采用三电机设计方案的Audi E－tron S车用电驱动系统
随着E-tron S车型的推出，Audi公司成为首家将配备有三电机和电动扭矩矢量控制技术电驱动系统投入批量生产的大型制造商。后驱动双同轴电机是对E-tron系列电驱动系统的完善，并且能向车辆垂直轴施加巨大的偏航力矩。
0 前言
E-tron S系列车型的前驱动系统采用了动力性能更强大的电机，后驱动系统则采用了新型高动态双同轴电机，从而有效改善了其行驶性能，以及纵向和横向动力学特性。
本文首先概述了自E-tron系列车型推出以来，提高其效率和续航里程的重要措施，并重点介绍了Etron S车型的新型双同轴电机及扭矩矢量功能。
1 提高效率与续航里程的措施
2019年底，Audi公司对E-tron系列的所有车型进行了优化升级，以提高其续航里程。图1总结了其主要技术措施(按照全球轻型车测试规程(WLTP)工况测试)。
图1 提高E-tron系列续航里程的措施
研究人员将电池SOC 从88%提升到91%，并通过大量试验证明了电池系统的稳定性。SOC的提升充分延长了系统使用寿命。
当车辆以低负荷行驶时，E-tron前驱系统中的电机得以解耦。这意味着电力电子装置不会再向电机输入脉冲电流。相应减少的能量消耗可以提高车辆效率。该措施可以通过优化电力电子功能来实现，重新连接电机时不会影响其舒适性或敏捷性。
降低制动器的残留制动力矩及优化制动盘清洁功能也可以提高整车续航里程。研究人员通过进一步优化热管理系统，减少了冷却液回路中的流量和冷却液泵的功耗。与最初发布的E-tron车型相比，E-tron运动型多功能汽车(SUV)的续航里程增加约25 km。Sportback车型因具有更好的风阻系数，其在WLTP工况下的续航里程较SUV的续航里程增加了约10 km。
2 电机驱动
Audi公司旗下的研究人员针对E-tron系列车型开发了配备有高度通用化组件的智能电驱动系统。为了最大程度地利用车辆安装空间，研究人员通过设计优化，在前驱动系统上采用了平行轴异步电机，后驱动系统则采用同轴异步电机。前后驱动系统的电机结构相似，只是有效长度不同(分别为120 mm 和210 mm)。同样，研究人员还将电力电子装置设计为通用化组件，仅在软件版本和直流(DC)接口方面有所不同。前轴的标准齿轮装置、后轴齿轮装置的各种通用件及其他通用零件(如滚动轴承、密封件、转子位置传感器等)完善了电驱动系统(表1)。
表1 电驱动系统
3 后驱动ATA250双同轴电机
ATA250双同轴电机由位于匈牙利Györ的发动机工厂制造，这是首个用于量产车辆的双同轴电驱动系统。研究人员针对MLBevo平台双同轴驱动系统的要求，对关键组件(电机、电力电子装置和变速器)的尺寸进行了开发，使后轴支架的可用安装空间得到充分利用。驱动装置直接安装在副车架的4个点上，无须附加零件，并通过电机和变速器壳体上的紧固螺纹实现安装(图2)。
图2 E-tron系列的后驱动双同轴电机安装情况
这2台电机可以实现独立控制。该车型的定子与E-tron 55车型的定子相同，研究人员对转子内部的冷却密封区域，以及转子与变速器输入端相连的部分进行了轻微调整，确保磁路始终保持不变。驱动系统的所有外壳都采用压铸铝制成，并在强度、刚度和声学等方面进行了优化。ATA250驱动系统的左右两侧电机壳体也完全相同。研究人员将其沿车辆的纵轴横向倒置进行安装。图3示出了紧凑型双同轴驱动系统的布置，并为其配备了2个电机、2个变速器和2个电力电子装置。2个电机通过螺栓背靠背进行固定，但未采用机械耦合的方式。电力电子装置可像电机一样采用横向倒置进行安装，因此其与定子的三相电源连接处分别位于顶部和底部。为了确保在紧凑空间中可从下部与电池相连，研究人员为电力电子装置配备了可变DC接口，可以根据需要进行铣削和装配。
