奧迪e-tron純電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成解析(上)

一、驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)

如圖1所示，奧迪e-tron電動(dòng)車平臺(tái)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車平臺(tái)是有所不同的，兩臺(tái)異步電機(jī)分別位于前后軸，電池位于車身的中間，布局在車底位置。位于前軸的電機(jī)(圖2)最大功率是125kW，boost模式下能夠達(dá)到135kW。位于后軸的電機(jī)(圖3)最大功率140kW，在boost模式可以爆發(fā)165kW。多數(shù)時(shí)間下，e-tron都只靠后軸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要時(shí)轉(zhuǎn)化為四驅(qū)模式。這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，最大功率合計(jì)為265kW，峰值扭矩561N·m，0-100km/h加速時(shí)間為6.6s，要是增壓boost模式下，0-100km/h加速時(shí)間可以達(dá)到5.7s。奧迪e-tron配備了95kW時(shí)的鋰離子電池，電池單次充電可以行駛400km。

圖1 奧迪e-tron異步電機(jī)的安裝位置

圖2 位于前軸的電機(jī)

圖3 位于后軸的電機(jī) 動(dòng)力電機(jī)內(nèi)部集成減速齒輪組，減小尺寸。同時(shí)電機(jī)上部集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率逆變器。進(jìn)一步簡化高壓布線，使得純電總成更緊湊。電驅(qū)動(dòng)橋既保證了高功率密度，又能夠很好地適應(yīng)后軸空間嚴(yán)苛的要求。更高的功率密度需要更好的電機(jī)熱管理系統(tǒng)。奧迪e-tron引入了高效的前后軸電驅(qū)動(dòng)橋電機(jī)電控水冷系統(tǒng)。前橋電驅(qū)動(dòng)裝置采用的APA 250平行軸式異步電機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1，后橋電驅(qū)動(dòng)裝置采用的AKA 320同軸式異步電機(jī)相關(guān)參數(shù)見表2。 表1 APA 250平行軸式異步電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

表2 AKA 320同軸式異步電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

奧迪e-tron車上使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是異步電機(jī)。每個(gè)電機(jī)的主要部件有：帶有3個(gè)呈120°布置銅繞組(U，V，W)的定子，轉(zhuǎn)子(鋁制籠型轉(zhuǎn)子)。轉(zhuǎn)子把轉(zhuǎn)動(dòng)傳入齒輪箱。為了能達(dá)到一個(gè)較高的功率密度，靜止不動(dòng)的定子與轉(zhuǎn)動(dòng)著的轉(zhuǎn)子之間的氣隙就得非常小。電機(jī)與齒輪箱合成一個(gè)車橋驅(qū)動(dòng)裝置。 車橋驅(qū)動(dòng)裝置有兩種不同類型，其區(qū)別體現(xiàn)在電機(jī)相對于車橋的布置上。前橋上采用平行軸式電機(jī) (APA 250)來驅(qū)動(dòng)車輪，后橋則采用同軸式電機(jī)(AKA 320)來驅(qū)動(dòng)車輪。前橋和后橋上每個(gè)交流驅(qū)動(dòng)裝置都有一根等電位線連著車身。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)(圖4)由冷卻液接口、帶密封件的交流電連接、定子水套、帶兩個(gè)極對的定子、轉(zhuǎn)子、基于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置傳感器和電機(jī)溫度傳感器組成。圖5為前橋電驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。

圖4 前橋電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖5 前橋電驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)

3.驅(qū)動(dòng)電機(jī)功能

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程如圖6所示，定子是通過功率電子裝置來獲得交流電供給的。銅繞組內(nèi)的電流會(huì)在定子內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁通量(旋轉(zhuǎn)的磁場)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場會(huì)穿過定子。如圖7所示，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)要稍慢于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(這就是異步的意思)，這個(gè)差值我們稱之為轉(zhuǎn)差率(轉(zhuǎn)差率表示的是轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)磁場之間的轉(zhuǎn)速差，也叫滑差率)。于是就在轉(zhuǎn)子的鋁制籠內(nèi)感應(yīng)出一個(gè)電流，轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生的磁場會(huì)形成一個(gè)切向力，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，疊加的磁場就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。

圖6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程

圖7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理

4.電機(jī)扭矩//轉(zhuǎn)速建立

在電驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，功率電子裝置將高壓蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電(交流)，這個(gè)轉(zhuǎn)換是通過脈沖寬度調(diào)制來進(jìn)行的。轉(zhuǎn)速是通過改變頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)的，電驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)V662和V663的扭矩是通過改變單個(gè)脈沖寬度的接通時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)的(圖8、圖9)。如在一臺(tái)有2個(gè)極對的異步電機(jī)上要想達(dá)到1000r/min這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，需要使用33.34Hz的交流電。因受到異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率的限制，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)得要慢些。

