来源:调皮的JINX
2020年,奥迪在第三季度的E-TRON SUV的季度交付量达到创纪录的1983辆(同比增长16%)。第三季度,奥迪全电动系列总共销售了2296辆(增长34.7%),占奥迪总销量的4.8%,创历史新高。可以说奥迪E-TRON当之无愧的称得上最受欢迎的豪华纯电动SUV了。
E-TRON源于英文单词ELECTRONIC,最早始于2009年法兰克福国际车展上与大家见面。当时以E-TRON命名的概念车,定位类似R8车型,综合输出功率230kW、4500Nm。
虽然此时的纯电动力系统不能很快投入量产,但'E-TRON'概念长远的发展前景得以展现,为后续的产品应用奠定了基础。
为满足前后轴不同布置要求,E-TRON电驱系统可分为前轴电驱和后轴电驱。其中前轴采用平行轴设计,速比9.205,代号APA250、APA320;后轴采用同轴设计,速度9.08,代号AKA320、AKA250。
对于E-TRON系列而言,不同代号电驱系统电机主体设计相同,不同的只是定子有效长度(120和210 mm)。控制器设计也是基本相同,只是根据不同的软件版本和DC连接自适应调整。
前桥上的标准变速箱,后桥齿轮中的各个相同零件以及其他相同零件(滚动轴承,密封件,旋变等)的使用构成了模块化系统。
新能源汽车技术发展到现在已经非常成熟且丰富,因此针对不同电驱系统,我们不去谈不同技术路线的优劣,而是更多的关注在相同技术路线的差异和创新。
01
电机类型
E-TRON采用的是交流异步电机,此次重点关注的是作为交流异步电机的核心组件——转子。关注转子的原因也是因为异步电机的特性导致,也是不同异步电机能产生差异和创新的地方之一。
在工业感应电机的生产制造中,鼠笼转子通常都是用铝铸造而成。首先铝具有良好的电阻率,其次铸铝转子可通过铸造成型,成本相对较低(熔点660℃),因而铸铝转子成为了感应电机转子的主流。
但是实际上,铜的电阻率只有铝的62.5%,这意味着铜转子的转子损耗比铝转子的低很多,那么为什么不用铜转子呢?原因是铜转子对制造工艺要求较高。
物质
温度(℃)
电阻率
10^8ρ(Ω·m)
金
20
2.4
银
20
1.65
铜
20
1.75
铝
20
2.8
E-TRON铝转子采用铸造工艺。假如材质由铝换成铜,那么首先铸造工艺就行不通了。因为纯铜的熔点是1083摄氏度,其浇铸温度远远高于这个熔点,浇铸温度已经接近熔点,从而导致模具寿命低;加之铜的流动性差,铸造过程的气孔问题也无法避免。
除了铸造还有什么工艺可以采用呢?目前主流的是焊接,制造过程如下:
① 先将铜条插在转子槽中
② 再在两侧焊上端环(端环通常使用离心铸造法制造,离心铸造的工艺可以排出其中的杂质和气泡)。
③ 制造铜芯转子的焊接工艺通常采用感应钎焊,铜条末端与短路联结环的接触面积决定着整个鼠笼转子的导电性能,即运行效率,短路联结环的自身强度与焊接点强度决定着电机的可靠性。如果焊接点出现损坏,轻则影响整个电机的性能,重则造成转子损毁。
是不是所有的铜转子都是上述工艺呢?这里我们对比Tesla的铜转子和蔚来铜转子制造工艺。
Tesla的铜转子制造工艺
Tesla异步电机铜转子制造工艺已有专利保护(Rotor Design for An Electric Motor),这项技术与焊接鼠笼技术方案前半段相同,将铜条插入了转子槽中。
