奥迪e-tron纯电动汽车的动力总成解析(上)

一、驱动电机结构

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。

图1 奥迪e-tron异步电机的安装位置

图2 位于前轴的电机

图3 位于后轴的电机 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。 表1 APA 250平行轴式异步电机技术数据

表2 AKA 320同轴式异步电机技术数据

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。

图4 前桥电驱动电机的结构

图5 前桥电驱动电机定子和转子的结构

3.驱动电机功能

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。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。

图6 驱动电机的转动过程

图7 驱动电机的转动机理

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。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。

图8 频率越高转速就越高

图9 PWM信号的接通时间越长扭矩就越大

二、驱动电动汽车的行驶动力学特性

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.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。

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。

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。

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。

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

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。

图10 前桥和后桥电机冷却系统

       审核编辑 ：李倩