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大众ID家族的最新款电驱动系统APP550技术介绍

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本文摘要(由AI生成):

大众汽车公司致力于实现《巴黎协定》和欧盟《欧洲绿色协议》的目标,通过MEB平台提供电动汽车,计划到2028年将有高达1500万辆电动汽车基于MEB,到2030年纯电动汽车在欧洲的销售占比应达到70%。MEB平台的最新发展是“性能”驱动,将用于对高性能有要求的车款。ID.家族中的首款车型是ID.3,采用后轮驱动(Base+),之后推出了ID.4、ID.5和ID.Buzz。ID.4和ID.5的GTX版本是目前全电动产品线中的旗舰运动型车型,在前轴(基础版)上增加了一个额外的电动机,为ID.家族带来了全轮驱动。

摘要

大众汽车公司已承诺实现《巴黎协定》和欧盟《欧洲绿色协议》的目标。长期目标是到2050年实现碳中和的平衡。为了实现这一目标,我们系统地关注电动出行。

电气攻势的技术和经济支柱是模块化电动驱动矩阵 (MEB)。这为尽可能多的人提供电动汽车提供了平台。到2028年,计划将有高达1500万辆电动汽车基于MEB,  到2030年,纯电动汽车在欧洲的销售占比应达到70%。

为了确保竞争力并满足客户愿望,我们不断为MEB平台及其组件开发创新。电动出行组合的多样化是这一发展的主要推动力。MEB平台的最新发展是“性能”驱动,它将用于对高性能有要求的车款。

1.我们的MEB产品组合

我们大众ID.家族中的首款车型是ID.3,   这款车于2020年首次亮相,作为首款基于模块化电动驱动矩阵 (MEB) 的纯电动汽车,采用了后轮驱动 (Base+)。

作为我们ACCELERATE公司战略的一部分,我们设定了每年向市场推出一款BEV车型的目标。因此 ,ID.3 之后自然推出了ID.4 、ID.5 和ID.Buzz。

ID.4和ID.5的GTX版本是目前全电动产品线中的旗舰运动型车型。它们在前轴(基础版)上增 加了一个额外的电动机,为ID.家族带来了全轮驱动。

图1: ID.家族不断壮大

基于MEB的我们产品范围的进一步多样化将导致额外的运动型和更大的车型。因此,例如,我们将在2023年推出ID.7电动轿车。这将是第一个采用最新电动驱动发展阶段的“性能”驱动的车型。这个名字不仅代表电动驱动电机的高扭矩和高达560 Nm和210 kW的功率输出,还代表驱动的异常高效率,这使得在客户操作中具有长距离。对个别细节的仔细工作也确保了非常好的声学舒适性。凭借其低于100公斤的低重量和紧凑的尺寸,驱动器在充分利用后轴区域的安装空间方面发挥了最佳作用。

1.1 大众汽车公司的电动驱动器

集团范围内的MEB平台电驱动系统采用模块化组装矩阵系统设计,因此它们具有广泛的扩展性。这使我们能够满足客户日益多样化的需求,并应对全球市场的挑战。电驱动系统的范围从紧凑型永磁同步电机 (PSM)[2]延伸到后轴,该电机存在不同版本,再到前轴集成了异步电机(ASM) 的电四驱[3]。大众汽车的电驱动系统在扭矩输出、功率发展和噪音舒适度方面代表了当前技术水平,而它们出色的效率对于增加客户操作中的续航里程非常有益。

2.MEB 性能驱动 APP550

MEB平台在电动驱动范围方面的最新发展针对的是具有高功率需求的各种车辆概念。名为 “Performance”   的电动后轴驱动版本,其官方型号为APP550, 是一个具有高功率密度的紧凑型单元。该电动机的最大扭矩为560 Nm, 轴扭矩高达5,400 Nm, 电动功率高达210千瓦(见图2) 。

