1 引言

自從特斯拉model 誕生以來，一直執(zhí)新能源性能車的牛耳，憑借著強大的技術(shù)實力，偏執(zhí)狂般的產(chǎn)品路線，在乘用車市場掀起了新能源革命。旗下的Model S和Model X對傳統(tǒng)燃油車進行降維打擊，做到了100萬級以下的性能之王。其中，Model X憑借著487kW功率，844Nm扭矩，0-100km/h 4.6s的成績與比亞迪唐一起在SUV領(lǐng)域笑傲江湖。特斯拉也憑借著產(chǎn)業(yè)布局和前沿理念，股票一路高歌猛進，超過了豐田，成為市值最高的汽車公司。

對此，傳統(tǒng)主機廠也不甘落后，在新能源領(lǐng)域發(fā)起了絕地反擊，大眾集團是純電動領(lǐng)域布局較早的主機廠，其2030年戰(zhàn)略中計劃推出200余款純電動車型。在2018年首次推出了奧迪e-tron車型，代表大眾在新能源的技術(shù)高度，然而，其性能維度相比特斯拉依舊存在不足。對此，2020年，推出了奧迪e-tron的性能版——e-tron S，憑借著全球首次量產(chǎn)的三電機加成布局，加上電動扭矩矢量控制技術(shù)，實現(xiàn)了370kW和973Nm的扭矩，百公里加速達到了4.5s，最高時速可達210千米/小時。性能維度高度接近特斯拉model X。

2 基礎(chǔ)性能進一步提高

從2018年奧迪e-tron發(fā)布以來，到2020年，奧迪E-tron車型也在進行不斷的升級，在巡航能力上不斷提高。關(guān)鍵提高手段可以參照下圖1（續(xù)航里程為WLTP工況）。首先對電池的可用充電容量進行提高（SOC），從88%增加到91%，并通過相應(yīng)試驗證明了電池系統(tǒng)的魯棒性（簡單說就是可靠性和穩(wěn)定性），電池可用容量的增加并沒有犧牲掉安全與可靠性。在低負荷駕駛中，通過對核心電子零件的優(yōu)化，奧迪e-tron的前驅(qū)系統(tǒng)實現(xiàn)了完全意義的電解耦（Electrical axle decoupling），這意味著電氣裝置不再向電動機中輸入脈沖電流，從而降低了能耗，提高了運行效率。通過降低制動器殘留的制動扭矩，對并剎車盤的自清潔系統(tǒng)進行優(yōu)化，也提高了續(xù)航里程。對熱管理系統(tǒng)進一步優(yōu)化，通過降低冷卻液回路中的體積流量和冷卻泵的功耗，也提高了一些續(xù)航里程。因此，奧迪e-tron SUV的續(xù)航里程比剛剛上市時提高了25km（6%）。Sportback車型中利用更好的風(fēng)阻系數(shù)，WLTP工況的續(xù)航里程又增加了約10公里。

圖1 E-tron續(xù)航里程提高的措施（奧迪官方）

3 電驅(qū)動系統(tǒng) 為了電動化戰(zhàn)略，奧迪e-tron系列使用了能夠高通用化的動力總成驅(qū)動系統(tǒng)。為了優(yōu)化車輛組件的利用率，前電機采用了平行軸異步電機，后電機采用了同軸異步電機。電機的設(shè)計類似，只在有效長度上有所不同（120和210 mm）。電驅(qū)動相關(guān)元器件同樣被設(shè)計為通用化元件，其主要區(qū)別在于其不同的軟件版本和靈活布置的DC連接器。前后電機零件高度通用，其中滾柱軸承、密封件、轉(zhuǎn)子位置傳感器等都是通用的。如圖2所示，奧迪e-tron前電機采用APA250，最大功率135kW，扭矩309Nm；后電機采用AKA320，最大功率165kW，扭矩355Nm。性能版奧迪e-tron S前電機采用APA320，最大功率157kW，扭矩355Nm；后電機采用雙ATA250，最大功率2*138kW，扭矩2*309Nm。

圖2電驅(qū)動總成（奧迪官方）

4 雙同軸后電機ATA250 ATA250雙同軸電機是位于匈牙利的汽車廠制造的。它也是目前首個量產(chǎn)的雙同軸電機系統(tǒng)。所有關(guān)鍵組件（電機、電子電器和變速箱）都是為E-tron所代表的MLB evo平臺上進行全新開發(fā)的。尺寸和布置完美與MLB evo平臺結(jié)合，布置緊湊。動力總成系統(tǒng)可以直接安裝在副車架的四個點上，無需附加零件。通過緊固螺栓將電機外殼和變速箱外殼緊固，如圖3所示。

