特斯拉去年年末召回逆變器的事相信大家聽說過。一直有人催著老王來講一講，我看這個專題是在聊特斯拉差不差，我覺得這個任何人都很難評價，我們只能說從某一個技術來聊，或者說，轉為科普話題，會聊的更加實在，避免地圖炮的嫌疑。
本期我們說說這個召回的逆變器是啥玩意兒。還是老規矩我們只談技術。很多人覺得逆變器這東西可有可無，那你可能是被某寶上賣的車載逆變器給誤導了，這個逆變器和動力電機的逆變器可大不一樣，電機逆變器相當於電機的大腦中樞，出了問題安全隱患非常大，我們參照召回原文：後電機逆變器功率半導體元件可能存在微小的制造差異，一段時間後可能導致車輛後逆變器故障，使車輛無法啟動、失去動力，存在極高的潛在安全風險。記住這句話
先說逆變器是什麽？幹什麽用的。交流電和直流電之間互相轉換都有專屬名詞，比如交流變交流叫變壓，直流到直流是DC-DC，交流到直流叫做整流，註意只有直流到交流的才叫逆變。現在的主流電動車都需要把電池的直流電轉成交流電給電機去使用，比如特斯拉這種一節節圓柱電芯構成的直流電池包。
老王知道一定會有人問這樣一個問題，為啥我們要費勁巴力地把直流轉換成交流，直接用直流電機不香嗎？你以為前人對直流電機上車沒任何嘗試嗎？當然不是，早在1834年美國人杜文·達文波制造出世界上第一輛電動車，用的就是有刷直流電機。但那個時候直流電機結構和材料原因，換向刷不穩定，電壓和電流波形也都是方波驅動，產生的反電動勢有嚴重的轉矩脈動，這和你小時候玩四驅車去搓馬達一個道理，你會感覺到像一楞一楞的，這種顆粒感如果輸出在動力上，駕駛員肯定不爽。當時其實人們沒想到一個關鍵問題就是直流電機的套用機理仍然是交流電，只是透過機械換向了。其實從某種角度來看，如果使用逆變器提前把直流電變成交流，是不是就不用電刷這種機械裝置了，後來還出現過其他嘗試，比如無刷直流電機，還有抗齒槽演算法的向量控制，還增加了極對數來盡量減小這種顆粒感，但成本高，系統控制更復雜。最關鍵的是扭矩做到動力電機的級別是非常敏感的，如果接受端因為中間的幹擾造成方波畸變和失真，那後果就是電機會提供各種不可預測的變加速輸出，前面做的所有努力前功盡棄。所以逆變器的出現真的很重要。甚至我想說如果交流電機和逆變器出現再早一點，可能壓根沒有石油大亨洛克菲勒什麽事兒。後來的故事大家都知道了，經過大浪淘沙，剩下三種主流動力電機，感應異步、永磁同步還有開關磁阻，他們三個都是正弦波驅動沒有振動的問題，另外其中一些永磁電機還可以透過逆變控制，在電動機和發電機之間轉換，提供能量回收。
這次特斯拉召回的後電機就是永磁同步，這種電機相比感應異步對逆變器要求更高，因為不能執行在失步狀態，所以起始頻率必須接近0不然起步很抖。特斯拉是第一家使用全碳化矽模組的廠商。半導體和演算法是系統核心。軟硬件結合就能將電池輸出的直流電轉換成電機需要的交流電。所以綜合其他原因，逆變器控制軟件需要OTA來叠代是有可能的。為什麽這麽說？我們來看結構。
這個就是Model 3後電機的三合一總成，逆變器位於後電機側面，像Taycan或者小鵬是專門一個小盒子，Model S是一個跟電機差不多的圓柱體，而Model3非常緊湊。大家最先看到正面是一塊電路板，板子上三大核心就是CPU、變壓器和緩沖電路，下方有六大區域，這48個焊點的背面就是24塊SiC mosfet，每兩塊碳化矽 MOSFET組成一個功率模組。你可以理解為，上方直流端子將直流電接進來之後透過這塊板子，就能從下方能三個端子輸出交流電了，怎麽輸出的？這24塊功率模組起到了最重要的作用，人類起初是無法創造精準正弦波的，自然界中也並不存在，那交流電的正弦波實際上是利用方波的直流脈沖給湊出來的。思考一下，正常直流電導通，我搬兩下開關，就制造出一正一反最粗糙的正弦波，這個用最簡單的機械開關電路就可以實作。但交流控制電機有個特點，頻率是用來調整轉速的，所以你調頻至少要達到一定頻率才可以調，家用交流電起碼還有五六十赫茲呢,那你想一下機械開關無論你手速再快也達不到一秒鐘120下吧？那在電學方面，我們一般使用半導體元件來達到這個類似開關的目的，也就是這個電路板上的SiC Mosfet，全名叫做
metal–oxide–semiconductor field
-
effect transistor名詞很酷炫但這不重要，你只需要知道，它能幫助電路每
秒開關很多次以達到電機需求頻率的能力。有了這些方波，就有了湊出正弦波的基礎。如果把這個波形每個脈沖的時間寬度處理成一致的，其實就是根據時間做了一個幅值的平均，這個過程也叫脈寬調制，說白了就是幅值大的地方，脈沖寬度均值也大。經過處理你會發現，現在已經很像正弦波了。在實際中逆變電路還要借助於比較器Comparator,大學數模電也都學過不是什麽高科技名詞，透過比較器中最著名的與非邏輯，最終得到正弦波脈沖串，這就是我們想要的。接下來就是怎樣把正弦波變得更精準的問題了？
