1 引言

自從特斯拉model 誕生以來(lái)，一直執(zhí)新能源性能車(chē)的牛耳，憑借著強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力，偏執(zhí)狂般的產(chǎn)品路線，在乘用車(chē)市場(chǎng)掀起了新能源革命。旗下的Model S和Model X對(duì)傳統(tǒng)燃油車(chē)進(jìn)行降維打擊，做到了100萬(wàn)級(jí)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(jī)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(jìn)，超過(guò)了豐田，成為市值最高的汽車(chē)公司。

對(duì)此，傳統(tǒng)主機(jī)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(tuán)是純電動(dòng)領(lǐng)域布局較早的主機(jī)廠，其2030年戰(zhàn)略中計(jì)劃推出200余款純電動(dòng)車(chē)型。在2018年首次推出了奧迪e-tron車(chē)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(duì)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(jī)加成布局，加上電動(dòng)扭矩矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了370kW和973Nm的扭矩，百公里加速達(dá)到了4.5s，最高時(shí)速可達(dá)210千米/小時(shí)。性能維度高度接近特斯拉model X。

2 基礎(chǔ)性能進(jìn)一步提高

從2018年奧迪e-tron發(fā)布以來(lái)，到2020年，奧迪E-tron車(chē)型也在進(jìn)行不斷的升級(jí)，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(duì)電池的可用充電容量進(jìn)行提高（SOC），從88%增加到91%，并通過(guò)相應(yīng)試驗(yàn)證明了電池系統(tǒng)的魯棒性（簡(jiǎn)單說(shuō)就是可靠性和穩(wěn)定性），電池可用容量的增加并沒(méi)有犧牲掉安全與可靠性。在低負(fù)荷駕駛中，通過(guò)對(duì)核心電子零件的優(yōu)化，奧迪e-tron的前驅(qū)系統(tǒng)實(shí)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(dòng)機(jī)中輸入脈沖電流，從而降低了能耗，提高了運(yùn)行效率。通過(guò)降低制動(dòng)器殘留的制動(dòng)扭矩，對(duì)并剎車(chē)盤(pán)的自清潔系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，也提高了續(xù)航里程。對(duì)熱管理系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)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(shí)提高了25km（6%）。Sportback車(chē)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(dòng)系統(tǒng) 為了電動(dòng)化戰(zhàn)略，奧迪e-tron系列使用了能夠高通用化的動(dòng)力總成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為了優(yōu)化車(chē)輛組件的利用率，前電機(jī)采用了平行軸異步電機(jī)，后電機(jī)采用了同軸異步電機(jī)。電機(jī)的設(shè)計(jì)類(lèi)似，只在有效長(zhǎng)度上有所不同（120和210 mm）。電驅(qū)動(dòng)相關(guān)元器件同樣被設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)采用APA250，最大功率135kW，扭矩309Nm；后電機(jī)采用AKA320，最大功率165kW，扭矩355Nm。性能版奧迪e-tron S前電機(jī)采用APA320，最大功率157kW，扭矩355Nm；后電機(jī)采用雙ATA250，最大功率2*138kW，扭矩2*309Nm。

圖2電驅(qū)動(dòng)總成（奧迪官方）

4 雙同軸后電機(jī)ATA250 ATA250雙同軸電機(jī)是位于匈牙利的汽車(chē)廠制造的。它也是目前首個(gè)量產(chǎn)的雙同軸電機(jī)系統(tǒng)。所有關(guān)鍵組件（電機(jī)、電子電器和變速箱）都是為E-tron所代表的MLB evo平臺(tái)上進(jìn)行全新開(kāi)發(fā)的。尺寸和布置完美與MLB evo平臺(tái)結(jié)合，布置緊湊。動(dòng)力總成系統(tǒng)可以直接安裝在副車(chē)架的四個(gè)點(diǎn)上，無(wú)需附加零件。通過(guò)緊固螺栓將電機(jī)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(jī)布置（奧迪官方） 這兩臺(tái)電機(jī)可以獨(dú)立啟動(dòng)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(dòng)力總成所有外殼都是壓鑄鋁結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)度、剛度和聲學(xué)方面都進(jìn)行了優(yōu)化。左右兩側(cè)的電機(jī)殼體相同。 圖4（左）顯示了緊湊型雙同軸電機(jī)的布置，帶有兩個(gè)電機(jī)、兩個(gè)行星齒輪和兩個(gè)電子電器。電機(jī)是用螺栓背靠背固定的，沒(méi)有機(jī)械耦合裝置。電子電器和電機(jī)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(dòng)力電池，該裝置設(shè)計(jì)有一個(gè)可變的直流連接端口，根據(jù)需要進(jìn)行位置調(diào)整。

