奥迪e-tron纯电动汽车的动力总成解析

本文作者：刘春晖 高级工程师/副教授，现任山东华宇工学院机械工程学院汽车服务工程教研室主任，有多年的一线汽车电气系统、电子控制系统维修工作经验。现从事汽车类专业学生专业课的教学工作。在各级汽车维修类杂志上公开发表论文30篇，出版汽车维修类图书23部。

一、驱动电机结构

1.1 驱动电机的相关参数

如图1所示，奥迪e-tron电动车平台和传统内燃机车平台是有所不同的，两台异步电机分别位于前后轴，电池位于车身的中间，布局在车底位置。

位于前轴的电机(图2)最大功率是125kW，boost模式下能够达到135kW。

位于后轴的电机(图3)最大功率140kW，在boost模式可以爆发165kW。多数时间下，e-tron都只靠后轴的电机驱动，需要时转化为四驱模式。

这两台电动机，最大功率合计为265kW，峰值扭矩561N·m，0-100km/h加速时间为6.6s，要是增压boost模式下，0-100km/h加速时间可以达到5.7s。奥迪e-tron配备了95kW时的锂离子电池，电池单次充电可以行驶400km。

动力电机内部集成减速齿轮组，减小尺寸。同时电机上部集成电机驱动功率逆变器。进一步简化高压布线，使得纯电总成更紧凑。电驱动桥既保证了高功率密度，又能够很好地适应后轴空间严苛的要求。

更高的功率密度需要更好的电机热管理系统。奥迪e-tron引入了高效的前后轴电驱动桥电机电控水冷系统。前桥电驱动装置采用的APA 250平行轴式异步电机相关参数见表1，后桥电驱动装置采用的AKA 320同轴式异步电机相关参数见表2。

1.2 驱动电机的结构

奥迪e-tron车上使用的驱动电机是异步电机。每个电机的主要部件有：带有3个呈120°布置铜绕组(U，V，W)的定子，转子(铝制笼型转子)。转子把转动传入齿轮箱。为了能达到一个较高的功率密度，静止不动的定子与转动着的转子之间的气隙就得非常小。电机与齿轮箱合成一个车桥驱动装置。

车桥驱动装置有两种不同类型，其区别体现在电机相对于车桥的布置上。前桥上采用平行轴式电机 (APA 250)来驱动车轮，后桥则采用同轴式电机(AKA 320)来驱动车轮。前桥和后桥上每个交流驱动装置都有一根等电位线连着车身。

驱动电机(图4)由冷却液接口、带密封件的交流电连接、定子水套、带两个极对的定子、转子、基于旋转变压器的转子位置传感器和电机温度传感器组成。

图5为前桥电驱动电机定子和转子的结构

1.3 驱动电机功能

图6 驱动电机的转动过程

驱动电机的转动过程如图6所示，定子是通过功率电子装置来获得交流电供给的。铜绕组内的电流会在定子内产生旋转的磁通量(旋转的磁场)，这个旋转磁场会穿过定子。

图7 驱动电机的转动机理

如图7所示，异步电机转子的转动要稍慢于定子的转动磁场(这就是异步的意思)，这个差值我们称之为转差率(转差率表示的是转子和定子内磁场之间的转速差，也叫滑差率)。于是就在转子的铝制笼内感应出一个电流，转子内产生的磁场会形成一个切向力，使得转子转动，叠加的磁场就产生了转矩。

1.4 电机扭矩/转速建立

在电驱动模式时，功率电子装置将高压蓄电池的直流电转换成三相交流电(交流)，这个转换是通过脉冲宽度调制来进行的。

图9 PWM信号的接通时间越长扭矩就越大

转速是通过改变频率进行调节的，电驱动装置电机V662和V663的扭矩是通过改变单个脉冲宽度的接通时间进行调节的(图8、图9)。如在一台有2个极对的异步电机上要想达到1000r/min这个旋转磁场转速，需要使用33.34Hz的交流电。因受到异步电机转差率的限制，所以转子转得要慢些。