我們回到電路板，它的基礎格局就是CPU透過變壓器升壓，再給到緩沖電路和背面的SiC mosfet組成的快速開關電路將上面直流端子升壓變換到下方的三相交流電對電機進行輸出。也就是說，下方這六個區域連帶著芯片組僅僅只是提供了一個開關電路的作用，是非常機械的，而真正的腦子是左上方這個主CPU，它來負責更復雜的動作，什麽動作呢？包含但不限於電機的平順性標定，輸出曲線的升級、恒功率區間的後撤以及恒扭矩區間的延展等等，這當然是OTA可以做到的。
而且大家請註意，剛才我們講如何用直流方波去擬合正弦波，其實只用到了高低兩種電壓調制，這種做法非常小白，實際情況特斯拉是會使用多種不同幅值的電壓按照特定需求進行脈沖調制的，學名叫做多重電壓逆變，這種做法能減少瞬時電壓突變，波形也更精確，另外，電機還有有三個最重要的參數，交流電頻率管電機轉速，電流電壓幅值就是功率，狹義上可以理解為扭矩多大勁兒，都需要主CPU進行演算法的輸出。所以我們作為使用者需要知道，逆變器是動力電機的中樞。硬件承受不了過載，自然要換掉，這裏面牽扯需要軟件進行OTA的地方也多了去了。
那麽這一條影片我們是否能為使用者來排除其他幾種可能性呢？比如小鵬G3的召回和特斯拉是一件事麽？G3確實也是因為逆變器召回過，但細節不一樣：小鵬的是逆變器直流母線電容上，連線銅排螺絲的鍍錫端子錫須，可能會造成高壓直流電正負極間短路，導致逆變器無高壓電供應。這種情況也會造成安全隱患。這裏面提到的錫須，也叫錫晶須。是一種像頭發絲一樣的滋生在電鍍錫金屬表面，自然生長的一種金屬，之前有人解釋說是電系統熵增加的一種體現，說的有點誇張，但確實這算是人類在電學上面的一個未解之謎。它會導致短路和焊點的機械破壞，所以這種錫須真的令人唏噓，一般在裝配前會增加一道錫鉛拋光來做部份解決。但我們至少知道這次Model 3問題點不在這，當然我認為小鵬有一點特聰明，它是直接把整個逆變器硬件都換掉，不讓使用者噴它。
另外關於特斯拉召回還有人說可能是保險絲的問題，實際上老王了解到的特斯拉保險絲一部份可能來自印度Bussmann，這套保險絲的額定電流660額定電壓是690分斷電流是700-200kA。 註意分斷電流是一個區間概念，只有在這個區間內才會熔斷，低於最小值就正常，超過最大電流也不太能斷掉，因為高壓電弧會擊穿保險絲內部和周圍空氣，導致無法斷流。這種極端情況會出現混亂電弧、造成保險絲引燃。所以保險絲分斷電流這個概念。目的就是為了設定一個預期的故障電流，必須包含這個預期故障電流的區間。這個電流多大呢？之前有人計算過。對於193kW的電機，系統效率按80%計，母線電流最大也就600-700A。另外之前網上有人測了Model 3逆變器輸入電壓是367V左右，所以如果短路基本也能保證被保險絲的分斷電流覆蓋。
另外，這一代Model 3和Model S不同，使用的是更貴的碳化矽 Mosfet，和之前的IGBT相比承載能力是稍強。而且從早期Model S上用
的IGBT，再到現在的碳化矽 Mosfet 都是車規級的，並不存在什麽用消費級芯片上動力總成這種說法。
最後老王簡單總結一下，這條影片能幫大家理清楚的有幾點，第一，逆變器負責直流轉交流，是每台電動車都需要的不可或缺的零件，第二，從逆變電路的基礎能力來看，這一代Model 3有一定保證，仍然被召回，這裏面資訊量很大我們不能石錘，有軟件的叠代可能性，也有逆變器質素問題的可能性。但你如果不知道逆變系統需要OTA或者認為逆變器OTA是假的那這條影片也給你說清楚了。第三，保險絲數據上能覆蓋需求，非極端個例應予以排除，第四，最不可能是國家電網的問題，因為電網和電動車中間有充電樁和電動車自己的電池，跟電機的逆變器八竿子打不著。
有沒有遺憾或者耐人尋味的地方呢？我想也有，比如特斯拉這次召回不是人人都能換硬件，可能確實因為不便宜吧，但使用者不理解也是可以預見到的。經過前面講的，大家也可以知道，特斯拉這回召回和OTA有關，那麽我認為OTA的空間其實在於主CPU對緩沖電路的控制上，比如電機效能叠代升級之後，逆變器元件制造差異對系統緩沖能力是有不同反應的，如果部份差異達到了下限值，達到了邊角案例發生的可能性範圍，特斯拉是要負責任給召回的，顯然特斯拉現在察覺到了這個風險，所以進行自主召回，這一點我們國家質檢部門也是認可的。
結尾
節目的最後老王想給大家一個開放性思考，就是電動車電器元件的重要程度，其實遠高於燃油車的重要度，因為燃油機有很多機械備份，但電動車電機的機械除了一套開放式差速器以外的備份並不多，整合度又很高，受生產質素波動影響就更大，產生的後果自然就更嚴重。當然並不是不支持電動車，在今後發展的道路上，控制系統的革新一定是電動車的重要命題，希望感興趣的小夥伴也能和老王一起探討，這一期制作倉促，有什麽說的不對的大家輕噴，我是老王，下期見～
參考文獻
- 【自制FOC驅動器】深入淺出講解FOC演算法與SVPWM技術 稚暉
- 談談為什麽供電的交流電是正弦波 陳必紅
- 淺析永磁同步電機 FOC 控制策略 李晶 遼寧工程職業學院 現代教育論壇 2019年7月
