片來源:公眾號【調皮的JINX】)
猜測兩側動平衡板通過類似鉚釘的零件與鐵芯相連接;
轉子兩側動平衡孔數較少,僅針對此臺樣機,轉子初始不平衡量尚可;
前后軸承室以子零件的形式分別固定在轉子兩端,與其配合的是轉子支撐軸承;
兩個軸承室的外形形狀不同;
轉子兩側各布置一個軸承,用于支撐內部行星軸;
前后電機轉子的表面顏色一白一黑;
轉軸為桶狀中空結構,轉軸內部布置差速器行星機構;
冷卻油通過減速箱輸入軸進入轉子內部同時潤滑軸承,是否冷卻鐵芯存疑;
轉子甩油設計可能性不大。
▲無法言說的結構之美
中間殼體結構
▲Lucid Air電驅中間殼體結構(圖片來源:公眾號【調皮的JINX】)
電機軸承的內圈與此處配合,外圈與上文轉子軸承室配合;
以花鍵形式與減速箱輸出外齒圈相配合;
與主殼體油道配合,并與油冷器連接。
旋變
定子導油環
▲Lucid Air定子導油環結構(圖片來源:公眾號【調皮的JINX】)
入油口為主動冷卻;
減速箱側齒輪/軸承冷卻;
周向均布的小孔,為繞組提供冷卻;
定子繞組仿形結構。
減速器部分
▲Lucid Air前驅同軸行星減速器
▲Lucid Air后驅同軸行星減速器
變速器和差速器首次完全集成在電機內,構成單獨的傳動系統,既輕便又高效。同時,Lucid在其逆變器中使用高壓碳化硅MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)系統,以最大限度地提高效率,特別是提高了車輛在實際行駛過程中的效率。
儲油殼
油冷器
電控部分
▲Lucid_Air_HV Connector plug_Plug wiring
Peter Rawlinson是Lucid Motors的首席執行官和首席技術官,并以他作為特斯拉Model S和Lucid Air的車輛工程師而聞名。
2009年加入特斯拉后,羅林森擔任特斯拉Model S的車輛工程副總裁和車輛工程師。在此職位上,羅林森負責Model S的技術執行和交付,通過利用電動汽車傳動系統在三年內減少的限制來改善結構和生產。
Peter于2013年加入Lucid Motors,擔任首席技術官,并于2019年被任命為首席執行官。
Peter Rawlinson:Lucid Air的外表比特斯拉Model S更緊湊,它更短、更窄、更低,實際上窄約43毫米。然而,它擁有更多的內部空間,特別是在后部。事實上,我們的內部空間比長軸距的S級梅賽德斯更多。我真的不認為這在網絡上的一些照片中完全體現出來。當人們坐在里面時,他們經常驚訝地說:"哦,我的天哪,我沒有意識到它會像這樣好。我看到你們現在在做什么,這是非同尋常的。這是一個真正的突破。以前沒有人真正這樣做過。
為什么這很重要,首先,更緊湊的汽車是更好的駕駛汽車。我喜歡駕駛它,這是一輛非常快的真正跑車,一臺很棒的機器。它在城鎮周圍更具機動性,更可用。我開過一些這樣的大型汽車 - 我們有一輛梅賽德斯S級作為基準車,這是一個了不起的工程,但它不是一輛真正令人愉快的駕駛汽車 - 它太大了。
從外網的評論來看,大家對于這款車還是很認可。「This is the high end electric luxury car. The real Tesla rival(這才是真正的高端豪華電動車,特斯拉真正的對手)。」
Lucid的CEO兼CTO,Peter Rawlinson是一個非常熱愛三電技術的人,Lucid在油管上發布了視頻展示了電池設計技術(官方Tech Talks講座共10集),由Peter Rawlinson親自來介紹電池系統,包含Lucid如何有做到高效冷卻電池、電池控制等等。講解深入淺出,通俗易懂,這對于品牌的宣傳有不小的幫助。
不過Lucid要做豪華車,這個品牌建立的消費者認知是非常厲害的車,而不僅僅是非常厲害的電池和電機技術。
甚至,Lucid CEO & CTO Peter Rawlinson 說的一些言論引來特斯拉掌門人馬斯克的關注。不管這個事件是不是 Lucid 「碰瓷」特斯拉,都從側面說明:Lucid 讓馬斯克重視了。
總之,Lucid Air 足夠亮眼。50 萬元以上豪華車市場,除了特斯拉和保時捷 Taycan,終于有值得一看的對手了。
不過,還不能高興的太早。對于 Lucid 來說,拿出產品只是第一步,接下來的量產交付才是更難的。正如 Rawlinson 說的那樣:Words are cheap. We are nothing until we’ve got anything into production(放狠話很容易,但是在真正量產前,我們屁都不是)。
Lucid Air Dream Edition specs:
118 kWh usable battery capacity
22 modules
2170-type cylindrical cells (6,600)
>900 V battery system
EPA range:
Dream Edition Performance (19") - 471 miles (758 km)
Dream Edition Performance (21") - 451 miles (726 km)
Dream Edition Range (19") - 520 miles (837 km)
Dream Edition Range (21") - 481 miles (774 km)
0-60 mph (96.5 km/h) time
Dream Edition Performance (19") - 2.5 seconds
Dream Edition Performance (21") - 2.42 seconds; quarter-mile in 9.67 seconds @149.87 mph *on prepared track surface
Dream Edition Range (19") - 2.7 seconds
Dream Edition Range (21") - 2.74 seconds
top speed of 168 mph (270 km/h)
dual motor all-wheel drive
Dream Edition Performance - 1,111 hp (828 kW) and 1,025 lb-ft (1,390 Nm)
Dream Edition Range - 933 hp (695 kW) and 1,025 lb-ft (1,390 Nm)
on-board charger: 19.2 kW
fast charging at up to around 300 kW (about 20 minutes to replenish 300 miles of range)
參考資料:
雪球【run_rabbit_run】《Lucid Air:電機》
公眾號 【調皮的JINX】《辨-電驅動技術—Lucid首席工程師談三電設計》
公眾號 【電動新視界】《Lucid Air motor混合磁鐵技術介紹》
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