区别在于,制造了一组表面镀银的铜质楔子,将这些楔子插入了铜条端部的间隙之中,这样一个铜质的“端环”就通过机械配合制造完成了。
嵌块安装完毕后,需要对接触面进行钎焊加工,由于钎焊材料事先涂覆,在此仅需要加热即可,这个焊接要求比焊接方案中端环的感应钎焊成本、难度都低多了。
焊接之后,再在两端箍上禁锢环:禁锢环的配合有效保证了转子的机械强度。
蔚来铜转子制造工艺
蔚来的铜转子采用了激光冷焊的工艺技术,提高转子强度,但是量产工艺一致性挑战难度高,蔚来目前能解决这个问题实属不易。
小结:奥迪E-Tron的异步电机转子实在普通的不能再普通,选择的是相对效率更低的铸铝转子。与Tesla、蔚来相比,稍逊一筹。但真的是这样吗?请继续往下看——
02
电机轴承设计
电机从结构来说,就是一个转子架上两个轴承上进行旋转,外表套一个定子。因为轴承方案的设计十分重要,不仅影响电机运转顺畅与否,更影响电机NVH以及寿命。E-TRON电驱系统电机轴承方案如下:
前轴承
后轴承
型号
/
/
供应商
NSK
NSK
外径
/
/
内径
60
45
轴承宽度
/
/
轴承润滑方式
脂润滑
脂润滑
固定方式
四点固定
(双卡环)
2点固定
(弹性压片)
其他特征
/
双O型圈
衬套材质
42crmo4
42crmo4
轴承防蠕变方案
从图中我们可以发现电机后轴承(非输出端)外圈带有双O型圈(槽开在轴承外圈),功能是防蠕变。
轴承蠕变是客观存在的,并不是所有的电驱系统都会遇到因轴承蠕变带来的失效问题。轴承蠕变可分为静止载荷引起的蠕变和旋转载荷引起的蠕变。其中电机轴承蠕变的主要原因来自后者(静止载荷的影响也存在)。
通过分析机理,我们很容易得出蠕变的关键因素:旋转载荷、配合间隙、电机转速。电机轴承蠕变的问题解决可以从以下几个方面入手:
减小间隙的手段是提高配合零件的加工精度,而轴承配合现有的要求已经很高,因此减少配合间隙所带来的收益是不大的。
减少旋转载荷是主要的方向,当电机设计已经定型后,主动减少旋转载荷的可能性不大。增加外部阻力,相当于间接的减少了旋转载荷,E-TRON选择的是上述O型圈方案。
蠕变的表征是磨损,因此提高配合零件的耐磨性也是有效的方法。E-TRON钢制衬套选用的是耐磨的42CrMo4。
轴承防电腐蚀方案
E-TRON电机转子具有特殊的轴接地,以避免可能的轴承电流流过滚动轴承或齿轮。同时,两个内部转子轴承设计为陶瓷轴承,以避免轴电流通过。功能是防轴承电腐蚀。
在正常情况下,电动机的轴电压较低,轴承内的润滑油膜能起到绝缘作用,不会产生轴电流。但当轴电压较高,或电机起动瞬间油膜未稳定形成时,轴电压将使润滑油膜放电击穿形成回路产生轴电流。
轴电流局部放电能量产生的高温,可以融化轴承内圈、外圈或滚珠上许多微小区域,并形成凹槽。从而产生噪声,振动。若不能及时发现处理将导致轴承失效,对生产带来极大的影响。
小结:无论是轴承蠕变还是轴承电腐蚀,E-TRON对轴承的重视程度不言而喻。这些解决方案目前来说是都是现阶段的主流方案。虽无新意,却诚意满满。关于电机轴承问题,未完待续,请继续往下看
03
冷却
谈到奥迪E-TRON,就不得不谈到它的独特、大胆的的冷却系统。前面说到奥迪不同电驱系统大同小异,我们以后驱AKA320电驱系统冷却系统进行分析。
E-TRON采用水冷方案,冷却对象包括控制器、前轴承座、后轴承座、电机定子、电机转子。
什么?听过定子冷却和转子冷却,怎么还有轴承座冷却?
