大众MEB平台ID4电驱动系统技术介绍

来源：吴庆国电动新视界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。一、说明大众致力于电动交通系统的发展。全新一代的ID.family电动汽车将于年上市。将会有不同级别的零排放车辆，它们的行驶里程与今天的汽油车相当。ID.CROZZ,ID.VIZZION和ID.BUZZ已经公开。第一款将于年投放市场的ID.车型将是ID.一款价格适中、四门、全连接的紧凑型汽车(图1)。大众集团计划到年在全球推出27款MEB汽车。其中包括奥迪、西亚特、斯柯达、大众和大众商用车品牌的电动车型。图1TheID.家族:(左起)theID.,ID.CROZZ,ID.VIZZIONandID.BUZZ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，范围约为可达到公里至公里以上。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kW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2MEB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、高压电池系统介绍确定电压范围的关键因素是高压电池。它集成到前后车轴之间的车身底部底，这节省了空间，并提供了较为宽敞的车内空间，同时确保一个最佳的前后50%:50%的重量分布，并且具备低重心的整车优势。高压电池是电动车最重要的成本因素。在其开发和设计过程中，除了要考虑满足长里程的电池容量和功率密度、优异的驾驶性能和快速充电能力等技术标准外，还要考虑成本和使用寿命等经济方面的因素。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kW。可伸缩的电池容量确保了可提供不同的ID.车型家族，从公里到超过公里(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3MEB车辆的充电选项除了里程，充电问题对电动车的日常实用性也至关重要。客户对充电技术有明确的要求：充电时间尽可能短，充电选择充足。大众公司假设大多数ID.驾车者每周只给他们的电动车充电一次，这意味着50%的充电活动可能在家里进行。因此,车辆基于MEB将作为标准配备一个type2充电连接，其中可通过交流连接充电，可通过一个标准家用插座充电2.3kW或在11kW的壁柜。晚上墙盒的交流充电为电池充电提供了充分的电力。由于电池只能用直流电充电，所以车上集成了一个11kW的充电器，将插座、壁柜或交流充电站的交流电转换成直流电，为高压电池充电。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kW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。四、MEB的电驱动系统图4MEB的后驱系统为MEB研发了两个新的电驱动系统。主驱是后轴上的永磁同步电机(PSM，图4)。它结合了一个功率逆变器(PI)和一个平行轴的减速器。输出功率为kw，扭矩为Nm，最大转速为rpm。PSM是一个具有高功率密度和高效率的系统组件，在宽调速范围内可持续提供输出。根据车辆规划，MEB前驱可以提供动力。前驱是一个带有感应异步电机的电驱系统，可实现整车四驱。它的功率输出为75kW，扭矩为Nm，最大转速为rpm。异步机（ASM）以其短时间超载运行和低阻损失的能力而著称。因此，它非常适合做辅驱。下面将重点介绍MEB永磁同步电机（PSM）电驱的组成、技术特征和性能数据。4.1PSM/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)。异步机(ASM)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)，通过短路绕组穿透转子。异步电机中的转子，其转速略低于定子的旋转磁场(异步)。这在短路绕组中产生磁场变化，从而产生电流。由此产生的磁场在转子中产生一个切向力，作为转矩作用在转子轴上(图5，右)。图5PSM(左)和ASM(右)的基本结构4.2逆变器（PI）电机的三相电流由直接安装在电机上的液冷功率逆变器(PI)提供。图6显示了电源逆变器的爆炸视图。在电源逆变器内部，将最新一代的三个IGBT电源模块连接起来，形成了一个经典的B6电源逆变器。在模块载体内部，电源模块被冷却结构框起来，这样驱动板就可以直接插到电源模块的触脚上。驱动板在和控制板之间加装有屏蔽罩。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1.8kW和3.0kW。4.3PSM后桥驱动MEB后驱电机为三相永磁同步电机(PSM)，转子四对极，最大转速为rpm。