图3 ATA250双同轴电机
双同轴电机采用了较为高效的冷却方案。作为标准配置，电机转子采用了特殊的轴接地装置，以避免轴承电流流经滚动轴承或齿轮。轴接地装置布设在靠近变速器的电机活动空间中。位于内部的2个转子轴承采用陶瓷材质制成，以防止电流通过。2个转速传感器和转子内部的冷却液收集器也位于双同轴电机中间。
图4为后驱动系统分解图。沿车辆纵轴旋转布置的2个电机、电力电子装置、驱动系统中心的冷却液收集器，以及电机和变速器壳体上的安装点同样如图4所示。
图4 ATA250双同轴电机分解图
4 电力电子装置
在设计驱动系统时，研究人员为AudiE-tron全系列车型开发了1款基础电力电子装置，这是开发和制造效益实现最大化的关键。在任何情况下，无论使用哪种电机，其采用的电力电子装置的基本结构都大致相同。
电力电子装置外壳配备有2个高压直流(HVDC)接口。研究人员根据需要铣出了连接侧，并配备了相应的销槽和压力补偿元件(图5)。
图5 针对电力电子装置可变安装位置的DC接口灵活设计
就双同轴电机的特殊要求而言，以ASIL-D 安全等级的扭矩监控功能为例，所有E-tron电力电子装置已基本实现。
5 无差速器的双同轴电机
与其他E-tron车型所采用的电驱动系统相比，Audi E-tron S车型所用的双同轴电机无须配备差速器，并可通过2个独立的电机实现差速功能。这2个电机通过螺栓连接在一起，但在扭矩路径上并未采用机械耦合方式。双同轴电机系统采用了2个紧凑的同轴变速器(图6)。这2个变速器对称安装在后轴的左右两侧，与2个独立运行的电机相连接。电机转轴上的中心齿轮与阶梯状的双行星齿轮啮合，中心齿轮与通过浮动方式安装在壳体中的齿圈确保了总传动比为9.080。在行星齿轮架中间布设有可用于安装传动轴的法兰轮廓。这种紧凑的设计方案可以为电机提供最大的轴向安装空间。
图6 ATA250双同轴电机的轴传动结构
6 双同轴电机的冷却与散热
良好的冷却对电机的功率密度至关重要。由于安装空间和质量对整车应用有着重要影响，因此研究人员必须为其设定高效且高度集成的冷却方案。通过大量仿真计算，研究人员为Audi E-tron车用电机开发了1种先进的冷却方案。在共轭传热(CHT)仿真过程中，研究人员采用了耦合模型以模拟冷却液和空气的流动及整个电机的结构。与基础驱动系统一样，双同轴电驱动系统的每台电机都采用了可实现内部冷却的水冷系统(图7)。除了良好的散热以外，双同轴电机的开发重点还包括设计出能尽量节省空间的水循环，使电动轴的长度尺寸更为紧凑。由于半导体需要最低的冷却液温度，因而冷却液可通过2个电力电子装置流入电机。冷却液在流经2个电力电子装置后,流入了2个电机。随后，冷却液依次流经变速器侧的轴承座和定子冷却套。冷却的轴承座可使齿轮油得到冷却，因此无须配备齿轮油冷却器。此外，转子端面的风扇叶片能通过轴承座上的特殊冷却元件产生定向气流，从而可对活动空间中的空气进行冷却。这使得转子的铝制短路笼和定子线圈体具有良好的对流散热效果。然而，异步转子的主要冷却路径是转子内部的水冷系统。
图7 双同轴电机冷却原理
在流入转子之前，2个冷却回路合并，以补偿由扭矩矢量引起的不同冷却液热量(图8)。冷却液从收集器流入转子，通过喷枪使冷却液流入转子深处。当流体进入旋转的转子中时，会因剪切作用而产生旋转现象，然后通过转子轴流向电机之间的出口。在转子内部冷却回路下游，冷却液在离开电机之前会在收集器的另1个区域内汇集(图7、图8)。研究人员对2个电机间的紧凑水套进行了流量损失和均匀分配方面的优化。水套由2个电机壳体和由2个压铸件构成的收集器壳体组成。从图9可以看出，在电机转速为13 500 r/min工况时，双同轴电机在连续运行点(S1)的温度分布较为均匀。
图8 转子内部冷却回路
图9 双同轴电机温度分布的CHT仿真
