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在纯电动汽车的核心三电系统上大众能交出一个怎样的答案?
作者:佚名 文章来源:本站原创 点击数: 更新时间:2023/1/26 10:33:36 | 【字体:

  申瓯客服唐明在传统的燃油车上,我们把发动机、底盘、变速器统称为汽车的三大件,其中发动机提供动力、变速器实现降速增矩以及改变传动方向,底盘功能更多,需要起到安装发动机及其各部件的支承作用,同时还要兼承转向系,行驶系,传动系和制动系四部分。总而言之,它们是一辆燃油车上最重要的零部件。

  而到了新能源时代,由于动力源与驱动方式发生了改变,我们也习惯性的在新能源汽车上找出我们认为重要的几个部件——那就是三电系统。

  根据业内权威机构表示,三电系统的成本占据整辆纯电动车总成本的70%以上,而超过90%的纯电动车机件故障,也都是由三电系统引起的。

  本文我们同样以大众ID.4X为例,看看大众集团在三电系统上的造诣究竟如何?

  在正式对ID.4X进行解读之前,我们先带大家简单的认识一下三电系统。何为三电系统?简单来讲就是对电驱、电池、电控的一个合称,我们挨个解释。

  首先是电池,一般而言,这里的电池是指高压电池(区别于车上的低压电池),它是作为新能源汽车的能量来源。

  结构上,动力电池动力电池系统通常由电芯、电池组、电池管理系统、冷却系统、高低压线束、保护外壳和其他结构件构成。

  其中电芯又是电池的一个最小单元,它由正负极、隔膜、电解液组成,我们经常听到的的三元锂电池、磷酸铁锂电池就是因为它们的正极材料不同(还包括钴酸锂、锰酸锂、高镍三元等等),而由于每种材料都有着不同的特性,也使得不同正极材料的电池表现出不同的特性。

  一般而言,我们衡量一款动力电池的性能最常用到的指标就是能量密度,它是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小,更细分下去,电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度。

  能量密度越高,意味着单位体积所释放的电能越多,控制变量的前提下,相应的续航也就更远。

  此外还有比功率这个概念,它描述的是电池在瞬间释放出电能的能力,比功率越大,可以提供更强的瞬时电流,控制变量的前提下,汽车的加速也就更快。

  再说电驱,电驱由三部分构成,分别是传动机构、电机、逆变器,其中逆变器是把直流电转变成交流电的设备,逆变器的性能决定了电压电流的大小,若一台电动汽车的逆变器能支持较高电压,则相应率较大,这意味着同样电流进行充电,充电功率可以等比例放大,即充电时间会缩短。若提高逆变器的支持电压,则相应的充电时逆变器产生的热量会变多,那么就需要解决逆变器中IGBT模块的散热问题,这是提高充电效率的关键问题。此外,逆变器性能的好坏直接决定电机的性能表现,这也是各大新能源汽车企业的核心技术。

  电机则是新能源汽车的主要执行结构,其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标,从功能上来讲,电动机一般要求具有驱动、发电两项功能;从类型上划分,目前汽车专用电机驱动系主要有三类:直流电机驱动系、永磁同步电机驱动系、交流感应电机驱动系。

  至于传动机构,目前国内外电动车的传动机构基本都是单级减速机构,即没有离合、没有变速器,就通过简单的单级齿轮进行变速。

  最后我们说说电控系统,简单来讲电控系统是电动汽车的大脑,由各个子系统构成,比如能量管理系统、再生制动控制系统、电机驱动控制系统、电动助力转向控制系统以及动力总成控制系统等,它是辅助控制整个车辆的运行与动力输出。