2:MEB Performance驱动器的全负载图  
这些数值尤其令人瞩目,考虑到驱动器的相对较轻的重量和紧凑的尺寸。

图3显示了轴级别上整个驱动器的效率图。驱动器在低负载范围、中负载范围以及高转速和高速时都表现得非常高效。这一点至关重要,因为这些负载范围在客户操作中经常被使用。

图3:MEB Performance驱动器的电动机转矩和速度效率图

2.1 性能驱动设计

新的性能驱动是基于已经用于系列生产的MEB后桥驱动[2]的进一步发展。它是一个由电气和机械部件组成的紧凑单元。驱动器的核心是一个三相永磁同步电机 (PSM),    具有145毫米的有效长度,220毫米的外径,四个极对和13,050转每分钟的最大转速。逆变器、定子、转子、解算器和两级单速齿轮箱与轴平行的输出集成到三部分外壳概念中(电机外壳、齿轮箱外壳、端盖,(见图4)。

该驱动器由大众集团零部件公司在卡塞尔工厂制造。与所有大众的电动驱动器一样,性能驱动器也是为全自动系列生产而开发的。这对于未来预期将大幅增加的MEB车型的经济效率至关重要。

图4: MEB Performance驱动器的分解视图
2.2 逆变器

PSM (永磁同步电机)的MEB (模块化电气架构)性能驱动的三相电流是由直接集成在电动机外壳中的逆变器产生的。其输出模块通过车辆冷却回路进行冷却,冷却液通过一个阶段冷却器流动。 (图5显示了逆变器的爆炸视图。)

三个极其高效的IGBT1输出模块在变频器内部连接成一个B6桥。这些模块采用可变时钟频率和速度依赖性激活进行操作,从而解决了效率、动态性和声学行为之间的目标冲突。对于在400V下运行且最大电流为830A的IGBT输出模块,使用经过验证的材料硅。

输出模块的温度通过铜制针状散热器进行控制,该散热器安装在通过冷却剂流动的冷却器阶段上。直流链电容器位于冷却器阶段的直接下方。当变频器安装并固定到位时,通过插入件和密封元件实现与电机的冷却回路连接。变频器中的其他组件包括用于直流输入的EMC2滤波单元以及电动驱动电机的交流接触用母线。

1 IGBT: 绝缘栅双极晶体管

2 EMC:  电磁兼容性

图5:逆变器的分解视图

除了其设计原则外,变频器中的功能还确保了Performance驱动器在非常高相电流的情况下具有高热可用性。除了振动减震和滑差控制功能外,还可以在整个操作范围内提高效率。通过巧妙地使用与速度相关的调制方法和可变时钟频率,实现了范围优势。

一些功能直接在逆变器中实现。这使得可以不通过总线通信进行无延迟干预。这反过来允许在开发过程中进行更直接的调整,并确保驾驶行为与所涉及的车辆完美匹配。

2.3 电动驱动电机

在开发性能驱动时,重点放在了电动驱动电机的关键组件上,即定子和转子。

2.3.1 定子

定子主要由叠片核心和三相形状线绕组组成(见图6)。叠片核心由单独堆叠的叠片组成,外径为220毫米。用于生产叠片的金属板具有高磁导率,并且特别薄,以便提高效率。

图 6 : MEB  性能驱动的定子

定子采用发夹法[2]制造。定子绕组的特殊绕组方案允许实现紧凑的定子设计,同时还可以最小化绝缘材料的使用。随后的浸渍改善了电性能,并增强了电线与叠片核心之间的热连接,同时也增加了绕组的机械强度。定子还经过几个自动化的测试程序,以确保组件质量的统一。在完成定子后,它将使用收缩配合法完全自动地插入端盖和冷却夹克单元。

2.3.2 转子

转子设计为圆柱形内转子。它包括内部油冷却的空心转子轴、嵌入塑料中的永久磁铁并呈V形排列的叠片核心、平衡垫圈以及用于检测转子位置的旋转变压器转子。

转轴设计为两件式空心轴,并配备内部纵向齿条以连接到变速箱输入轴。轴在端盖、电机外壳和变速箱外壳中采用三重轴承支撑,并配备摩擦优化的深沟球轴承。这种轴承布置有助于通过最小化机械损失来提高整个驱动系统的效率。

转子的叠片核心由四个堆叠的部分段组成,这些部分段在两端由两个平衡垫圈封闭(图7)。转子的叠片核心包括集成的磁铁,是通过自动化的过程预制的,并通过过盈配合方法连接到转子上。