二、驱动电动汽车的行驶动力学特性

2.1 起步特性

奥迪e-tron车上有两种不同的起步特性：在“正常”行驶模式时，整个驱动控制力争获得一个均衡的行驶方式。如果在行驶挡S时同时踏下加速踏板和制动踏板，那么功率表就会开始闪烁，这与ESC(电子稳定控制系统)此时是接通还是关闭无关。随后动力系统就会“处于预备状态”，以便让电机能更快地克服起步力矩。自动变速器的那种蠕动特性，在奥迪e-tron 上是没有的。

2.2 坡路的起步

如果把奥迪e-tron 车上的起步辅助系统关闭了，其行驶特性如下：如果车辆停在坡路上且挂入了某个行驶挡，那么在松开制动器后，车辆会溜车。如果溜车方向与所挂的行驶挡方向相反，那么ESC控制单元会把溜车车速限制为1km/h。如果溜车方向与所挂的行驶挡方向相同，就不会有制动过程了。在接通了起步辅助系统的情况下，ESC会让车辆保持不动。

2.3 倒车

如果挂入R挡，那么功率电子装置会转动电场，也就是转动磁场，于是电机就反转。最高车速通过限制驱动力矩而得到限制。车速信号是基于ESC(ABS控制单元J104)的。

2.4 电机用作驱动电机

如果电机是作为驱动电机来使用，那么发动机控制单元J623会把驱动请求发送至前桥和后桥的功率电子装置上。功率电子装置会把所需要的电压以交流电压的形式提供给电机使用。后部交流驱动装置VX90效率更高，在能量回收以及在驱动车辆时，是起主要作用的。

2.5 电机用作发电机

要想在车辆行驶中让电机产生充电电流，那么在减速超速和制动过程中，是把电机当做发电机来使用的。在减速超速工况时，功率电子装置会让转子转速快于定子磁场(负转差率)。于是就在定子内感应出一个交流电压，功率电子装置利用该电压形成高压蓄电池的充电电流。

2.6 惯性滑行模式(空载模式)时的电机

要想切换到惯性滑行模式，前、后电机扭矩会被调节至0，以抵消摩擦损失。

三、驱动电机冷却系统

3.1 前后桥电机冷却

奥迪e-tron电机冷却系统采用了热泵技术，热泵系统包含车内空调和热交换系统、压缩机、冷却装置(chiller)和动力电机废热回收装置。

如图10所示，前桥和后桥上的电驱装置通过低温循环管路水冷，定子和转子上都有冷却液流过。尤其是附带的转子内部冷却，在持续功率输出和峰值功率方面具有重要意义。在前桥上，功率电子控制器和电机彼此串联在冷却环路中。冷却液首先流经功率电子控制器，然后流经前桥电机内部的“水枪”对转子内部冷却，之后流经定子水套返回循环管路中。在后桥上，冷却液首先流经功率电子控制器，随后流经定子冷却水套之后流经转子内的“水枪”，最后返回循环管路。

3.2 电机的端面密封

由于对转子轴内性能要求的原因，电机是通过转子内部冷却系统用冷却液来冷却的。要想不让电机内冷却液去往定子，就采用端面密封来让旋转着的转子轴与不动的壳体实现密封。这种端面密封属于轴向密封，与径向轴密封圈相比，能承受更高的转速。受结构所限，前部电机采用一个端面密封，后部电机采用两个端面密封。

要想实现端面密封的功能，转动环之间的密封间隙必须要冷却和润滑。为了能在所有工作条件下都保证这个状态，密封转动环在制造时采用了激光结构。这种激光结构还能把冷却液压回入转子轴，但是无法阻止非常小的泄漏。漏出的冷却液被收集到一个储液罐内，储液罐是用螺栓拧在电机内的。在前桥上，转换器盖有个隆起，冷却液被收集到这个隆起内，此处还有一个排放螺塞。

电机的端面密封用于实现旋转的转子轴与不动的壳体之间的密封，前部电机采用一个端面密封(图11)，后部电机采用两个端面密封(图12)。

端面密封需要有技术性泄漏，相关部位设置有排液螺栓和储液罐(图13)所采用的激光结构会把大量冷却液送回电机，漏出的冷却液被收集到专门的空间内(前桥)或者储液罐内(后桥)，这些冷却液在进行保养周期检查时需要排空，当前的维修手册中没有规定更换这些密封件(图14)。

注意：由于是采用特殊的方法生产的，因此只能是同一面密封的两个件相匹配，互换是不行的。为防止端面密封损坏，只可在制冷剂循环管路内注满冷却液的情况下让车辆移动。端面密封在无冷却液时运行会造成其损坏。