圖3 e-tron S后部雙同軸電機布置（奧迪官方） 這兩臺電機可以獨立啟動和控制，定子是與e-tron 55 quattro 前橋共用的部件，轉(zhuǎn)子、變速箱輸入端以及轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻的密封區(qū)域稍作修改。磁路也是相同的，動力總成所有外殼都是壓鑄鋁結(jié)構(gòu)，在強度、剛度和聲學(xué)方面都進行了優(yōu)化。左右兩側(cè)的電機殼體相同。 圖4（左）顯示了緊湊型雙同軸電機的布置，帶有兩個電機、兩個行星齒輪和兩個電子電器。電機是用螺栓背靠背固定的，沒有機械耦合裝置。電子電器和電機是橫向反向安裝的，這就是為什么定子的三相電連接器都位于頂部和底部。為了確保在緊湊布局中可以從下面連接到動力電池，該裝置設(shè)計有一個可變的直流連接端口，根據(jù)需要進行位置調(diào)整。

圖4 雙同軸電機ATA250透視圖（左）和截面圖（右）（奧迪官方） 雙同軸電機也有一個高效的冷卻理念。如圖4（右圖）中的冷卻液流動區(qū)域以藍色顯示（電子電器設(shè)備冷卻、定子冷卻、軸承板冷卻和轉(zhuǎn)子冷卻）。作為標準配置，電機轉(zhuǎn)子有一個特殊的軸接地裝置，以避免軸承電流通過滾柱軸承或齒輪。軸接地位于電機的轉(zhuǎn)子中，靠近齒輪機構(gòu)的左右兩側(cè)。兩個內(nèi)轉(zhuǎn)子軸承是陶瓷的，防止電流通過。提供內(nèi)部轉(zhuǎn)子冷卻的兩個轉(zhuǎn)速傳感器和冷卻液收集器也位于雙同軸電機的中間。 圖5顯示了后驅(qū)動雙同軸電機的分解圖。圍繞車輛縱軸旋轉(zhuǎn)的兩個電機和電子電器裝置的布置清晰可見，雙同軸電機中心的冷卻液收集器以及電機和變速箱外殼上的安裝點位也清晰可見。

圖5 ATA250雙同軸電機分解圖（奧迪官方）

5 電子電器-可變DC連接器和ASIL-D等級檢測 為奧迪e-tron全系列車型開發(fā)一個基礎(chǔ)電子電器單元是設(shè)計該系統(tǒng)的核心目標，以便實現(xiàn)效費比的最優(yōu)化。在任何情況下，無論使用哪一種電機，電子電器設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)計是相同的。電力電子設(shè)備外殼有兩個高壓直流連接口，需要使用哪個方向的就把哪個方向的車出來，布置上相應(yīng)的連接器和壓力補償元件，如圖6所示。

圖6電子電器直流連接口的柔性設(shè)計（奧迪官方） 該電子電器系統(tǒng)安全性足夠高，可以實現(xiàn)ASIL-D等級的扭矩檢測功能。

6 無差速器的雙同軸電機 與其他e-tron電驅(qū)動系統(tǒng)不同，奧迪e-tron S車型的雙同軸電機不需要差速器。每個輪子由兩個獨立的電機提供，它們通過螺栓連接在一起，但在扭矩傳遞路徑上沒有實現(xiàn)機械耦合。通過使用兩個緊湊的同軸齒輪機構(gòu)，如圖7，與兩個獨立運行的電機相連。

圖7 ATA250雙同軸電機的緊湊型軸齒輪（奧迪官方）

7 雙同軸電機的冷卻與散熱 對電機進行良好冷卻是獲得高功率密度的關(guān)鍵。由于安裝空間和重量的限制，有效、高度集成的冷卻系統(tǒng)對電驅(qū)動至關(guān)重要。在大量CAE分析的幫助下，為奧迪e-tron S的電動機開發(fā)了一種高效的冷卻概念。在共軛傳熱（CHT, Conjugate Heat Transfer）模擬中，采用耦合模型來模擬驅(qū)動電機中冷卻液和空氣的流動。 對于雙同軸電機，每臺電機都使用包含定子、軸承板和內(nèi)部轉(zhuǎn)子冷卻的水冷系統(tǒng)，其基本冷卻模型如圖8所示。除了良好的散熱外，重點在于設(shè)計一套盡可能節(jié)省空間的水回路，特別是兩個電機之間，從而使電動軸的全長保持緊湊。