组成转子的叠片式核心的叠片与定子的叠片使用相同的金属板材材料。叠片中的磁铁口袋在每个部分段之间排列不同,它们的角位置在每个情况下相差几度。通过轴和叠片式核心之间的榫槽连接,确定了叠片堆栈之间的确切位置。磁铁位置沿纵向轴的倾斜导致转子的保持力矩降低,从而提高了电动驱动电机的声学性能。

所使用的永磁体是由高品质的钕合金制成的。它们的特点是具有非常好的耐温性。此外,电动驱动电机的热管理系统确保在驱动器的工作范围内不会发生退磁现象。组装后,磁体通过一种创新的固定过程连接到叠片核心上,这使得机械稳定性提高,并改善了热连接。

图7:转子的爆炸视图
2.4 变速箱

两级单速变速箱将电动驱动电机的转速(最大13,050转/分)降低以驱动车轮。总体传动比通过一个两级直齿齿轮驱动来实现,该驱动通过一个上置(无油)中间轴,并且可以根据特定车辆进行调整(见图8)。与MEB模块化组装矩阵的前几代驱动相比,设计中的齿轮组和外壳能够相应地承受更大的负载。

该变速箱的传动比分别为7.915和9.809,可以满足所涉及ID.models的特定要求。它可以为运动型车辆以及具有商用车特性的较大车型进行尺寸设计。

电动驱动电机的可用扭矩为560 Nm, 轴扭矩为4,200 Nm或5,400 Nm, 具体取决于传动比。

图8: MEB高性能驱动器的两级单速变速箱

为了实现非常高的传动效率,齿轮箱中实施了各种措施。例如,不同的磨削工艺被结合在一起,以实现齿部组件的最佳损失行为。此外,在设计齿轮时,进一步优化了声学性能,结果表明,该性能驱动在噪音、振动和粗糙度 (NVH) 标准方面优于当前的系列生产版本。

作为一种进一步措施,驱动轴承组件主要实现为定位/非定位轴承布置以提高效率。只有差速器和轻型商用车辆版本中的中间轴轴承组件使用锥形滚子轴承预紧。

此外,变速箱和电动驱动电机共享一个轴轴承,这有助于减少摩擦。变速箱组件和内部转子冷却系统通过共同的终身填充方式供应低粘度油。

变速箱驻车锁被故意省略,当车辆静止时,驱动轴由电子激活的驻车制动器保持。

2.5 集成到驱动器中

主要开发重点是将所有组件集成到整体驱动系统中,特别是考虑到与安装空间和性能相关的需求。在这里,特别关注驱动器的热设计和其整体效率。

2.5.1 机械集成

定子通过过盈配合安装到端盖和冷却夹套单元中,该单元以圆柱形解决方案(图4)旋入电机外壳。这产生了一个封闭的水冷夹套,从外部冷却定子。

转子和端盖在输入侧 (A侧)支撑。相反一侧 (B 侧)的轴承位于电机外壳内。电动驱动电机与变频器之间的三相触点也位于高压盖下。用于检测转子位置的旋转变压器及其相关的用于确定绕组温度的传感器也位于高压空间内。

逆变器与电动驱动装置共同集成在一个联合外壳中。除了实现更低的重量外,这也减少了电动驱动装置内部的密封位置,并优化了其封装。这种集成还优化了逆变器与驱动装置之间的接口以及它们的热连接。

2.5.2 热集成

驱动器的热稳定性是其效率和长期耐用性的关键因素。这通过驱动器内部的油冷却以及与车辆冷却回路连接的冷却液冷却系统来确保。首次在MEB的性能驱动中实现了无需主动油泵的油冷却系统。

2.5.2.1 油冷却

油路在驱动器内部实现。它基于两个油池(齿轮箱油池和电机油池),这两个油池通过溢流(图9)相互连接。通过输入侧 (A侧)实现永久的被动内部转子冷却:最终传动齿轮机械地将油从齿轮箱油池泵入一个油箱,然后进入转子轴,以及其他部件。油从旋转的转子轴上的均匀分布的径向孔中流出。它有针对性地喷洒在A侧和B侧的绕组头上,以限制那里出现的高温。

