奧迪e-tron S全球三電系統(tǒng)開發(fā)解密

1 引言

自從特斯拉model 誕生以來，一直執(zhí)新能源性能車的牛耳，憑借著強(qiáng)大的技術(shù)實力，偏執(zhí)狂般的產(chǎn)品路線，在乘用車市場掀起了新能源革命。旗下的Model S和Model X對傳統(tǒng)燃油車進(jìn)行降維打擊，做到了100萬級以下的性能之王。其中，Model X憑借著487kW功率，844Nm扭矩，0-100km/h 4.6s的成績與比亞迪唐一起在SUV領(lǐng)域笑傲江湖。特斯拉也憑借著產(chǎn)業(yè)布局和前沿理念，股票一路高歌猛進(jìn)，超過了豐田，成為市值最高的汽車公司。

對此，傳統(tǒng)主機(jī)廠也不甘落后，在新能源領(lǐng)域發(fā)起了絕地反擊，大眾集團(tuán)是純電動領(lǐng)域布局較早的主機(jī)廠，其2030年戰(zhàn)略中計劃推出200余款純電動車型。在2018年首次推出了奧迪e-tron車型，代表大眾在新能源的技術(shù)高度，然而，其性能維度相比特斯拉依舊存在不足。對此，2020年，推出了奧迪e-tron的性能版——e-tron S，憑借著全球首次量產(chǎn)的三電機(jī)加成布局，加上電動扭矩矢量控制技術(shù)，實現(xiàn)了370kW和973Nm的扭矩，百公里加速達(dá)到了4.5s，最高時速可達(dá)210千米/小時。性能維度高度接近特斯拉model X。

數(shù)據(jù)來自MTZ worldwide 2020，本文只供學(xué)習(xí)交流使用。

2 基礎(chǔ)性能進(jìn)一步提高

從2018年奧迪e-tron發(fā)布以來，到2020年，奧迪E-tron車型也在進(jìn)行不斷的升級，在巡航能力上不斷提高。關(guān)鍵提高手段可以參照下圖1（續(xù)航里程為WLTP工況）。首先對電池的可用充電容量進(jìn)行提高（SOC），從88%增加到91%，并通過相應(yīng)試驗證明了電池系統(tǒng)的魯棒性（簡單說就是可靠性和穩(wěn)定性），電池可用容量的增加并沒有犧牲掉安全與可靠性。在低負(fù)荷駕駛中，通過對核心電子零件的優(yōu)化，奧迪e-tron的前驅(qū)系統(tǒng)實現(xiàn)了完全意義的電解耦（Electrical axle decoupling），這意味著電氣裝置不再向電動機(jī)中輸入脈沖電流，從而降低了能耗，提高了運行效率。通過降低制動器殘留的制動扭矩，對并剎車盤的自清潔系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，也提高了續(xù)航里程。對熱管理系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，通過降低冷卻液回路中的體積流量和冷卻泵的功耗，也提高了一些續(xù)航里程。因此，奧迪e-tron SUV的續(xù)航里程比剛剛上市時提高了25km（6%）。Sportback車型中利用更好的風(fēng)阻系數(shù)，WLTP工況的續(xù)航里程又增加了約10公里。

圖1 E-tron續(xù)航里程提高的措施（奧迪官方）

3 電驅(qū)動系統(tǒng) 為了電動化戰(zhàn)略，奧迪e-tron系列使用了能夠高通用化的動力總成驅(qū)動系統(tǒng)。為了優(yōu)化車輛組件的利用率，前電機(jī)采用了平行軸異步電機(jī)，后電機(jī)采用了同軸異步電機(jī)。電機(jī)的設(shè)計類似，只在有效長度上有所不同（120和210 mm）。電驅(qū)動相關(guān)元器件同樣被設(shè)計為通用化元件，其主要區(qū)別在于其不同的軟件版本和靈活布置的DC連接器。前后電機(jī)零件高度通用，其中滾柱軸承、密封件、轉(zhuǎn)子位置傳感器等都是通用的。如圖2所示，奧迪e-tron前電機(jī)采用APA250，最大功率135kW，扭矩309Nm；后電機(jī)采用AKA320，最大功率165kW，扭矩355Nm。性能版奧迪e-tron S前電機(jī)采用APA320，最大功率157kW，扭矩355Nm；后電機(jī)采用雙ATA250，最大功率2*138kW，扭矩2*309Nm。

圖2電驅(qū)動總成（奧迪官方）

4 雙同軸后電機(jī)ATA250 ATA250雙同軸電機(jī)是位于匈牙利的汽車廠制造的。它也是目前首個量產(chǎn)的雙同軸電機(jī)系統(tǒng)。所有關(guān)鍵組件（電機(jī)、電子電器和變速箱）都是為E-tron所代表的MLB evo平臺上進(jìn)行全新開發(fā)的。尺寸和布置完美與MLB evo平臺結(jié)合，布置緊湊。動力總成系統(tǒng)可以直接安裝在副車架的四個點上，無需附加零件。通過緊固螺栓將電機(jī)外殼和變速箱外殼緊固，如圖3所示。