圖8 頻率越高轉(zhuǎn)速就越高

圖9 PWM信號(hào)的接通時(shí)間越長扭矩就越大

二、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的行駛動(dòng)力學(xué)特性

1.起步特性

奧迪e-tron車上有兩種不同的起步特性：在“正?！毙旭偰Ｊ綍r(shí)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制力爭獲得一個(gè)均衡的行駛方式。如果在行駛擋S時(shí)同時(shí)踏下加速踏板和制動(dòng)踏板，那么功率表就會(huì)開始閃爍，這與ESC(電子穩(wěn)定控制系統(tǒng))此時(shí)是接通還是關(guān)閉無關(guān)。隨后動(dòng)力系統(tǒng)就會(huì)“處于預(yù)備狀態(tài)”，以便讓電機(jī)能更快地克服起步力矩。自動(dòng)變速器的那種蠕動(dòng)特性，在奧迪e-tron 上是沒有的。

2.坡路的起步

如果把奧迪e-tron 車上的起步輔助系統(tǒng)關(guān)閉了，其行駛特性如下：如果車輛停在坡路上且掛入了某個(gè)行駛擋，那么在松開制動(dòng)器后，車輛會(huì)溜車。如果溜車方向與所掛的行駛擋方向相反，那么ESC控制單元會(huì)把溜車車速限制為1km/h。如果溜車方向與所掛的行駛擋方向相同，就不會(huì)有制動(dòng)過程了。在接通了起步輔助系統(tǒng)的情況下，ESC會(huì)讓車輛保持不動(dòng)。

3.倒車

如果掛入R擋，那么功率電子裝置會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)電場，也就是轉(zhuǎn)動(dòng)磁場，于是電機(jī)就反轉(zhuǎn)。最高車速通過限制驅(qū)動(dòng)力矩而得到限制。車速信號(hào)是基于ESC(ABS控制單元J104)的。

4.電機(jī)用作驅(qū)動(dòng)電機(jī)

如果電機(jī)是作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)來使用，那么發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元J623會(huì)把驅(qū)動(dòng)請求發(fā)送至前橋和后橋的功率電子裝置上。功率電子裝置會(huì)把所需要的電壓以交流電壓的形式提供給電機(jī)使用。后部交流驅(qū)動(dòng)裝置VX90效率更高，在能量回收以及在驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)，是起主要作用的。

5.電機(jī)用作發(fā)電機(jī)

要想在車輛行駛中讓電機(jī)產(chǎn)生充電電流，那么在減速超速和制動(dòng)過程中，是把電機(jī)當(dāng)做發(fā)電機(jī)來使用的。在減速超速工況時(shí)，功率電子裝置會(huì)讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快于定子磁場(負(fù)轉(zhuǎn)差率)。于是就在定子內(nèi)感應(yīng)出一個(gè)交流電壓，功率電子裝置利用該電壓形成高壓蓄電池的充電電流。

6.慣性滑行模式(空載模式)時(shí)的電機(jī)

要想切換到慣性滑行模式，前、后電機(jī)扭矩會(huì)被調(diào)節(jié)至0，以抵消摩擦損失。

三、驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)

1.前后橋電機(jī)冷卻

奧迪e-tron電機(jī)冷卻系統(tǒng)采用了熱泵技術(shù)，熱泵系統(tǒng)包含車內(nèi)空調(diào)和熱交換系統(tǒng)、壓縮機(jī)、冷卻裝置(chiller)和動(dòng)力電機(jī)廢熱回收裝置。如圖10所示，前橋和后橋上的電驅(qū)裝置通過低溫循環(huán)管路水冷，定子和轉(zhuǎn)子上都有冷卻液流過。尤其是附帶的轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻，在持續(xù)功率輸出和峰值功率方面具有重要意義。在前橋上，功率電子控制器和電機(jī)彼此串聯(lián)在冷卻環(huán)路中。冷卻液首先流經(jīng)功率電子控制器，然后流經(jīng)前橋電機(jī)內(nèi)部的“水槍”對轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻，之后流經(jīng)定子水套返回循環(huán)管路中。在后橋上，冷卻液首先流經(jīng)功率電子控制器，隨后流經(jīng)定子冷卻水套之后流經(jīng)轉(zhuǎn)子內(nèi)的“水槍”，最后返回循環(huán)管路。

圖10 前橋和后橋電機(jī)冷卻系統(tǒng)

審核編輯 ：李倩