  Ok,大概了解了三电系统之后,我们来对大众ID.4X的三电系统进行一个详解。

  大众ID.4X是大众MEB平台下的首款车型,从设计理念到生产制造,都是不同于此前的基于燃油车平台改造的油改电车型。

  我们先说占据整车成本最高(30%左右)的高压动力电池,首先从参数上我们可以看到,大众ID.4X提供两种不同容量的电池,分别是57.3kWh和83.4kWh。

  基于这两种电池规格,配合不同输出功率的驱动系统,大众ID.4X一共衍生出了5种不同的续航里程。

  前文我们提到,动力电池的最小单元是电芯,而大众ID.4X的电芯是由顶级供应商宁德时代提供的NCM811,NCM811的意思就是正极材料中镍钴锰的含量比例为8:1:1的三元锂电池。

  除了”811”,市面上还有包括”523”和”622”电池,数字不同是因为正极各材料的占比不同,NCM811由于增加了正极材料中镍材料的占比,而缩减了钴和锰的占比,所以它的稳定性与安全性相对而言是要更低的(因为钴的作用在于可以稳定材料的层状结构),但能量密度能做到更高。

  从参数上来讲,以83.4kWh规格的电池组为例,它的能量密度达到了175Wh/kg,最大可以提供260kW的峰值功率。

  值得注意的是,虽然电芯是由宁德时代提供,但其他的包括比如底板、上下壳体、框架、电池模组和BMS等配套装置都是上汽大众自己生产组装的。

  而在结构方面,众所周知的是,高压电池由于其化学特性,所以在防护结构上对企业提出了更高的要求,能不能在极端状况下保证动力电池的完整性,就是其中的一大关键。

  大众ID.4X是怎么做的呢?首先在物理防护层面上,它的下壳体采用铝合金横梁,护板也采用了高强度铝冲压件,保证下壳体的强度,在经过一些磕碜路面或是其他状况时,可以保证电芯内部不变形,不漏液。

  而它的上壳体有三层保护层:蜡涂层、密封圈、密封胶,为电池包的密封性提供了多重防护,按照官方的说法,它的IP防护等级达到IP6K9K

  而上下壳体的链接方式它用了旋转攻丝铆接技术(FDS),可以最大程度减少边框的形变,固定强度也有保证,目前这项技术很多欧洲厂家都在用,比如捷豹XK和X150,奥迪R8、A8、TT Coupe、A6等。

  在电池组的内部,由于使用了中间拱形设计,可以吸收一定的能量同时增强整体结构,使得电池包更加不容易发生形变。

  除了强化上下壳体提供保护和内部结构优化外,大众ID.4X所以采用了一套液冷系统用于控制电池温度,这系统位于电池底板内,采用了流道并联的设计,在底板与电池之间由高导热系数导热胶,可以让电芯温度差异小于3℃,让电池工作更加稳定。

  这一段我们讲大众ID.4X的电驱系统,前文说过,电驱是由三部分构成,分别是传动机构、电机、逆变器,先从电机讲起。

  新能源汽车在电机上都会追求高功率、小体积、高转矩、高转速(高功率密度、高转矩密度),它的性能直接关系到新能源汽车整车动力性。

  从官方的资料中可以看到,大众ID.4 X的电机系统有两种组合,后驱版本:永磁同步电机,四驱版本:异步电机(前轴)、永磁同步电机。

  两个电机的具体工作原理我们这里就暂且先不深入,主要和大家讲讲两者之间的差别。

  永磁同步电机的优点很明显,在同等体积下,永磁同步电机能输出更高的功率和扭矩。此外,永磁同步电机还拥有噪音较小的特点。

  至于缺点,永磁同步电机如果想要大的功率,就要大块的永磁体,造价高;而且虽然叫“永磁”,但它在高温之类的恶劣环境下容易退磁。

  而异步电机的优缺点就和同步电机相反了,成本比较低廉,工艺简单、运行可靠、维修方便等,但在同样的功率和扭矩下,异步电机所需要的体积和重量要远大于永磁同步电机。

  目前很多欧洲品牌的电动车都喜欢用异步电机,比如宝马i3,但中国和日本品牌却更喜欢永磁同步电机。

  当然也有品牌喜欢将两种电机配合使用,比如我们今天的主角ID.4X以及ID,4 CROZZ或是ID.6X以及ID.6 CROZZ的四驱车型都是采用的这种方式.

