本文是大众汽车公司对其新的模块化电子驱动套件(MEB)的第一篇专业介绍。传递出的信息是:大众汽车正在承诺把巨大的精力投入到为广大人口实现交通电气化的事业之中。大众也指出模块化的电气化套件(MEB)作为即将到来的电动化攻势的商业技术支柱。到2022年底,集团旗下27款MEB车型将在全球启动生产。根据大众的“E路线图”,该公司计划到2025年生产80多款电动汽车,其中约50款将是全电动汽车。因此,MEB是大众集团内部电动汽车产业化的基础。
该ID.将标志着世界上第一个基于模块化电气化工具包(MEB)的模型的首次亮相,这是一个专门为全电动汽车开发的技术平台(图2)。电动驱动系统的组件和电池包是精确地系统互连。高压电池位于车轴之间的中心。它是可扩展的,适应不同的电池类型,并配备了集成的液体冷却。因此,比较容易集成到ID.模型的各种功率输出中。根据电池大小和ID.型号,范围约为可达到330公里至550公里以上。一个充电功率高达11kW交流充电器集成在车辆。采用CCS(联合充电系统)装置可实现高达125kW的直流充电。基本上可以在平台上安装两个电动驱动系统,通过MEB的可伸缩部件实现驱动一个轴或两个轴。
图2 MEB车型平台
ID.的零排放驱动系统主要由与后轴相结合的电机组成,包括功率逆变器和单速变速器、安装在车底的高压电池和位于车前端的辅助部件,以节约空间。紧凑的驱动系统由电机、电源逆变器和单速变速器组成。它的行驶里程和现在的汽油车差不多,价格和柴油车一样,ID.也有潜力促进环保电动交通的发展,并开始一个电力驱动系统新时代。
二、高压电池系统介绍
对于MEB,大众汽车开发了高性能锂离子高压电池,在一定操作习惯和工作温度条件下,保证了高实用性和长使用寿命。它提供了一个在宽的温度波段和充电范围的状态可重复的高功率输出的电子驱动器。在短充电时间,高水平的连续电流容量,充电功率高达125kW。可伸缩的电池容量确保了可提供不同的ID.车型家族,从330公里到超过550公里(根据WLTP)范围的续驶里程。
高压电池由并联和串接的模块组成,这些模块又由单独的电池单元组成。由于采用模块化设计,高压电池中的电池单元数量可以变化。这使得不同的能量含量和缩放的高压电池能适应不同的汽车概念和客户的要求。强大的热管理具有直接冷却系统能确保即使在高负荷或低温情况下高压电池依然能运行在其25至35℃的最佳温度范围。电流、电压和温度通过单元模块控制器和主控制单元进行监控。
三、充电技术
图3 MEB车辆的充电选项
可选的CCS充电端口可以显著缩短充电时间。它结合了一个2型插头和两个额外的电源接点进行直流充电(图3)。通过CCS充电端口,高压电池可以使用高达125kW的电源进行充电。30分钟内可以充满其80%的电量。从长远来看,MEB也为感应充电做好了准备,这既不需要电缆也不需要插头。车辆简单地停在一个所谓的充电板上,通过这个充电板充电。
图4 MEB的后驱系统
4.1 PSM/ASM工作原理
永磁同步电机的工作原理
定子三相铜绕组中的电流产生旋转磁通(旋转磁场)。转子内的励磁磁场由永磁体无损耗地产生,并穿透定子。这会产生了一个切向力,其中转子和定子的旋转场以相同的转速(同步)旋转(图5,左)。
图5 PSM(左)和ASM(右)的基本结构
4.2 逆变器(PI)
图6 功率逆变器(PI)结构
PI内部其他重要组件包括:直流输入的滤波组件,直流母线电容器,三相母线铜排和液冷冷却单元。
PI的模块化设计适用于大批量工业化生产。从通过模块载体的电源模块到电源和控制器模块,创建了一个模块化系统,该系统提供了一个基础,在此基础上,下一代电子驱动项目可以实现较小的修改就可以完成。此外,电力电子产品的全自动生产确保了即使在大规模生产中结构和功能的质量稳定。为调节电机电流值而导入和处理传感器数据是一个高度动态的过程。其结果是最佳的功率利用,特别是在动态工作点。一些车辆功能,如减振和滑动控制功能,被直接集成到电力电子系统中。因此,可以实现没有延迟的总线通信。这种设计的优点是在开发过程中有更多直接的适应选项,以满足特定车辆驾驶行为的需求。
在MEB平台中,DC/DC转换器没有集成到PI中,而是作为一个单独的液冷组件设计的。DC/DC可以灵活安装到车辆其他地方,并有两个功率等级可供选择,它们分别为1.8 kW和3.0 kW。
4.3 PSM后桥驱动
4.3.1定子结构
图8 定子线圈组件
4.3.2 转子结构
图9 转子的爆炸图
4.3.3 带温度传感器的旋转变压器
图10 PSM b侧轴承屏蔽上的组件
