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采用三電機(jī)設(shè)計(jì)方案的Audi E-tron S車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2021-10-01 17:32:45·  來源：李媛媛 -《汽車與新動(dòng)力》  
　
【德】J.DOERR G.FR?HLICH A.STROH M.BAURE-tronS系列車型的前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了動(dòng)力性能更強(qiáng)大的電機(jī),后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則采用了新型高動(dòng)態(tài)雙同軸電機(jī),從而有效改善
【德】J.DOERR G.FRÖHLICH A.STROH M.BAUR


E-tronS系列車型的前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了動(dòng)力性能更強(qiáng)大的電機(jī),后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則采用了新型高動(dòng)態(tài)雙同軸電機(jī),從而有效改善了其行駛性能,以及縱向和橫向動(dòng)力學(xué)特性?
本文首先概述了自E-tron系列車型推出以來,提高其效率和續(xù)航里程的重要措施,并重點(diǎn)介紹了E-tronS車型的新型雙同軸電機(jī)及扭矩矢量功能?
1. 提高效率與續(xù)航里程的措施
2019年底，Audi公司對E-tron系列的所有車型進(jìn)行了優(yōu)化升級,以提高其續(xù)航里程?圖1總結(jié)了其主要技術(shù)措施(按照全球輕型車測試規(guī)程(WLTP)工況測試)?


圖１
研究人員將電池SOC從88%提升到91%,并通過大量試驗(yàn)證明了電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性?SOC的提升充分延長了系統(tǒng)使用壽命?
當(dāng)車輛以低負(fù)荷行駛時(shí),E-tron前驅(qū)系統(tǒng)中的電機(jī)得以解耦?這意味著電力電子裝置不會再向電機(jī)輸入脈沖電流?相應(yīng)減少的能量消耗可以提高車輛效率?該措施可以通過優(yōu)化電力電子功能來實(shí)現(xiàn),重新連接電機(jī)時(shí)不會影響其舒適性或敏捷性?
降低制動(dòng)器的殘留制動(dòng)力矩及優(yōu)化制動(dòng)盤清潔功能也可以提高整車?yán)m(xù)航里程?研究人員通過進(jìn)一步優(yōu)化熱管理系統(tǒng),減少了冷卻液回路中的流量和冷卻液泵的功耗?
與最初發(fā)布的E-tron車型相比,E-tron運(yùn)動(dòng)型多功能汽車(SUV)的續(xù)航里程增加約25km?Sport-back車型因具有更好的風(fēng)阻系數(shù),其在WLTP工況下的續(xù)航里程較SUV的續(xù)航里程增加了約10km?
2. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
Audi公司旗下的研究人員針對E-tron系列車型開發(fā)了配備有高度通用化組件的智能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?為了最大程度地利用車輛安裝空間,研究人員通過設(shè)計(jì)優(yōu)化,在前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上采用了平行軸異步電機(jī),后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則采用同軸異步電機(jī)?前后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)相似,只是有效長度不同(分別為120mm和210mm)?同樣,研究人員還將電力電子裝置設(shè)計(jì)為通用化組件,僅在軟件版本和直流(DC)接口方面有所不同?前軸的標(biāo)準(zhǔn)齒輪裝置?后軸齒輪裝置的各種通用件及其他通用零件(如滾動(dòng)軸承?密封件?轉(zhuǎn)子位置傳感器等)完善了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(表1)?
表1


3. 后驅(qū)動(dòng)ATA250雙同軸電機(jī)
ATA250雙同軸電機(jī)由位于匈牙利Györ的發(fā)動(dòng)機(jī)工廠制造,這是首個(gè)用于量產(chǎn)車輛的雙同軸電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?研究人員針對MLBevo平臺雙同軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求,對關(guān)鍵組件(電機(jī)?電力電子裝置和變速器)的尺寸進(jìn)行了開發(fā),使后軸支架的可用安裝空間得到充分利用?驅(qū)動(dòng)裝置直接安裝在副車架的4個(gè)點(diǎn)上,無須附加零件,并通過電機(jī)和變速器殼體上的緊固螺紋實(shí)現(xiàn)安裝(圖2)?