圖3 e-tron S后部雙同軸電機(jī)布置（奧迪官方） 這兩臺電機(jī)可以獨立啟動和控制，定子是與e-tron 55 quattro 前橋共用的部件，轉(zhuǎn)子、變速箱輸入端以及轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻的密封區(qū)域稍作修改。磁路也是相同的，動力總成所有外殼都是壓鑄鋁結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)度、剛度和聲學(xué)方面都進(jìn)行了優(yōu)化。左右兩側(cè)的電機(jī)殼體相同。 圖4（左）顯示了緊湊型雙同軸電機(jī)的布置，帶有兩個電機(jī)、兩個行星齒輪和兩個電子電器。電機(jī)是用螺栓背靠背固定的，沒有機(jī)械耦合裝置。電子電器和電機(jī)是橫向反向安裝的，這就是為什么定子的三相電連接器都位于頂部和底部。為了確保在緊湊布局中可以從下面連接到動力電池，該裝置設(shè)計有一個可變的直流連接端口，根據(jù)需要進(jìn)行位置調(diào)整。

圖4 雙同軸電機(jī)ATA250透視圖（左）和截面圖（右）（奧迪官方） 雙同軸電機(jī)也有一個高效的冷卻理念。如圖4（右圖）中的冷卻液流動區(qū)域以藍(lán)色顯示（電子電器設(shè)備冷卻、定子冷卻、軸承板冷卻和轉(zhuǎn)子冷卻）。作為標(biāo)準(zhǔn)配置，電機(jī)轉(zhuǎn)子有一個特殊的軸接地裝置，以避免軸承電流通過滾柱軸承或齒輪。軸接地位于電機(jī)的轉(zhuǎn)子中，靠近齒輪機(jī)構(gòu)的左右兩側(cè)。兩個內(nèi)轉(zhuǎn)子軸承是陶瓷的，防止電流通過。提供內(nèi)部轉(zhuǎn)子冷卻的兩個轉(zhuǎn)速傳感器和冷卻液收集器也位于雙同軸電機(jī)的中間。 圖5顯示了后驅(qū)動雙同軸電機(jī)的分解圖。圍繞車輛縱軸旋轉(zhuǎn)的兩個電機(jī)和電子電器裝置的布置清晰可見，雙同軸電機(jī)中心的冷卻液收集器以及電機(jī)和變速箱外殼上的安裝點位也清晰可見。

圖5 ATA250雙同軸電機(jī)分解圖（奧迪官方）

5 電子電器-可變DC連接器和ASIL-D等級檢測 為奧迪e-tron全系列車型開發(fā)一個基礎(chǔ)電子電器單元是設(shè)計該系統(tǒng)的核心目標(biāo)，以便實現(xiàn)效費比的最優(yōu)化。在任何情況下，無論使用哪一種電機(jī)，電子電器設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)計是相同的。電力電子設(shè)備外殼有兩個高壓直流連接口，需要使用哪個方向的就把哪個方向的車出來，布置上相應(yīng)的連接器和壓力補(bǔ)償元件，如圖6所示。

圖6電子電器直流連接口的柔性設(shè)計（奧迪官方） 該電子電器系統(tǒng)安全性足夠高，可以實現(xiàn)ASIL-D等級的扭矩檢測功能。

6 無差速器的雙同軸電機(jī) 與其他e-tron電驅(qū)動系統(tǒng)不同，奧迪e-tron S車型的雙同軸電機(jī)不需要差速器。每個輪子由兩個獨立的電機(jī)提供，它們通過螺栓連接在一起，但在扭矩傳遞路徑上沒有實現(xiàn)機(jī)械耦合。通過使用兩個緊湊的同軸齒輪機(jī)構(gòu)，如圖7，與兩個獨立運行的電機(jī)相連。

圖7 ATA250雙同軸電機(jī)的緊湊型軸齒輪（奧迪官方）

7 雙同軸電機(jī)的冷卻與散熱 對電機(jī)進(jìn)行良好冷卻是獲得高功率密度的關(guān)鍵。由于安裝空間和重量的限制，有效、高度集成的冷卻系統(tǒng)對電驅(qū)動至關(guān)重要。在大量CAE分析的幫助下，為奧迪e-tron S的電動機(jī)開發(fā)了一種高效的冷卻概念。在共軛傳熱（CHT, Conjugate Heat Transfer）模擬中，采用耦合模型來模擬驅(qū)動電機(jī)中冷卻液和空氣的流動。 對于雙同軸電機(jī)，每臺電機(jī)都使用包含定子、軸承板和內(nèi)部轉(zhuǎn)子冷卻的水冷系統(tǒng)，其基本冷卻模型如圖8所示。除了良好的散熱外，重點在于設(shè)計一套盡可能節(jié)省空間的水回路，特別是兩個電機(jī)之間，從而使電動軸的全長保持緊湊。

