奥迪e-tron S全球三电系统开发解密




1 引言

自从特斯拉model 诞生以来,一直执新能源性能车的牛耳,凭借着强大的技术实力,偏执狂般的产品路线,在乘用车市场掀起了新能源革命。旗下的Model S和Model X对传统燃油车进行降维打击,做到了100万级以下的性能之王。其中,Model X凭借着487kW功率,844Nm扭矩,0-100km/h 4.6s的成绩与比亚迪唐一起在SUV领域笑傲江湖。特斯拉也凭借着产业布局和前沿理念,股票一路高歌猛进,超过了丰田,成为市值最高的汽车公司。

对此,传统主机厂也不甘落后,在新能源领域发起了绝地反击,大众集团是纯电动领域布局较早的主机厂,其2030年战略中计划推出200余款纯电动车型。在2018年首次推出了奥迪e-tron车型,代表大众在新能源的技术高度,然而,其性能维度相比特斯拉依旧存在不足。对此,2020年,推出了奥迪e-tron的性能版——e-tron S,凭借着全球首次量产的三电机加成布局,加上电动扭矩矢量控制技术,实现了370kW和973Nm的扭矩,百公里加速达到了4.5s,最高时速可达210千米/小时。性能维度高度接近特斯拉model X。

数据来自MTZ worldwide 2020,本文只供学习交流使用。



2 基础性能进一步提高

从2018年奥迪e-tron发布以来,到2020年,奥迪E-tron车型也在进行不断的升级,在巡航能力上不断提高。关键提高手段可以参照下图1(续航里程为WLTP工况)。首先对电池的可用充电容量进行提高(SOC),从88%增加到91%,并通过相应试验证明了电池系统的鲁棒性(简单说就是可靠性和稳定性),电池可用容量的增加并没有牺牲掉安全与可靠性。在低负荷驾驶中,通过对核心电子零件的优化,奥迪e-tron的前驱系统实现了完全意义的电解耦(Electrical axle decoupling),这意味着电气装置不再向电动机中输入脉冲电流,从而降低了能耗,提高了运行效率。通过降低制动器残留的制动扭矩,对并刹车盘的自清洁系统进行优化,也提高了续航里程。对热管理系统进一步优化,通过降低冷却液回路中的体积流量和冷却泵的功耗,也提高了一些续航里程。因此,奥迪e-tron SUV的续航里程比刚刚上市时提高了25km(6%)。Sportback车型中利用更好的风阻系数,WLTP工况的续航里程又增加了约10公里。

图1 E-tron续航里程提高的措施(©奥迪官方)



3 电驱动系统

为了电动化战略,奥迪e-tron系列使用了能够高通用化的动力总成驱动系统。为了优化车辆组件的利用率,前电机采用了平行轴异步电机,后电机采用了同轴异步电机。电机的设计类似,只在有效长度上有所不同(120和210 mm)。电驱动相关元器件同样被设计为通用化元件,其主要区别在于其不同的软件版本和灵活布置的DC连接器。前后电机零件高度通用,其中滚柱轴承、密封件、转子位置传感器等都是通用的。如图2所示,奥迪e-tron前电机采用APA250,最大功率135kW,扭矩309Nm;后电机采用AKA320,最大功率165kW,扭矩355Nm。性能版奥迪e-tron S前电机采用APA320,最大功率157kW,扭矩355Nm;后电机采用双ATA250,最大功率2*138kW,扭矩2*309Nm。
图2电驱动总成(©奥迪官方)



4 双同轴后电机ATA250

ATA250双同轴电机是位于匈牙利的汽车厂制造的。它也是目前首个量产的双同轴电机系统。所有关键组件(电机、电子电器和变速箱)都是为E-tron所代表的MLB evo平台上进行全新开发的。尺寸和布置完美与MLB evo平台结合,布置紧凑。动力总成系统可以直接安装在副车架的四个点上,无需附加零件。通过紧固螺栓将电机外壳和变速箱外壳紧固,如图3所示。

图3 e-tron S后部双同轴电机布置(©奥迪官方)
这两台电机可以独立启动和控制,定子是与e-tron 55 quattro 前桥共用的部件,转子、变速箱输入端以及转子内部冷却的密封区域稍作修改。磁路也是相同的,动力总成所有外壳都是压铸铝结构,在强度、刚度和声学方面都进行了优化。左右两侧的电机壳体相同。
图4(左)显示了紧凑型双同轴电机的布置,带有两个电机、两个行星齿轮和两个电子电器。电机是用螺栓背靠背固定的,没有机械耦合装置。电子电器和电机是横向反向安装的,这就是为什么定子的三相电连接器都位于顶部和底部。为了确保在紧凑布局中可以从下面连接到动力电池,该装置设计有一个可变的直流连接端口,根据需要进行位置调整。

图4 双同轴电机ATA250透视图(左)和截面图(右)(©奥迪官方)
双同轴电机也有一个高效的冷却理念。如图4(右图)中的冷却液流动区域以蓝色显示(电子电器设备冷却、定子冷却、轴承板冷却和转子冷却)。作为标准配置,电机转子有一个特殊的轴接地装置,以避免轴承电流通过滚柱轴承或齿轮。轴接地位于电机的转子中,靠近齿轮机构的左右两侧。两个内转子轴承是陶瓷的,防止电流通过。提供内部转子冷却的两个转速传感器和冷却液收集器也位于双同轴电机的中间。
图5显示了后驱动双同轴电机的分解图。围绕车辆纵轴旋转的两个电机和电子电器装置的布置清晰可见,双同轴电机中心的冷却液收集器以及电机和变速箱外壳上的安装点位也清晰可见。