圖2
這2臺電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制?該車型的定子與E-tron55車型的定子相同,研究人員對轉(zhuǎn)子內(nèi)部的冷卻密封區(qū)域,以及轉(zhuǎn)子與變速器輸入端相連的部分進(jìn)行了輕微調(diào)整,確保磁路始終保持不變?驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所有外殼都采用壓鑄鋁制成,并在強(qiáng)度?剛度和聲學(xué)等方面進(jìn)行了優(yōu)化?ATA250驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的左右兩側(cè)電機(jī)殼體也完全相同?


圖3
研究人員將其沿車輛的縱軸橫向倒置進(jìn)行安裝?圖3示出了緊湊型雙同軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置,并為其配備了2個(gè)電機(jī)?2個(gè)變速器和2個(gè)電力電子裝置?2個(gè)電機(jī)通過螺栓背靠背進(jìn)行固定,但未采用機(jī)械耦合的方式?電力電子裝置可像電機(jī)一樣采用橫向倒置進(jìn)行安裝,因此其與定子的三相電源連接處分別位于頂部和底部?為了確保在緊湊空間中可從下部與電池相連,研究人員為電力電子裝置配備了可變DC接口,可以根據(jù)需要進(jìn)行銑削和裝配?
雙同軸電機(jī)采用了較為高效的冷卻方案?作為標(biāo)準(zhǔn)配置,電機(jī)轉(zhuǎn)子采用了特殊的軸接地裝置,以避免軸承電流流經(jīng)滾動(dòng)軸承或齒輪?軸接地裝置布設(shè)在靠近變速器的電機(jī)活動(dòng)空間中?位于內(nèi)部的2個(gè)轉(zhuǎn)子軸承采用陶瓷材質(zhì)制成,以防止電流通過?2個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)子內(nèi)部的冷卻液收集器也位于雙同軸電機(jī)中間?
圖4為后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分解圖?沿車輛縱軸旋轉(zhuǎn)布置的2個(gè)電機(jī)?電力電子裝置?驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中心的冷卻液收集器,以及電機(jī)和變速器殼體上的安裝點(diǎn)同樣如圖4所示?


圖4
4. 電力電子裝置
在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí),研究人員為AudiE-tron全系列車型開發(fā)了1款基礎(chǔ)電力電子裝置,這是開發(fā)和制造效益實(shí)現(xiàn)最大化的關(guān)鍵?在任何情況下,無論使用哪種電機(jī),其采用的電力電子裝置的基本結(jié)構(gòu)都大致相同?
電力電子裝置外殼配備有2個(gè)高壓直流(HVDC)接口?研究人員根據(jù)需要銑出了連接側(cè),并配備了相應(yīng)的銷槽和壓力補(bǔ)償元件(圖5)?


圖5
就雙同軸電機(jī)的特殊要求而言,以ASIL-D安全等級的扭矩監(jiān)控功能為例,所有E-tron電力電子裝置已基本實(shí)現(xiàn)?
5. 無差速器的雙同軸電機(jī)
與其他E-tron車型所采用的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比,AudiE-tronS車型所用的雙同軸電機(jī)無須配備差速器,并可通過2個(gè)獨(dú)立的電機(jī)實(shí)現(xiàn)差速功能?這2個(gè)電機(jī)通過螺栓連接在一起,但在扭矩路徑上并未采用機(jī)械耦合方式?雙同軸電機(jī)系統(tǒng)采用了2個(gè)緊湊的同軸變速器(圖6)?


圖6
這2個(gè)變速器對稱安裝在后軸的左右兩側(cè),與2個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的電機(jī)相連接?電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的中心齒輪與階梯狀的雙行星齒輪嚙合,中心齒輪與通過浮動(dòng)方式安裝在殼體中的齒圈確保了總傳動(dòng)比為9.080?在行星齒輪架中間布設(shè)有可用于安裝傳動(dòng)軸的法蘭輪廓?這種緊湊的設(shè)計(jì)方案可以為電機(jī)提供最大的軸向安裝空間?
6. 雙同軸電機(jī)的冷卻與散熱
良好的冷卻對電機(jī)的功率密度至關(guān)重要?由于安裝空間和質(zhì)量對整車應(yīng)用有著重要影響,因此研究人員必須為其設(shè)定高效且高度集成的冷卻方案?通過大量仿真計(jì)算,研究人員為AudiE-tron車用電機(jī)開發(fā)了1種先進(jìn)的冷卻方案?在共軛傳熱(CHT)仿真過程中,研究人員采用了耦合模型以模擬冷卻液和空氣的流動(dòng)及整個(gè)電機(jī)的結(jié)構(gòu)?與基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一樣,雙同軸電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的每臺電機(jī)都采用了可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部冷卻的水冷系統(tǒng)(圖7)?