圖8雙同軸電機的冷卻概念（奧迪官方）

8 電動機性能數(shù)據(jù) 圖9，圖10顯示了奧迪e-tron S車型的電機功率和扭矩曲線。注意，需要將后驅(qū)動的值相加，才能看到雙同軸電機的全部性能。由于異步電機的過載能力和有效的冷卻系統(tǒng)，兩個軸上都有大量的功率儲備，用于提升峰值功率或?qū)崿F(xiàn)電驅(qū)扭矩矢量控制（eTV，electric Torque Vectoring）。

圖9 前軸電機的功率和扭矩曲線

圖10 后軸電機的功率和扭矩曲線（單獨一個） 圖11，圖12顯示了e-tron S型號中完整電驅(qū)動性能。在車速50km/h到200km/h，60s峰值功率達到320kW，結(jié)合電池的最大性能以及整合eTV/升壓系統(tǒng)功率，10s峰值功率可以達到370 kW，且在車速60km/h到170km/h的范圍內(nèi)適用。對于peak模式（60s峰值功率）到eTV/boost模式（10s峰值功率），在車速0到70km/h的速度帶下，e-tron S的綜合扭矩處于800Nm（60s）到近1000Nm的高水平，如圖12（下圖）。特別值得注意的是，得益于良好的冷卻系統(tǒng)，即使在室外溫度較高的情況下，該異步電機滿載30分鐘后仍能提供2×70 kW（后驅(qū)動）和95 kW（前驅(qū)動）的高性能輸出。即使在高負荷駕駛期間（賽道），電機過熱和隨后的功率降額也微乎其微。此外，關(guān)于能量回收性能，由于三個電機的布局，與e-tron基礎(chǔ)款相比，回收功率可以從220kW增加到270kW。

圖11整合系統(tǒng)功率（奧迪官方）

圖12整合系統(tǒng)扭矩（奧迪官方）

9 操縱和駕駛樂趣 奧迪e-tron S的三電機布置，擁有無與倫比的快速響應(yīng)能力，并可實現(xiàn)最佳的輪上扭矩分配，車輛能夠在幾毫秒內(nèi)對輪胎摩擦的變化做出響應(yīng)。與奧迪e-tron 55相比，S車型中的三款電動機的響應(yīng)能力得到了進一步的提高。在任何駕駛模式下，車輛對油門踏板的變化都會做出更自然的響應(yīng)。

10 控制策略及應(yīng)用 奧迪自2019年車型更新以來，所有e-tron車型的前軸驅(qū)動都可以根據(jù)具體的駕駛情況進行完全的電氣解耦。對此，e-tron的控制策略也進行了調(diào)整，日常駕駛主要依靠后軸電機進行驅(qū)動，絕大多數(shù)工況下，通過提高負載點，讓后軸電機以更有效的方式運行。如果遇到急加速負載急劇增加的情況，或后輪出現(xiàn)打滑的情況下，前驅(qū)模式會介入，一般駕駛員是無法感知這種電機驅(qū)動分配的變化。

11 電動QUATTRO和ETV 奧迪的quattro是它的招牌，在電動車上也采用了一套類似的電動quattro技術(shù)。除了e-tron 55全可變縱向扭矩分配外，eTV也部署在奧迪e-tron S車型上。后軸上的兩個電機可以在兩個后輪之間施加不同的扭矩，從而改善各種工況下的操控性。該雙同軸電機可在幾毫秒內(nèi)實現(xiàn)高達2100Nm左右的瞬態(tài)扭矩分配。這會在車輛的垂直軸上產(chǎn)生一個偏置力矩，從而大大提高了汽車的自轉(zhuǎn)向性能。在典型的牽引情況下，比如μ-split加速模式，可以分配高達3000 Nm的差動扭矩。與傳統(tǒng)機電式差速器相比，左右車輪的0機械耦合可以在扭矩分配方面實現(xiàn)全新的自由度，當然，也對傳動系統(tǒng)的動態(tài)控制提出了更高的挑戰(zhàn)。

12 總結(jié) 目前在新能源戰(zhàn)場上，特斯拉一騎絕塵，以大眾為代表的傳統(tǒng)主機廠也在大象轉(zhuǎn)身，眾多造車新勢力也不甘示弱。相信到2025年，新能源市場將會出現(xiàn)全面競爭化，到那時，看看誰依舊馳騁沙場。

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原文標題：干翻特斯拉，奧迪全球首次三電機系統(tǒng)開發(fā)解密

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