图5 ATA250双同轴电机分解图(©奥迪官方)



5 电子电器-可变DC连接器和ASIL-D等级检测

为奥迪e-tron全系列车型开发一个基础电子电器单元是设计该系统的核心目标,以便实现效费比的最优化。在任何情况下,无论使用哪一种电机,电子电器设备的基础设计是相同的。电力电子设备外壳有两个高压直流连接口,需要使用哪个方向的就把哪个方向的车出来,布置上相应的连接器和压力补偿元件,如图6所示。

图6电子电器直流连接口的柔性设计(©奥迪官方)
该电子电器系统安全性足够高,可以实现ASIL-D等级的扭矩检测功能。



6 无差速器的双同轴电机

与其他e-tron电驱动系统不同,奥迪e-tron S车型的双同轴电机不需要差速器。每个轮子由两个独立的电机提供,它们通过螺栓连接在一起,但在扭矩传递路径上没有实现机械耦合。通过使用两个紧凑的同轴齿轮机构,如图7,与两个独立运行的电机相连。
图7 ATA250双同轴电机的紧凑型轴齿轮(©奥迪官方)



7 双同轴电机的冷却与散热

对电机进行良好冷却是获得高功率密度的关键。由于安装空间和重量的限制,有效、高度集成的冷却系统对电驱动至关重要。在大量CAE分析的帮助下,为奥迪e-tron S的电动机开发了一种高效的冷却概念。在共轭传热(CHT, Conjugate Heat Transfer)模拟中,采用耦合模型来模拟驱动电机中冷却液和空气的流动。
对于双同轴电机,每台电机都使用包含定子、轴承板和内部转子冷却的水冷系统,其基本冷却模型如图8所示。除了良好的散热外,重点在于设计一套尽可能节省空间的水回路,特别是两个电机之间,从而使电动轴的全长保持紧凑。

图8双同轴电机的冷却概念(©奥迪官方)



8 电动机性能数据

图9,图10显示了奥迪e-tron S车型的电机功率和扭矩曲线。注意,需要将后驱动的值相加,才能看到双同轴电机的全部性能。由于异步电机的过载能力和有效的冷却系统,两个轴上都有大量的功率储备,用于提升峰值功率或实现电驱扭矩矢量控制(eTV,electric Torque Vectoring)。

图9 前轴电机的功率和扭矩曲线

图10 后轴电机的功率和扭矩曲线(单独一个)
图11,图12显示了e-tron S型号中完整电驱动性能。在车速50km/h到200km/h,60s峰值功率达到320kW,结合电池的最大性能以及整合eTV/升压系统功率,10s峰值功率可以达到370 kW,且在车速60km/h到170km/h的范围内适用。对于peak模式(60s峰值功率)到eTV/boost模式(10s峰值功率),在车速0到70km/h的速度带下,e-tron S的综合扭矩处于800Nm(60s)到近1000Nm的高水平,如图12(下图)。特别值得注意的是,得益于良好的冷却系统,即使在室外温度较高的情况下,该异步电机满载30分钟后仍能提供2×70 kW(后驱动)和95 kW(前驱动)的高性能输出。即使在高负荷驾驶期间(赛道),电机过热和随后的功率降额也微乎其微。此外,关于能量回收性能,由于三个电机的布局,与e-tron基础款相比,回收功率可以从220kW增加到270kW。
图11整合系统功率(©奥迪官方)

图12整合系统扭矩(©奥迪官方)



9 操纵和驾驶乐趣

奥迪e-tron S的三电机布置,拥有无与伦比的快速响应能力,并可实现最佳的轮上扭矩分配,车辆能够在几毫秒内对轮胎摩擦的变化做出响应。与奥迪e-tron 55相比,S车型中的三款电动机的响应能力得到了进一步的提高。在任何驾驶模式下,车辆对油门踏板的变化都会做出更自然的响应。



10 控制策略及应用

奥迪自2019年车型更新以来,所有e-tron车型的前轴驱动都可以根据具体的驾驶情况进行完全的电气解耦。对此,e-tron的控制策略也进行了调整,日常驾驶主要依靠后轴电机进行驱动,绝大多数工况下,通过提高负载点,让后轴电机以更有效的方式运行。如果遇到急加速负载急剧增加的情况,或后轮出现打滑的情况下,前驱模式会介入,一般驾驶员是无法感知这种电机驱动分配的变化。



11 电动QUATTRO和ETV

奥迪的quattro是它的招牌,在电动车上也采用了一套类似的电动quattro技术。除了e-tron 55全可变纵向扭矩分配外,eTV也部署在奥迪e-tron S车型上。后轴上的两个电机可以在两个后轮之间施加不同的扭矩,从而改善各种工况下的操控性。该双同轴电机可在几毫秒内实现高达2100Nm左右的瞬态扭矩分配。这会在车辆的垂直轴上产生一个偏置力矩,从而大大提高了汽车的自转向性能。在典型的牵引情况下,比如µ-split加速模式,可以分配高达3000 Nm的差动扭矩。与传统机电式差速器相比,左右车轮的0机械耦合可以在扭矩分配方面实现全新的自由度,当然,也对传动系统的动态控制提出了更高的挑战。



12 总结

目前在新能源战场上,特斯拉一骑绝尘,以大众为代表的传统主机厂也在大象转身,众多造车新势力也不甘示弱。相信到2025年,新能源市场将会出现全面竞争化,到那时,看看谁依旧驰骋沙场。

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