圖7
除了良好的散熱以外,雙同軸電機(jī)的開發(fā)重點(diǎn)還包括設(shè)計(jì)出能盡量節(jié)省空間的水循環(huán),使電動(dòng)軸的長度尺寸更為緊湊?由于半導(dǎo)體需要最低的冷卻液溫度,因而冷卻液可通過2個(gè)電力電子裝置流入電機(jī)?冷卻液在流經(jīng)2個(gè)電力電子裝置后,流入了2個(gè)電機(jī)?隨后,冷卻液依次流經(jīng)變速器側(cè)的軸承座和定子冷卻套?冷卻的軸承座可使齒輪油得到冷卻,因此無須配備齒輪油冷卻器?此外,轉(zhuǎn)子端面的風(fēng)扇葉片能通過軸承座上的特殊冷卻元件產(chǎn)生定向氣流,從而可對活動(dòng)空間中的空氣進(jìn)行冷卻?這使得轉(zhuǎn)子的鋁制短路籠和定子線圈體具有良好的對流散熱效果?然而,異步轉(zhuǎn)子的主要冷卻路徑是轉(zhuǎn)子內(nèi)部的水冷系統(tǒng)?在流入轉(zhuǎn)子之前,2個(gè)冷卻回路合并,以補(bǔ)償由扭矩矢量引起的不同冷卻液熱量(圖8)?


圖8
冷卻液從收集器流入轉(zhuǎn)子,通過噴槍使冷卻液流入轉(zhuǎn)子深處?當(dāng)流體進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中時(shí),會因剪切作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,然后通過轉(zhuǎn)子軸流向電機(jī)之間的出口?在轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻回路下游,冷卻液在離開電機(jī)之前會在收集器的另1個(gè)區(qū)域內(nèi)匯集(圖7?圖8)?研究人員對2個(gè)電機(jī)間的緊湊水套進(jìn)行了流量損失和均勻分配方面的優(yōu)化?水套由2個(gè)電機(jī)殼體和由2個(gè)壓鑄件構(gòu)成的收集器殼體組成?從圖9可以看出,在電機(jī)轉(zhuǎn)速為13500r/min工況時(shí),雙同軸電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行點(diǎn)(S1)的溫度分布較為均勻?


圖9
7. 電機(jī)性能
圖10示出了AudiE-tronS車用電機(jī)的功率和扭矩曲線?應(yīng)當(dāng)注意的是,研究人員在優(yōu)化雙同軸電機(jī)的全部性能時(shí),需要將后驅(qū)動(dòng)的曲線考慮在內(nèi)?得益于異步電機(jī)出色的過載能力和高效的冷卻系統(tǒng),2個(gè)轉(zhuǎn)軸上都可儲備大量的功率,并可用于提升功率或控制電動(dòng)扭矩矢量(eTV)?


圖10
圖11示出了E-tronS車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能?系統(tǒng)峰值功率(60s)輸出過程較為平穩(wěn)?結(jié)合電池的最佳性能與較高的技術(shù)目標(biāo),在eTV提升模式下的系統(tǒng)功率(10s)為370kW,在寬廣的車速范圍內(nèi)也是如此?在前三分之一的轉(zhuǎn)速工況區(qū)域內(nèi),系統(tǒng)扭矩始終處于800~1000N·m(eTV提升模式)的高水平條件下(圖11)?