  他的前桥采用的是异步电机,它的输出功率为75 kW,扭矩为151 N.m,非常适合做辅助驱动;后轴采用的永磁同步电机功率达到150kW,扭矩为310N.M,最高转速16000转,最高效率97%。

  这台永磁同步电机被大众内部命名为APP310,生产地是在大众汽车自动变速器(天津)有限公司,大众集团目前应用广泛的DQ381系列变速器也是在此诞生。

  值得注意的是这台电机引入6层Hair-pin电机绕组技术,什么是Hair-pin电机绕组技术呢?我们知道,在永磁同步电机内,电流通过定子绕组,形成电枢磁场与转子永磁磁场交链,产生力矩,以此驱动车辆。

  而在当前的技术限制下,即使是用纯铜来做绕组也会有电阻,可能这点电阻不大,但电机在大功率高速运转时,在大电流的“助攻”下,这一点点电阻就会被无限放大,进而造成很大的发热和能量损失。这也是为什么前些年的电机转速上不去的原因,因为散热跟不上。

  而由高中的物理知识我们知道,导线的电阻和导线的长度成正比,和横截面积成反比。我们要想导线的电阻变小,那么只需要降低长度以及增大横截面积。

  在这种背景下,Hair-pin扁线绕组技术就诞生了,它从横截面上将原来一个个圆形的绕组电线,做成了截面积是扁长方形的,像发卡一样的绕组,互相直接紧密贴合,避免了截面积的浪费。

  Hair-pin扁线绕组有三个显而易见的优势,首先是从圆线变为扁线,可以在相同的空间填充更多的铜材,槽满率可以提升20%以上。从而提升电机的功率密度,提高性能;其次扁导线与铁芯以及导线之间的接触面积更大,散热性能更好;再是由于扁导线的面积更大,所以电机运行时导线上的直流铜耗更小,温度也更容易控制下来。

  那什么是6层Hair-pin呢?一般的Hair-pin扁线绕组是两层一组,从上到下是两组一共4层排布,而由于交流电的“趋肤效应”和“邻近效应”(这里不深入解释了),所以需要把过粗的绕组导体再进行拆分。

  目前业内做的较好的,比如上汽集团,已经有了国内纯电动领域的首个量产8层Hair-pin绕组技术电机。

  电机说完我们继续说它的传动机构,ID.4X用的二级齿轮减速机构,用于降低电机转速,提升扭矩输出,它的结构是一共3个轴承(主流厂商一般是4个),通过主轴直连电机轴,最终将动力输出,们查询了相关资料,这款减速器的总速比为11.5:1,最高时速为160 km/h。

  最后就是逆变器了,大众ID.4X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。

  值得注意的是,它的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1.8 kW和3.0 kW。

  ID.X4的逆变器采用了“多层垂直组合”设计理念,依次有控制板,导热层,功率层,散热层,这种垂直化多层的设计有利于机器人的自动流水线组装。

  电控这块由于更多的设计代码以及分区功能等设计,我们在网上也没有找到可靠的官方资料,再加上分析三电系统基本也是将重点放在电池和电驱这一块,所以电控这部分我们也先按下不表。

  总的来看,基于大众MEB平台下的首款车型大众ID.4X在最核心的三电系统方面的确是表现出了一定的竞争力,比如创新的电池模组结构,6层Hair-pin电机绕组技术等,不过也有一点值得注意的是,他们在各项参数上并没有特别亮眼,比如对比特斯拉等品牌,在核心如电机等系统上,还是有一定的差距。

  而按照乘联会的数据显示,2022年3月国内新能源汽车的渗透率已经来到了28.2%,创下历史新高,趋势已经愈发不可阻挡,在这种背景下,核心三电系统的优劣,将会最终影响到整个品牌的竞争力。

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