它由电源逆变器、四部分壳体(电机壳体、电机后端盖、减速器前壳、减速器后壳，见图4)、定子、转子、带温度传感器的旋转变压器、单挡减速器等主要模块组成。电驱总成是在卡塞尔的大众工厂生产的。转子和定子由大众萨尔茨基特（Salzgitter）厂提供。定子包含用于三相连接的母线绕组。转子内的永磁体为钕合金组成的永磁体，嵌入到叠片中。定子和转子安装在一个铸造外壳内，定子液体冷却。两个深沟球轴承安装在转子轴两端。在电机轴后端安装有旋变转子，低压接线端子包括绕组温度的传感器和旋变信号，最好通过电机盖板封闭。旋变和温度低压信号最后连接到控制器端。减速器减速增扭，减速器的前壳体与电机前端盖集成化设计，降低重量和尺寸(见图4)。4.3.1定子结构图7PSM定子定子主要由叠片和三相发卡线绕组组成(图7)。叠片组由单个的、焊接的、分层的、外径为mm的独立镀层金属板叠片组成。叠片具有较高的导磁率，厚度为0.27mm，并在两面涂有一层电绝缘层。定子分为四段，每段在组装期间偏移90度。这减少了金属晶粒方向对旋转磁场均匀性的影响。绕组插入到定子槽，焊接三相端部(图8)，并自动连接三相铜排。该定子结构的末端绕组包含一个用于温度传感器的接触装置。定子还浸渍树脂，以增加绝缘，改善热传导和加强绕组。定子经过自动测试程序，自动压装到电机外壳。图8定子线圈组件4.3.2转子结构图9转子的爆炸图转子由转子轴、嵌入v形永磁体的叠片、压板和旋变转子组成。转子分为四段。转子端面用压板压紧，并通过四个张紧螺钉连接在一起，这些螺钉穿过叠片(图9)。全自动化压紧叠片，自动压装转子轴完成装配。转子永磁体采用V+1斜级布置。它们被一层膨胀的磁性涂层保护着。目的是提升电机NVH性能。叠片是由相同材料的金属片冲切而成。转子轴设计为空心轴，由两部分焊接而成。它通过纵向内花键连接到变速器的输入轴上。整个电机轴和减速器输入轴三轴承支撑，轴承为低摩擦深沟球轴承。降低机械损失。转子轴与叠片安装时，需对叠片总成加热。这也导致永磁体热激活和磁涂层膨胀，需固定好永磁铁。4.3.3带温度传感器的旋转变压器图10PSMb侧轴承屏蔽上的组件为了给定子绕组通入正确的三相交流电，需要检测转子的正确位置。此任务由旋变完成。它由转子轴上的转子和固定在电机后轴承轴承屏蔽上的定子组成(图10)。在定子绕组上的一个发夹中设计一个专用固定点，其中安装有用于测定绕组温度的温度传感器。从解析器和温度传感器发出的信号通过信号插头传输到PI，然后进行评估。电源逆变器是通过螺栓连到电机外壳。用于定子相位绕组的三条母线是PI的组成部分，在定子固定在电机外壳后被固定在定子的接触桥上。A端和B端盖板内部都包含特殊的碰撞元件，在发生追尾碰撞时，该元件可以将驱动装置与车身框架隔离，从而防止高压电池短路。4.3.4冷却和加热电子驱动器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4.3.5电子驱动器技术参数*重量为PI、电机、减速器三者的总重紧凑的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kW的峰值功率和Nm的最大扭矩。电机的最大转速为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75kW和最大扭矩Nm。这台电机的最大转速为rpm。图12PSM效率图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13PSM满载图4.3.6MEB后驱动桥与e-Golf驱动桥的比较*重量为PI、电机、减速器三者的总重将新型MEB后桥驱动与目前e-Golf中的电驱动桥技术数据进行比较[3,4,5]，说明了其开发进展。峰值功率可提高50%至kW，扭矩可提高7%至Nm。尽管增加了功率和扭矩，MEB后桥驱动器的重量减少了18%，至90kg。这使得MEB后轴驱动的功率重量比为W/kg，与e-Golf的电驱动桥相比显著提高了82%。4.4单速变速箱图14MEB后驱动桥单速变速箱单挡减速器为二级齿轮减速机构，用于降低电机转速，提升扭矩输出(图14)。MEB专门对减速器齿轮进行了NVH声学优化。电机轴和减速器输入轴采用3轴承支撑，减少了摩擦。润滑油终身免维护。进行了针对性的润滑设计，采用干式油底壳概念降低搅油损失，提升效率。此外，将带预紧力锥轴承改成了浮动柱轴承。减速器设计了不同速比以满足不同动力需求。ID首次使用时的总速比为11.5:1，最高时速为km/h。同时，MEB将取消传动系驻车锁止机构，在坡路工况，将采用轮端EPB实现驻车功能。五.总结大众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Nm，最大功率为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。

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