圖11
異步電機(jī)的持續(xù)功率較高,由于具有良好的冷卻效果,即使在較高的室外溫度下,異步電機(jī)在全負(fù)荷運(yùn)行30min后,仍能提供2個(gè)70kW(后驅(qū)動(dòng))和95kW(前驅(qū)動(dòng))的功率?即使在高動(dòng)態(tài)駕駛情況下,也很少會出現(xiàn)電機(jī)過熱和功率降低的現(xiàn)象?
E-tronS車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為能量回收這一領(lǐng)域樹立了新標(biāo)準(zhǔn)?與E-tron基礎(chǔ)車型相比,由于E-tronS車型采用了三電機(jī)設(shè)計(jì)方案,其回收功率從220kW提高到了270kW?
8. 行駛性能與功能
三電機(jī)結(jié)構(gòu)帶來的快速響應(yīng)能力有利于實(shí)現(xiàn)車輪的最佳扭矩分配?車輛能在數(shù)毫秒內(nèi)對輪胎摩擦變化作出響應(yīng)?與AudiE-tron55車型相比,E-tronS車型3個(gè)電機(jī)的響應(yīng)能力得到了進(jìn)一步提升?在任何駕駛模式下,E-tronS車型對油門踏板變化的響應(yīng)都會更快?同時(shí),研究人員可使該車型在任何速度范圍內(nèi)都能對高驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行有效計(jì)算?
9. 運(yùn)行策略與應(yīng)用
自2019年底車型更新以來,所有E-tron系列車型的前驅(qū)系統(tǒng)均可根據(jù)具體駕駛情況實(shí)現(xiàn)完全電解耦?在該情況下,電力電子裝置不再向電機(jī)輸入脈沖電流?駕駛員的日常行駛要求通常由后驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行?通過提高負(fù)荷點(diǎn),可以使后驅(qū)動(dòng)電機(jī)更高效地運(yùn)行?
在負(fù)荷急劇增加或者在與行駛動(dòng)力學(xué)相關(guān)的情況下,前驅(qū)系統(tǒng)將被激活?這種電耦合過程對駕駛員的主觀感受并不會產(chǎn)生明顯影響?
10. 電動(dòng)全驅(qū)動(dòng)與eTV
除了具有E-tron55的全可變縱向扭矩分配功能以外,E-tronS車型還采用了eTV?用于后驅(qū)動(dòng)的2個(gè)電機(jī)可在2個(gè)后輪之間施加不同的扭矩,無須制動(dòng)干預(yù),便可改善牽引和驅(qū)動(dòng)情況下的駕駛性能?
后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可在數(shù)毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)對左右扭矩的分配過程,最大可分配高達(dá)2100N·m的差動(dòng)扭矩?由此會在車輛垂直軸上產(chǎn)生偏航力矩,從而大幅提高自轉(zhuǎn)向性能?在典型的牽引條件下,該系統(tǒng)可以分配高達(dá)3000N·m的差動(dòng)扭矩?與傳統(tǒng)差速器相比,該系統(tǒng)可以帶來全新的扭矩分配自由度,但同時(shí)也對傳動(dòng)系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)控制提出了更高要求?
為了最大程度地發(fā)揮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的潛力,同時(shí)應(yīng)對單輪電機(jī)控制系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn),Audi公司采用了特定的控制單元功能和電力電子裝置功能：(1)集成縱向和橫向扭矩分配;(2)后驅(qū)動(dòng)采用電子差速器;(3)優(yōu)化從輪速到電力電子裝置的效果鏈;(4)ASIL-D的安全功能符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)?
E-tronS車型的動(dòng)力學(xué)功能和軟件體系均以E-tron55車型為基礎(chǔ),車輪選擇性的扭矩控制(通過制動(dòng)干預(yù))已集成在電動(dòng)扭矩分配過程中?
E-tronS車型還將eTV集成到了電子底盤平臺(EFP)的功能軟件中,從而在所有摩擦系數(shù)下均可實(shí)現(xiàn)最佳駕駛性能?
11. 結(jié)論
為了進(jìn)一步開發(fā)采用E-tron技術(shù)的全驅(qū)動(dòng)裝置,Audi公司將eTV用于E-tronS車型的后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?集成的扭矩控制是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的中心,從而能最大程度地發(fā)揮后驅(qū)動(dòng)雙同軸電機(jī)的潛力?即使研究人員停用牽引控制系統(tǒng),系統(tǒng)仍可實(shí)現(xiàn)該功能?
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