先进的电机的热管理基本上都包含定转子冷却,比如Model 3、Nidec、Prius等,但需要注意的是上述电驱系统都是油冷方案。水冷电驱系统的定子冷却虽已经十分成熟,但是转子冷却却十分困难,这涉及到的是冷却水的泄露问题。
油冷方案中,油液泄露的失效后果产生的严重度是相对较低的(电机发热限功率),而水冷方案中冷却水泄漏产生失效后果确是不能接受的,电机高压绝缘失效,甚至烧毁,影响整车的安全运行。需要注意的是:E-TRAN的转子冷却系统采用的是水冷。
轴承润滑分为油润滑和脂润滑,一般来说油润滑轴的轴承通过变速箱可实现冷却,脂润滑轴承的冷却很少看见。E-TRON承均为脂润滑,并实现了冷却,实现方式同电机定子。
带着众多疑惑,我们往下看,E-TRON冷却系统冷却路径如下所示:
冷却结构最为复杂的就是实现电机轴水冷的后端盖和双层导水管。导水管前后均布置有一个密封圈,前密封圈用于电机轴与导水管的密封,厂家为KACO,后密封圈用于电机轴与后端盖的密封,均为动密封。
导水管内外两层空心管,夹层中的冷却水进入电机轴,且出水口分为两段,中间被支撑结构隔开,一 段出水口对应导水管底座的一个进水口1,另一段 出水口对应多个进水口2。
来自后轴承座的冷却水 一部分直接从导水管进水口2进入导水管,另一部 分进入水罐(自带有进水和出水后),之后再从导 水管进水口1进入导水管,最后从导水管出水槽再 进入后端盖,最后流出。
同样,我们对比蔚来和Tesla异步电机冷却。其中,蔚来采用的是典型的机壳水冷定子铁芯方案,无转子冷却。Model S/X的前驱,各零部件冷却方式:
电机转子:导油管主动对转子前后端部喷淋
电机定子铁芯:导油管主动喷淋;
定子绕组:绕组端部通过集油盘主动喷淋冷却;
减速器:飞溅润滑。
导油管结构
集油盘
小结:平平无奇的奥迪E-Tran电机终于通过其独特、大胆的冷却系统扬眉吐气。创新分为“想他人所不敢想”和“做他们所不敢做”,奥迪E-Tran无疑属于后者。如果这种创新经得住市场的考验,那么它将会为传奇。
另外,特殊的轴承座设计,采用和定子铁芯同样的水冷方式,让电机前后轴承的地位达到一个高度。E-Tran对轴承的重视,让我们深思,难道真的是有钱任性吗?
04
双电机系统
接下来我们看下奥迪E-TRON系统有什么特别之处。如果细心的话,前面的产品介绍,我们会发现其中ATA250有点不一样。
最近很火热的E-TRON双电机说的就是它。奥迪E-TRONS车型的后驱电驱系统ATA250采用双同轴电机,不需要差速器。每个轮子由两个独立的电机提供,它们通过螺栓连接在一起,但在扭矩传递路径上没有实现机械耦合。通过使用两个紧凑的同轴齿轮机构,与两个独立运行的电机相连。
后轴上的两个电机可以在两个后轮之间施加不同的扭矩,从而改善各种工况下的操控性。该双同轴电机可在几毫秒内实现高达2100Nm左右的瞬态扭矩分配。
这会在车辆的垂直轴上产生一个偏置力矩,从而大大提高了汽车的自转向性能。在典型的牵引情况下,比如µ-split加速模式,可以分配高达3000Nm的差动扭矩。与传统机电式差速器相比,左右车轮的机械耦合可以在扭矩分配方面实现全新的自由度。当然,这也对传动系统的动态控制提出了更高的挑战。
与奥迪E-TRON相比,Tesla似乎慢了一步,2021年Model S后驱将会搭载类似双电机系统。
小结:差速器的诞生是一个伟大的发明。作为一个机械结构,它能够使左、右(或前、后)驱动轮实现以不同转速转动。但随着电气化的加速,整车动态化控制的进步将会促使差速器的退出。就如新能源的发展,将会促使传统发动机的退出。
05
电机性能
最后我们来看下奥迪E-TRON的电机性能,奥迪e-tron S车型的电机功率和扭矩曲线如图所示(需要注意的是要将后驱动的值相加,才能看到双同轴电机的全部性能)。由于异步电机的过载能力和有效的冷却系统,两个轴上都有大量的功率储备,用于提升峰值功率或实现电驱扭矩矢量控制。
在车速50km/h到200km/h,60s峰值功率达到320kW,结合电池的最大性能以及整合eTV/升压系统功率,10s峰值功率可以达到370 kW,且在车速60km/h到170km/h的范围内适用。
对于peak模式(60s峰值功率)到eTV/boost模式(10s峰值功率),在车速0到70km/h的速度带下,e-tron S的综合扭矩处于800Nm(60s)到近1000Nm的高水平。
特别值得注意的是,得益于良好的冷却系统,即使在室外温度较高的情况下,该异步电机满载30分钟后仍能提供2×70 kW(后驱动)和95 kW(前驱动)的高性能输出。即使在高负荷驾驶期间(赛道),电机过热和随后的功率降额也微乎其微。
此外,关于能量回收性能,由于三个电机的布局,与e-tron基础款相比,回收功率可以从220kW增加到270kW。
06
总结
针对不同电驱系统,我们不去谈不同技术路线的优劣,更多的要关注在相同技术路线的差异和创新。任何一种技术路线,做到极致就是传奇。
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