圖8雙同軸電機(jī)的冷卻概念（奧迪官方）

8 電動機(jī)性能數(shù)據(jù) 圖9，圖10顯示了奧迪e-tron S車型的電機(jī)功率和扭矩曲線。注意，需要將后驅(qū)動的值相加，才能看到雙同軸電機(jī)的全部性能。由于異步電機(jī)的過載能力和有效的冷卻系統(tǒng)，兩個軸上都有大量的功率儲備，用于提升峰值功率或?qū)崿F(xiàn)電驅(qū)扭矩矢量控制（eTV，electric Torque Vectoring）。

圖9 前軸電機(jī)的功率和扭矩曲線

圖10 后軸電機(jī)的功率和扭矩曲線（單獨一個） 圖11，圖12顯示了e-tron S型號中完整電驅(qū)動性能。在車速50km/h到200km/h，60s峰值功率達(dá)到320kW，結(jié)合電池的最大性能以及整合eTV/升壓系統(tǒng)功率，10s峰值功率可以達(dá)到370 kW，且在車速60km/h到170km/h的范圍內(nèi)適用。對于peak模式（60s峰值功率）到eTV/boost模式（10s峰值功率），在車速0到70km/h的速度帶下，e-tron S的綜合扭矩處于800Nm（60s）到近1000Nm的高水平，如圖12（下圖）。特別值得注意的是，得益于良好的冷卻系統(tǒng)，即使在室外溫度較高的情況下，該異步電機(jī)滿載30分鐘后仍能提供2×70 kW（后驅(qū)動）和95 kW（前驅(qū)動）的高性能輸出。即使在高負(fù)荷駕駛期間（賽道），電機(jī)過熱和隨后的功率降額也微乎其微。此外，關(guān)于能量回收性能，由于三個電機(jī)的布局，與e-tron基礎(chǔ)款相比，回收功率可以從220kW增加到270kW。

圖11整合系統(tǒng)功率（奧迪官方）

圖12整合系統(tǒng)扭矩（奧迪官方）

9 操縱和駕駛樂趣 奧迪e-tron S的三電機(jī)布置，擁有無與倫比的快速響應(yīng)能力，并可實現(xiàn)最佳的輪上扭矩分配，車輛能夠在幾毫秒內(nèi)對輪胎摩擦的變化做出響應(yīng)。與奧迪e-tron 55相比，S車型中的三款電動機(jī)的響應(yīng)能力得到了進(jìn)一步的提高。在任何駕駛模式下，車輛對油門踏板的變化都會做出更自然的響應(yīng)。

10 控制策略及應(yīng)用 奧迪自2019年車型更新以來，所有e-tron車型的前軸驅(qū)動都可以根據(jù)具體的駕駛情況進(jìn)行完全的電氣解耦。對此，e-tron的控制策略也進(jìn)行了調(diào)整，日常駕駛主要依靠后軸電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，絕大多數(shù)工況下，通過提高負(fù)載點，讓后軸電機(jī)以更有效的方式運行。如果遇到急加速負(fù)載急劇增加的情況，或后輪出現(xiàn)打滑的情況下，前驅(qū)模式會介入，一般駕駛員是無法感知這種電機(jī)驅(qū)動分配的變化。

11 電動QUATTRO和ETV 奧迪的quattro是它的招牌，在電動車上也采用了一套類似的電動quattro技術(shù)。除了e-tron 55全可變縱向扭矩分配外，eTV也部署在奧迪e-tron S車型上。后軸上的兩個電機(jī)可以在兩個后輪之間施加不同的扭矩，從而改善各種工況下的操控性。該雙同軸電機(jī)可在幾毫秒內(nèi)實現(xiàn)高達(dá)2100Nm左右的瞬態(tài)扭矩分配。這會在車輛的垂直軸上產(chǎn)生一個偏置力矩，從而大大提高了汽車的自轉(zhuǎn)向性能。在典型的牽引情況下，比如μ-split加速模式，可以分配高達(dá)3000 Nm的差動扭矩。與傳統(tǒng)機(jī)電式差速器相比，左右車輪的0機(jī)械耦合可以在扭矩分配方面實現(xiàn)全新的自由度，當(dāng)然，也對傳動系統(tǒng)的動態(tài)控制提出了更高的挑戰(zhàn)。

12 總結(jié) 目前在新能源戰(zhàn)場上，特斯拉一騎絕塵，以大眾為代表的傳統(tǒng)主機(jī)廠也在大象轉(zhuǎn)身，眾多造車新勢力也不甘示弱。相信到2025年，新能源市場將會出現(xiàn)全面競爭化，到那時，看看誰依舊馳騁沙場。

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