电驱动系统是液体冷却的。冷却液流入电子驱动器首先通过电源逆变器运行,因为半导体规定了允许的最大冷却液温度。流过PI后,冷却剂通过密封管塞元件进入电机外壳的冷却水套。热量主要是由定子铜绕组的电阻损耗产生的,通过绕组绝缘层和叠片到达机壳中的冷却水套。冷却介质通过经过优化的周向冷却通道进入定子,并在冷却水道的末端通过冷却连接软管进入车辆的外部冷却回路(图11)。
图11 冷却液流经PI和定子
紧凑的MEB电子驱动器为大众的ID.汽车家族提供了一个卓越的驱动性能。平行轴MEB后驱动桥,永磁同步电机集成PI和单速减速器,提供了150 kW的峰值功率和310 Nm的最大扭矩。电机的最大转速为16000 rpm(图12)。
同轴MEB前轴驱动桥作为四轮驱动辅驱,是一种集成PI和单挡减速器的异步电机。它提供了一个峰值功率75 kW和最大扭矩151 Nm。这台电机的最大转速为14000 rpm。
电子驱动器的设计是基于对不同驾驶周期的电机特性map图中能量转化的详细评估。在设计磁路时,我们特别注意城市驾驶循环的工作点,以确保电子驱动器在这些情况下高效运行。在大量的现实工况中,效率远高于90%(见图12、图13)。
图13 PSM满载图
4.3.6 MEB后驱动桥与e-Golf 驱动桥的比较
*重量为PI、电机、减速器三者的总重
大众MEB的动力系统是一个模块化构建工具包的一部分,其组件可形成各种不同的电子动力系统配置,以配置各种规格的电动汽车。
MEB的平行轴后轴驱动系统包括一台高效的永磁同步电机、一个摩擦优化的单速变速器和一个紧固在电机上的高度紧凑的功率逆变器。与高压锂离子电池相结合,大众ID型车的电子驱动最大扭矩为310 Nm,最大功率为150 kW。对于四轮驱动的应用,有一个额外的同轴电驱动桥可用于前轴。它是由一个创新的异步电机,搭配低摩擦单挡减速器,同时集成了控制器组成的。
电气化动力系统的MEB代表了大众汽车新车模块化方法的系统延续。由于系统开发的高容量,开发和组件成本可以大大降低。这是降低汽车成本,从而增加电动汽车的市场渗透的必要先决条件。
它的续驶里程和现在的汽油车差不多,价格和柴油车一样,ID.也有潜力促进环保电动交通的发展,并开始一个电力驱动系统新时代。
参考文献
[1] Volkswagen Newsroom, E-mobility, 17.09.2018 MEB architecture https://www.volkswagen-newsroom.com/en/id-workshop-electric-for-all-4193/mebarchitecture-4196
[2] Volkswagen Newsroom, Volkswagen Group News, 11.09.2017 The Volkswagen Group launches the most comprehensive electrification initiative in the automotive industry with "Roadmap E" https://www.volkswagen-newsroom.com/en/press-releases/the-volkswagen-grouplaunches-the-most-comprehensive-electrification-initiative-in-the-automotiveindustry-with-roadmap-e-1242
[3] F. Eichler, K. Bennewitz, C. Helbing, P. Lück, et.al. Volkswagen Electrifies the New Golf 38th Vienna Motor Symposium, Vienna, 2017
[4] P. Lück, G. Kruse, J. Tousen, et.al. The electric powertrain matrix from VolkswagenMTZ - Motortechnische Zeitschrift, Issue 2/2014, 2014
[5] P. Lück, J. Tousen, et. al. Elektrische Antriebe für die Hybrid- und Elektrofahrzeuge von Volkswagen 9th MTZ Conference “The Powertrain of Tomorrow”, Wolfsburg, 2014
全文完~