7 电机性能
图10示出了Audi E-tron S车用电机的功率和扭矩曲线。应当注意的是，研究人员在优化双同轴电机的全部性能时，需要将后驱动的曲线考虑在内。得益于异步电机出色的过载能力和高效的冷却系统，2个转轴上都可储备大量的功率，并可用于提升功率或控制电动扭矩矢量(eTV)。图11示出了E-tron S车用电驱动系统的性能。系统峰值功率(60 s)输出过程较为平稳。结合电池的最佳性能与较高的技术目标，在eTV 提升模式下的系统功率(10 s)为370 kW，在宽广的车速范围内也是如此。在前三分之一的转速工况区域内，系统扭矩始终处于800~1 000 N·m(eTV 提升模式)的高水平条件下(图11)。异步电机的持续功率较高，由于具有良好的冷却效果，即使在较高的室外温度下，异步电机在全负荷运行30 min后，仍能提供2个70 kW(后驱动)和95 kW(前驱动)的功率。即使在高动态驾驶情况下，也很少会出现电机过热和功率降低的现象。
图10 峰值性能获得提升的电机前驱动系统与后驱动系统的功率和扭矩曲线
图11 E-tron S车用电驱动综合功率与综合扭矩
E-tron S车用驱动系统为能量回收这一领域树立了新标准。与E-tron基础车型相比，由于E-tron S车型采用了三电机设计方案，其回收功率从220 kW提高到了270 kW。
8 行驶性能与功能
三电机结构带来的快速响应能力有利于实现车轮的最佳扭矩分配。车辆能在数毫秒内对轮胎摩擦变化作出响应。与AudiE-tron 55车型相比，E-tron S车型3个电机的响应能力得到了进一步提升。在任何驾驶模式下，E-tron S车型对油门踏板变化的响应都会更快。同时，研究人员可使该车型在任何速度范围内都能对高驱动扭矩进行有效计算。
9 运行策略与应用
自2019年底车型更新以来，所有E-tron系列车型的前驱系统均可根据具体驾驶情况实现完全电解耦。在该情况下，电力电子装置不再向电机输入脉冲电流。驾驶员的日常行驶要求通常由后驱动电机执行。通过提高负荷点，可以使后驱动电机更高效地运行。
在负荷急剧增加或者在与行驶动力学相关的情况下，前驱系统将被激活。这种电耦合过程对驾驶员的主观感受并不会产生明显影响。
10 电动全驱动与eTV
除了具有E-tron 55的全可变纵向扭矩分配功能以外，E-tron S车型还采用了eTV。用于后驱动的2个电机可在2个后轮之间施加不同的扭矩，无须制动干预，便可改善牵引和驱动情况下的驾驶性能。
后驱动系统可在数毫秒内实现对左右扭矩的分配过程，最大可分配高达2 100 N·m的差动扭矩。由此会在车辆垂直轴上产生偏航力矩，从而大幅提高自转向性能。在典型的牵引条件下，该系统可以分配高达3 000 N·m的差动扭矩。与传统差速器相比，该系统可以带来全新的扭矩分配自由度，但同时也对传动系统的高动态控制提出了更高要求。
为了最大程度地发挥驱动系统的潜力，同时应对单轮电机控制系统提出的挑战，Audi公司采用了特定的控制单元功能和电力电子装置功能：(1)集成纵向和横向扭矩分配；(2)后驱动采用电子差速器；(3)优化从轮速到电力电子装置的效果链；(4)ASIL-D的安全功能符合ISO26262标准。
E-tron S车型的动力学功能和软件体系均以Etron 55车型为基础，车轮选择性的扭矩控制(通过制动干预)已集成在电动扭矩分配过程中。
E-tron S车型还将eTV集成到了电子底盘平台(EFP)的功能软件中，从而在所有摩擦系数下均可实现最佳驾驶性能。
11 结论
为了进一步开发采用E-tron技术的全驱动装置，Audi公司将eTV用于E-tron S车型的后驱动系统。
集成的扭矩控制是驱动系统的中心，从而能最大程度地发挥后驱动双同轴电机的潜力。即使研究人员停用牵引控制系统，系统仍可实现该功能。
