隨著E-tron S車(chē)型的推出，Audi公司成為首家將配備有三電機(jī)和電動(dòng)扭矩矢量控制技術(shù)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)投入批量生產(chǎn)的大型制造商。后驅(qū)動(dòng)雙同軸電機(jī)是對(duì)E-tron系列電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的完善，并且能向車(chē)輛垂直軸施加巨大的偏航力矩。
E-tron S系列車(chē)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(chē)型推出以來(lái)，提高其效率和續(xù)航里程的重要措施，并重點(diǎn)介紹了Etron S車(chē)型的新型雙同軸電機(jī)及扭矩矢量功能。
2019年底，Audi公司對(duì)E-tron系列的所有車(chē)型進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，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(chē)測(cè)試規(guī)程(WLTP)工況測(cè)試)。
圖1 提高E-tron系列續(xù)航里程的措施
研究人員將電池SOC 從88%提升到91%，并通過(guò)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(zhǎng)了系統(tǒng)使用壽命。
當(dāng)車(chē)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(huì)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(chē)輛效率。該措施可以通過(guò)優(yōu)化電力電子功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，重新連接電機(jī)時(shí)不會(huì)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(pán)清潔功能也可以提高整車(chē)?yán)m(xù)航里程。研究人員通過(guò)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(chē)型相比，E-tron運(yùn)動(dòng)型多功能汽車(chē)(SUV)的續(xù)航里程增加約25 km。
Sportback車(chē)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10 km。
Audi公司旗下的研究人員針對(duì)E-tron系列車(chē)型開(kāi)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(chē)輛安裝空間，研究人員通過(guò)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(zhǎng)度不同(分別為120 mm 和210 mm)。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 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
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Gy?r的發(fā)動(dòng)
機(jī)工廠制造，這是首個(gè)用于量產(chǎn)車(chē)輛的雙同軸電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
研究人員針對(duì)MLBevo平臺(tái)雙同軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求，對(duì)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(kāi)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(chē)架的4個(gè)點(diǎn)上，無(wú)須附加零件，并通過(guò)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 E-tron系列的后驅(qū)動(dòng)雙同軸電機(jī)安裝情況
這2臺(tái)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。該車(chē)型的定子與E-tron 55車(chē)型的定子相同，研究人員對(duì)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。
研究人員將其沿車(chē)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(guò)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。
圖3 ATA250雙同軸電機(jī)
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(guò)。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(chē)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 ATA250雙同軸電機(jī)分解圖
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(chē)型開(kāi)發(fā)了1款基礎(chǔ)電力電子裝置，這是開(kāi)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(wú)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(xiāo)槽和壓力補(bǔ)償元件(圖5)。
圖5 針對(duì)電力電子裝置可變安裝位置的DC接口靈活設(shè)計(jì)
就雙同軸電機(jī)的特殊要求而言，以ASIL-D 安全等級(jí)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)。
與其他E-tron車(chē)型所采用的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，Audi E-tron S車(chē)型所用的雙同軸電機(jī)無(wú)須配備差速
器，并可通過(guò)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(guò)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)。
這2個(gè)變速器對(duì)稱(chēng)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(guò)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。
圖6 ATA250雙同軸電機(jī)的軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
良好的冷卻對(duì)電機(jī)的功率密度至關(guān)重要。由于安裝空間和質(zhì)量對(duì)整車(chē)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(guò)大量仿真計(jì)算，研究人員為Audi E-tron車(chē)用電機(jī)開(kāi)發(fā)了1種先進(jìn)的冷卻方案。在共軛傳熱(CHT)仿真過(guò)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(tái)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)。除了良好的散熱以外，雙同軸電機(jī)的開(kāi)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(zhǎng)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(guò)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(wú)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(guò)軸承座上的特殊冷卻元件產(chǎn)生定向氣流，從而可對(duì)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(xiàn)圈體具有良好的對(duì)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)。
圖7 雙同軸電機(jī)冷卻原理
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)。冷卻液從收集器流入轉(zhuǎn)子，通過(guò)噴口使冷卻液流入轉(zhuǎn)子深處。當(dāng)流體進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中時(shí)，會(huì)因剪切作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，然后通過(guò)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(kāi)電機(jī)之前會(huì)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(duì)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13 500 r/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8 轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻回路
圖9 雙同軸電機(jī)溫度分布的CHT仿真
圖10示出了Audi E-tron S車(chē)用電機(jī)的功率和扭矩曲線(xiàn)。
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(xiàn)考慮在內(nèi)。
得益于異步電機(jī)出色的過(guò)載能力和高效的冷卻系統(tǒng)，2個(gè)轉(zhuǎn)軸上都可儲(chǔ)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11示出了E-tron S車(chē)用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。
系統(tǒng)峰值功率(60 s)輸出過(guò)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(10 s)為370 kW，在寬廣的車(chē)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800~1 000 N·m(eTV 提升模式)的高水平條件下(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30 min后，仍能提供2個(gè)70 kW(后驅(qū)動(dòng))和95 kW(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(huì)出現(xiàn)電機(jī)過(guò)熱和功率降低的現(xiàn)象。
圖10 峰值性能獲得提升的電機(jī)前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率和扭矩曲線(xiàn)
圖11 E-tron S車(chē)用電驅(qū)動(dòng)綜合功率與綜合扭矩
E-tron S車(chē)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為能量回收這一領(lǐng)域樹(shù)立了新標(biāo)準(zhǔn)。與E-tron基礎(chǔ)車(chē)型相比，由于E-tron S車(chē)型采用了三電機(jī)設(shè)計(jì)方案，其回收功率從220 kW提高到了270 kW。
三電機(jī)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的快速響應(yīng)能力有利于實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的最佳扭矩分配。
車(chē)輛能在數(shù)毫秒內(nèi)對(duì)輪胎摩擦變化作出響應(yīng)。
與AudiE-tron 55車(chē)型相比，E-tron S車(chē)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-tron S車(chē)型對(duì)油門(mén)踏板變化的響應(yīng)都會(huì)更快。
同時(shí)，研究人員可使該車(chē)型在任何速度范圍內(nèi)都能對(duì)高驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行有效計(jì)算。
自2019年底車(chē)型更新以來(lái)，所有E-tron系列車(chē)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(guò)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(guò)程對(duì)駕駛員的主觀感受并不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。
10 電動(dòng)全驅(qū)動(dòng)與eTV
除了具有E-tron 55的全可變縱向扭矩分配功能以外，E-tron S車(chē)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(wú)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(duì)左右扭矩的分配過(guò)程，最大可分配高達(dá)2 100 N·m的差動(dòng)扭矩。由此會(huì)在車(chē)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)3 000 N·m的差動(dòng)扭矩。與傳統(tǒng)差速器相比，該系統(tǒng)可以帶來(lái)全新的扭矩分配自由度，但同時(shí)也對(duì)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(duì)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-tron S車(chē)型的動(dòng)力學(xué)功能和軟件體系均以Etron 55車(chē)型為基礎(chǔ)，車(chē)輪選擇性的扭矩控制(通過(guò)制動(dòng)干預(yù))已集成在電動(dòng)扭矩分配過(guò)程中。
E-tron S車(chē)型還將eTV集成到了電子底盤(pán)平臺(tái)(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。
為了進(jìn)一步開(kāi)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-tron S車(chē)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。
