奧迪e-tron純電動汽車的動力總成解析(上)

◆文/山東 劉春暉

一、驅動電機結構

1.驅動電機的相關參數

如圖1所示，奧迪e-tron電動車平臺和傳統內燃機車平臺是有所不同的，兩臺異步電機分別位于前后軸，電池位于車身的中間，布局在車底位置。位于前軸的電機(圖2)最大功率是125kW，boost模式下能夠達到135kW。位于后軸的電機(圖3)最大功率140kW，在boost模式可以爆發165kW。多數時間下，e-tron都只靠后軸的電機驅動，需要時轉化為四驅模式。這兩臺電動機，最大功率合計為265kW，峰值扭矩561N·m，0-100km/h加速時間為6.6s，要是增壓boost模式下，0-100km/h加速時間可以達到5.7s。奧迪e-tron配備了95kW時的鋰離子電池，電池單次充電可以行駛400km。

圖1 奧迪e-tron異步電機的安裝位置

圖2 位于前軸的電機

圖3 位于后軸的電機

動力電機內部集成減速齒輪組，減小尺寸。同時電機上部集成電機驅動功率逆變器。進一步簡化高壓布線，使得純電總成更緊湊。電驅動橋既保證了高功率密度，又能夠很好地適應后軸空間嚴苛的要求。更高的功率密度需要更好的電機熱管理系統。奧迪e-tron引入了高效的前后軸電驅動橋電機電控水冷系統。前橋電驅動裝置采用的APA 250平行軸式異步電機相關參數見表1，后橋電驅動裝置采用的AKA 320同軸式異步電機相關參數見表2。

表1 APA 250平行軸式異步電機技術數據

表2 AKA 320同軸式異步電機技術數據

2.驅動電機的結構

奧迪e-tron車上使用的驅動電機是異步電機。每個電機的主要部件有：帶有3個呈120°布置銅繞組(U，V，W)的定子，轉子(鋁制籠型轉子)。轉子把轉動傳入齒輪箱。為了能達到一個較高的功率密度，靜止不動的定子與轉動著的轉子之間的氣隙就得非常小。電機與齒輪箱合成一個車橋驅動裝置。

車橋驅動裝置有兩種不同類型，其區別體現在電機相對于車橋的布置上。前橋上采用平行軸式電機 (APA 250)來驅動車輪，后橋則采用同軸式電機(AKA 320)來驅動車輪。前橋和后橋上每個交流驅動裝置都有一根等電位線連著車身。

驅動電機(圖4)由冷卻液接口、帶密封件的交流電連接、定子水套、帶兩個極對的定子、轉子、基于旋轉變壓器的轉子位置傳感器和電機溫度傳感器組成。圖5為前橋電驅動電機定子和轉子的結構。

圖4 前橋電驅動電機的結構

圖5 前橋電驅動電機定子和轉子的結構

3.驅動電機功能

驅動電機的轉動過程如圖6所示，定子是通過功率電子裝置來獲得交流電供給的。銅繞組內的電流會在定子內產生旋轉的磁通量(旋轉的磁場)，這個旋轉磁場會穿過定子。如圖7所示，異步電機轉子的轉動要稍慢于定子的轉動磁場(這就是異步的意思)，這個差值我們稱之為轉差率(轉差率表示的是轉子和定子內磁場之間的轉速差，也叫滑差率)。于是就在轉子的鋁制籠內感應出一個電流，轉子內產生的磁場會形成一個切向力，使得轉子轉動，疊加的磁場就產生了轉矩。

圖6 驅動電機的轉動過程

圖7 驅動電機的轉動機理

4.電機扭矩//轉速建立

在電驅動模式時，功率電子裝置將高壓蓄電池的直流電轉換成三相交流電(交流)，這個轉換是通過脈沖寬度調制來進行的。轉速是通過改變頻率進行調節的，電驅動裝置電機V662和V663的扭矩是通過改變單個脈沖寬度的接通時間進行調節的(圖8、圖9)。如在一臺有2個極對的異步電機上要想達到1000r/min這個旋轉磁場轉速，需要使用33.34Hz的交流電。因受到異步電機轉差率的限制，所以轉子轉得要慢些。

圖8 頻率越高轉速就越高

圖9 PWM信號的接通時間越長扭矩就越大

二、驅動電動汽車的行駛動力學特性

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，整個驅動控制力爭獲得一個均衡的行駛方式。如果在行駛擋S時同時踏下加速踏板和制動踏板，那么功率表就會開始閃爍，這與ESC(電子穩定控制系統)此時是接通還是關閉無關。隨后動力系統就會“處于預備狀態”，以便讓電機能更快地克服起步力矩。自動變速器的那種蠕動特性，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關閉了，其行駛特性如下：如果車輛停在坡路上且掛入了某個行駛擋，那么在松開制動器后，車輛會溜車。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，就不會有制動過程了。在接通了起步輔助系統的情況下，ESC會讓車輛保持不動。

3.倒車

如果掛入R擋，那么功率電子裝置會轉動電場，也就是轉動磁場，于是電機就反轉。最高車速通過限制驅動力矩而得到限制。車速信號是基于ESC(ABS控制單元J104)的。

4.電機用作驅動電機

如果電機是作為驅動電機來使用，那么發動機控制單元J623會把驅動請求發送至前橋和后橋的功率電子裝置上。功率電子裝置會把所需要的電壓以交流電壓的形式提供給電機使用。后部交流驅動裝置VX90效率更高，在能量回收以及在驅動車輛時，是起主要作用的。

5.電機用作發電機

要想在車輛行駛中讓電機產生充電電流，那么在減速超速和制動過程中，是把電機當做發電機來使用的。在減速超速工況時，功率電子裝置會讓轉子轉速快于定子磁場(負轉差率)。于是就在定子內感應出一個交流電壓，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)時的電機

要想切換到慣性滑行模式，前、后電機扭矩會被調節至0，以抵消摩擦損失。

三、驅動電機冷卻系統

1.前后橋電機冷卻

奧迪e-tron電機冷卻系統采用了熱泵技術，熱泵系統包含車內空調和熱交換系統、壓縮機、冷卻裝置(chiller)和動力電機廢熱回收裝置。如圖10所示，前橋和后橋上的電驅裝置通過低溫循環管路水冷，定子和轉子上都有冷卻液流過。尤其是附帶的轉子內部冷卻，在持續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彼此串聯在冷卻環路中。冷卻液首先流經功率電子控制器，然后流經前橋電機內部的“水槍”對轉子內部冷卻，之后流經定子水套返回循環管路中。在后橋上，冷卻液首先流經功率電子控制器，隨后流經定子冷卻水套之后流經轉子內的“水槍”，最后返回循環管路。

圖10 前橋和后橋電機冷卻系統

(未完待續)