四、电驱动控制单元

电驱动控制单元 (功率电子装置) 的作用是为驱动电机提供所需的交流电流。每个电驱动装置上都安装有一个功率电子装置，前桥电驱动控制单元是J1234，后桥电驱动控制单元是J1235。这两个控制单元的诊断地址是0051和00CE。

如图15所示，奥迪e-tron电动SUV的电机驱动功率逆变器由上盖、控制电子装置、12V接口、高压直流电接口、通向定子绕组的交流电接口、壳体和密封件组成。奥迪e-tron电动SUV高压功率电子控制器通过密封件和交流接口与驱动电机连接。

4.1 功能

如图16所示，电驱动控制单元，也就是功率电子控制器的主要作用是为驱动电机提供所需的交流电。每个电驱动桥都安装有一个功率电子控制器。它将来自高压蓄电池的直流电在功率电子控制器内部利用6个IGBT半导体开关模块组成三相开关电路转化为交流电。这个转换是通过脉冲宽度调制来进行的。驱动电机的扭矩和转速建立分别通过改变脉冲宽度和频率来进行调节。PWM信号的脉冲宽度导通时间越长则扭矩越大，频率越高则转速越高。高压功率电子控制器冷却通过低温冷却管路来进行。

4.2 冷却

功率电子装置连接在前桥和后桥上低温冷却循环管路上。这样能对功率电子装置内部的各部件起到良好的冷却作用。

4.3 售后服务

功率电子装置在损坏时只能整体更换。在功率电子装置的测量数值中，可以读出车桥的所有测量值，比如温度、功率、扭矩等。

五、驱动电机相关传感器

5.1 电机温度传感器

如图17所示，每个电机上有两个不同的温度传感器。在前桥电机上是前部交流驱动装置冷却液温度传感器G1110和前部驱动电机温度传感器G1093。

前部交流驱动装置冷却液温度传感器G1110用于监控流入的冷却液的温度。前部驱动电机温度传感器G1093用于测量定子温度，为了测量精确，G1093是集成在定子绕组上的且采用冗余设计。就是说，尽管只需要1个传感器，但是在定子绕组上集成了2个传感器。一旦第一个定子温度传感器损坏了，那么另一个传感器仍可执行温度监控功能。只有当2个传感器都失效时，才应该更换电机。如果这2个传感器之一损坏了，不会有故障记录。只有前部驱动电机温度传感器G1093会显示在测量值中。

后桥上的结构与此相同。定子内有后部驱动电机温度传感器G1096，冷却液温度由后部交流驱动装置冷却液温度传感器G1111来测量。

5.2 电机转子位置传感器G159

电机转子位置传感器G159(图18)是根据坐标转换原理来工作的，可以侦测到转子轴最小的位置变化。该传感器由两部分构成：坐标转换器盖上的不动的传感器和安装在转子轴上的靶轮。功率电子装置根据转子位置信号，计算出控制异步电机所需的转速信号，异步电机上不需要监控转子位置。转子每转的传感器信号有4个脉冲，可对电机的工作进行精确操控。转子位置传感器可更换。

六、检查与维护

6.1 端面密封检查

更换总成时要小心(总成在交货时是干态的)，如果在到达30 000km这个保养周期前，泄漏储液罐满了或者溢出了，那会对电机内部造成损坏(与绝缘检测器或者红色的冷却系统警告灯一起)。对于冷却系统，务必注意排气步骤。

6.2 牵引车辆注意

如果红色的冷却系统警报灯没亮起，可以不超过50km/h的车速来牵引车辆，最大牵引距离不超过50km；在未加注冷却液的情况下，只允许以不超过7km/h的车速来移动车辆，最大引动距离不得超过700m。

6.3 电机搭铁环的检查

如图19所示，电机搭铁环是转子轴和壳体之间的接触件，搭铁环的电阻比轴承电阻小，转子轴上产生的电压由流经搭铁环的电流来消除，如果没有搭铁环，这个电流就会流经轴承，长久这样会损坏轴承。搭铁环是压入到电机壳体内的，薄片可自动进行调整，以便补偿磨损。搭铁环的左、右侧都有织物片，用于防止脏污进入或碎屑排出。