Så trimmar man en elmotor

I samband med nyheten om P85D förbättrade prestanda är det många som har frågat hur det är möjligt att trimma en elmotor enbart genom nerladdning av ny mjukvara?

Av ren sammanträffande har jag undertecknad själv varit inblandad i projekt med elmotorstyrning, på glada 90-talet, så jag råkar ha rätt bakgrund för att försöka förklara hur man trimmar en elmotor.

Första tankefelet många gör är att tro sig veta hur en elmotor fungerar. Men den där elmotorn du labbade med i fysiken i gymnasiet, eller som du har sett i din borrmaskin har väldigt lite att göra med elmotorn som sitter i Tesla Model S (eller de flesta andra elbilar också för den delen). Sådana elmotorer matar man med likström, och ju högre spänning desto snabbare går de och ju högre ström desto mer orkar de dra. Deras styrning är alltså jätteenkel, men effektiviteten och hållbarheten lider.

Visserligen synkron motor, men samma princip: att växelströmmens frekvens bestämmer varvtalet.

Elmotorn som sitter i Tesla Model S är däremot en asynkron växelströmsmotor (uppfunnen av självaste Nikola Tesla faktiskt). En sådan motor ska matas med växelström, och roterar då med samma varvtal som inkommande växelströmmen har.

För att förstå vad det innebär ska man titta på hur man styr motorn under acceleration: en “vanlig” elmotor brassar man på med ström och motorn spinner igång – dess varvtal börjar på 0 och ökar sedan upp till max så snabbt motorn bara orkar. Det är motorn som själv accelererar.

En asynkron växelströmsmotor matar man med växelström. Långsam växelström får motorn att rotera långsamt, snabbare frekvens får motorn att rotera snabbare. För att accelerera motorn ska man alltså mata den med växelström som först har låg frekvens, sedan ska man öka frekvensen gradvis så att motorn accelererar. Det är styrelektroniken som accelererar motorn.

Hur snabbt kan man öka frekvensen till motorn? Ja, det är det som är det tricksiga! Ökar man frekvensen långsamt så ökar motorn sitt varvtal långsamt och man får en mjuk och fin acceleration. Ökar man frekvensen snabbare får man en snabbare acceleration. Men ökar man frekvensen för snabbt -så motorn inte hänger med- inträffar att motorn “slirar”: den tappar ork och fart. Man vill öka frekvensen så snabbt det går – dock så att motorn fortfarande orkar hänga med. Drivkretsarna får alltså anpassa hastighetsökningen till vad motorn orkar med. Själva drivkretsarna klarar ju ändra frekvens oändligt snabbt egentligen.

Projektet jag själv var inblandad i på 90-talet gällde en gammaldags matrisskrivare där skrivhuvudet drogs fram och tillbaka över pappret av en elmotor när den skrev. Skrivhuvudet skulle på kortast möjliga tid accelereras upp till utskriftsfarten – i stort sett inom den där centimetern vit marginal man har på vänster- och högerkanten på en sida. Processorn som styrde drivkretsarna skulle alltså framställa en sinusvåg som började på 0 Hertz och snabbast möjligt skulle upp till (om jag minns rätt) 3 kHz som gav rätt fart på motorn när skrivhuvudet började skriva. Exakt samma utmaning som Teslas ingenjörer tog sig an när de utvecklade sina bilar 🙂

Man kan leka med två variabler när man styr motorn: utströmmens toppnivå och frekvens.

Ju mer ström man brassar på motorn (högre toppar på kurvan) desto starkare blir den och desto snabbare acceleration kan den hänga med på – men desto varmare blir både motorn och drivkretsarna. En elmotor kan utan större problem överbelastas under en kort tidsperiod, bara den har möjlighet att kyla ner sig sedan. Faktum är att varje gång du trampar gasen i botten så överbelastar du Teslans elmotor – det är därför man bara kan göra det några minuter, sedan kommer de gula strecken i hastighetsmätaren och maxeffekten begränsas så att motorn och dess drivkretsar får en chans att kyla ner sig igen.

Viktigaste frågan är dock hur pass snabbt man vågar öka frekvensen. Elmotorn får aldrig aldrig bli så överbelastad så den börjar “slira” – då tappar man både kraft och fart precis när man minst önskar sig det. Man ska alltså höja frekvensen precis lagom snabbt så elmotorn i alla lägen, vid alla möjliga olika belastningar (och alla de olika exemplaren av motorn med sina egna unika avvikelser) alltid orkar hänga med. Det gäller att hitta precis lagom mycket marginaler i accelerationskurvan.

Jag måste erkänna att vi som utvecklade styrningen av den där skrivarens motor gjorde det mest på try-and-error basis. Vi försökte med högre och högre acceleration tills motorn inte orkade med längre. När vi lyckades få motorn att accelerera till önskad fart på önskad sträcka (och tid) var vi nöjda och glada. Vi trimmade inte motorn till max.

Men det har kollegerna på Tesla Motors gjort. De har säkerligen tillgång till mätapparatur vi bara kunde drömma om. De kan anpassa styrningen av Model S motor till att kunna accelerera precis på gränsen till vad motorn tål. Men en viss säkerhetsmarginal har man alltid – man vill aldrig råka ut för att motorn inte hänger med i accelerationen utan “slirar”.

Motorn och styrelektroniken i Tesla har dessutom återkoppling. Vår billiga skrivarmotor gick på “död räkning”, men en dyr bilmotor har sensorer som mäter dess fart, acceleration och kan detektera på en millisekund om den börjar slira och kan då ögonblickligen minska dess styrfrekvens. Dessutom ska programmet som styr motorn även ta hänsyn till om tex hjulen börjar spinna och även då minska accelerationen. Klart mer komplicerat än vår lilla skrivare, men i grund och botten samma idéer.

Det som troligtvis hände med P85D (och nu spekulerar jag, om än med kvalificerad gissning) är att den accelerationsprofil Tesla Motors först hade tagit fram till P85D hade större säkerhetsmarginal mot motorslirning än vad som egentligen behövdes. Kanske var de även rädda för ifall kugghjulen i utväxlingen mellan motorn och hjulen skulle hålla. Kanske var de även rädda för ifall drivkretsarna snabbt skulle överhettas. Men kom ihåg att det är drivkretsarna som styr hur pass snabbt motorn accelererar – det är dataalgoritmen där som styr, inte mekaniken.

Efter mer omfattande tester har de nog sett att motorn faktiskt tål snabbare acceleration, man kan höja frekvensen på strömmen till den snabbare utan att motorn börjar slira. (Alternativt om de nu såg att kugghjulen eller drivkretsarna tål mer än de vågade hoppas på.)

I och med att det inte är motorn eller mekaniken utan faktiskt en processor som styr hur pass snabb växelström motorn får så räcker det faktiskt med en ny programvara till den för att “trimma” bilen.

Vad kan framtiden bjuda på? Kan man trimma P85D elmotorer ännu mer? Tja, helt otänkbart är det inte. Frågan är vilka säkerhetsmarginaler Tesla Motors känner sig bekväma med: accelerationen får aldrig resultera i att motorn “slirar” och inte kan hänga med, eller att kugghjul eller drivkretsar tar skada. Elmotorer kan trimmas en viss del programledes, utan att motorn eller drivkretsar behöver förändras.

TCS ett år sedan: Tesla Motors coast to coast rally

Vår nyhet ett år sedan var Tesla Motors karavan som åkte tvärs över hela USA, från kust till kust. Den 5500 km långa resan gjorde de på 76 och en halv timme, och de utnyttjade Tesla Motors egna Superchargers för hela resan, så drivmedlet kostade noll kronor.