通过蜿蜒的头部后,油液部分沿着冷却夹套的内侧流动,这些内侧已经过冷却。油液流至电机外壳中冷却迷宫的入口。与冷却夹套一起,这个结构起到了油-水热交换器的作用。在这里,油液通过一个铸造集成的波纹状肋结构进行冷却,然后流回电机底部的储油槽。

从这里开始,油液流入变速箱底部的储油槽,然后通过最终传动齿轮再次进入循环。通过这种方式实现的冷却剂和油液冷却的组合确保了驱动装置(电动驱动电机和变速箱)中整个油冷却空间的最佳热条件。驱动装置的热优化使得可以省去一个电动驱动的油泵。原本用于操作这个油泵的电力现在可以用来延长车辆续航里程。

2.5.2.2 冷却液冷却

从车辆冷却系统中,冷却剂——一种水和乙二醇的混合物——首先通过驱动器上的入口进入逆变器,逆变器通过集成的阶段冷却器进行冷却。然后,冷却剂通过电机外壳中的管道流入电动驱动电机的冷却夹套。

冷却夹套包围定子空间并从外部冷却定子,其中冷却剂以切向方式(冷却方向向内径向)沿圆周流动。同时,冷却夹套在底部外侧冷却回流至电机底部的油(冷却方向向外径向),与电机外壳的肋结构一起形成冷却迷宫。冷却剂通过回流管返回至车辆冷却回路,以将驱动器吸收的热量输出散发到周围环境中。热量散发通过车辆回路进行冷却和通过外壳表面向周围环境对流来实现,平均比例为80%对20%。

图9:冷却系统的示意图

3. 结论

除了其技术特性之外, MEB Performance驱动系统是大众集团内网络化开发和生产能力的证明。例如,该驱动系统是由独立公司大众集团零部件与大众品牌的开发部门合作开发的。组装是在大众卡塞尔工厂由集团零部件制造的,在那里还生产外壳和电动驱动电机的部件。卡塞尔的工厂拥有MEB驱动器生产的中央工艺能力。集团中所有基于MEB模块化组装矩阵开发和提供车型的品牌都从这种方式取得的协同效应中受益。

MEB中的APP550性能驱动包含许多新的和复杂的技术特性。与之前的MEB驱动器相比,尤其是在电动驱动电机的转子上磁铁的安装概念、功率电子的集成概念以及创新的油和冷却液冷却方面都有所增强。这确保了电动驱动电机和齿轮箱的最佳冷却。这里特别要强调的是内部转子冷却,通过最终传动齿轮供应油。即使在极端工作条件下,这也允许电动驱动电机的定子和转子有效地冷却,而不需要额外的油泵,从而有助于提高驱动效率。

由于能够实现不同传动比的驱动, Performance驱动器适用于大量现有的和未来的MEB车型。它将首先在ID.7中使用,但其设计也提供了在轻型商用车中使用的可能性,在那里它的高扭矩允许实现高牵引力。

新开发的APP550的强大性能与其低空间要求和低重量(尤其是与双电机解决方案相比,约为100公斤)之间有着极佳的关系。它的优点是高声学舒适性和卓越的能源效率,这使得在客户操作中实现长距离成为可能。这些特性将有助于使电动出行对更多客户群体具有吸引力。

4. 参考文献

[1]K.Bennewitz How   decarbonisation   and   emission   regulations    affect    Volkswagen's powertrain portfolio Keynote,CTI        Symposium,Berlin,2021 K.Bennewitz
[2]K.Blumenröder,K.Bennewitz,P.Luck,et.al.Volkswagen's New Modular   edrive  Kit 40th International Vienna Motor Symposium,Vienna,2019
[3]C.Helbing,K.Bennewitz,P.Luck,J.Tousen,J.Peter The eDrive  Portfolio  of  the  MEB  from  Volkswagen 42nd International  Vienna  Motor   Symposium,  Vienna,2021


来源:电动新视界
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首次发布时间:2024-03-22
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