圖4 雙同軸電機(jī)ATA250透視圖（左）和截面圖（右）（奧迪官方） 雙同軸電機(jī)也有一個(gè)高效的冷卻理念。如圖4（右圖）中的冷卻液流動(dòng)區(qū)域以藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)配置，電機(jī)轉(zhuǎn)子有一個(gè)特殊的軸接地裝置，以避免軸承電流通過(guò)滾柱軸承或齒輪。軸接地位于電機(jī)的轉(zhuǎn)子中，靠近齒輪機(jī)構(gòu)的左右兩側(cè)。兩個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子軸承是陶瓷的，防止電流通過(guò)。提供內(nèi)部轉(zhuǎn)子冷卻的兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器和冷卻液收集器也位于雙同軸電機(jī)的中間。 圖5顯示了后驅(qū)動(dòng)雙同軸電機(jī)的分解圖。圍繞車(chē)輛縱軸旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)電機(jī)和電子電器裝置的布置清晰可見(jiàn)，雙同軸電機(jī)中心的冷卻液收集器以及電機(jī)和變速箱外殼上的安裝點(diǎn)位也清晰可見(jiàn)。

圖5 ATA250雙同軸電機(jī)分解圖（奧迪官方）

5 電子電器-可變DC連接器和ASIL-D等級(jí)檢測(cè) 為奧迪e-tron全系列車(chē)型開(kāi)發(fā)一個(gè)基礎(chǔ)電子電器單元是設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的核心目標(biāo)，以便實(shí)現(xiàn)效費(fèi)比的最優(yōu)化。在任何情況下，無(wú)論使用哪一種電機(jī)，電子電器設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是相同的。電力電子設(shè)備外殼有兩個(gè)高壓直流連接口，需要使用哪個(gè)方向的就把哪個(gè)方向的車(chē)出來(lái)，布置上相應(yīng)的連接器和壓力補(bǔ)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(jì)（奧迪官方） 該電子電器系統(tǒng)安全性足夠高，可以實(shí)現(xiàn)ASIL-D等級(jí)的扭矩檢測(cè)功能。

6 無(wú)差速器的雙同軸電機(jī) 與其他e-tron電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同，奧迪e-tron S車(chē)型的雙同軸電機(jī)不需要差速器。每個(gè)輪子由兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)提供，它們通過(guò)螺栓連接在一起，但在扭矩傳遞路徑上沒(méi)有實(shí)現(xiàn)機(jī)械耦合。通過(guò)使用兩個(gè)緊湊的同軸齒輪機(jī)構(gòu)，如圖7，與兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的電機(jī)相連。

圖7 ATA250雙同軸電機(jī)的緊湊型軸齒輪（奧迪官方）

7 雙同軸電機(jī)的冷卻與散熱 對(duì)電機(jī)進(jìn)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(duì)電驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要。在大量CAE分析的幫助下，為奧迪e-tron S的電動(dòng)機(jī)開(kāi)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(lái)模擬驅(qū)動(dòng)電機(jī)中冷卻液和空氣的流動(dòng)。 對(duì)于雙同軸電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)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(diǎn)在于設(shè)計(jì)一套盡可能節(jié)省空間的水回路，特別是兩個(gè)電機(jī)之間，從而使電動(dòng)軸的全長(zhǎng)保持緊湊。

圖8雙同軸電機(jī)的冷卻概念（奧迪官方）

8 電動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù) 圖9，圖10顯示了奧迪e-tron S車(chē)型的電機(jī)功率和扭矩曲線。注意，需要將后驅(qū)動(dòng)的值相加，才能看到雙同軸電機(jī)的全部性能。由于異步電機(jī)的過(guò)載能力和有效的冷卻系統(tǒng)，兩個(gè)軸上都有大量的功率儲(chǔ)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(jī)的功率和扭矩曲線

圖10 后軸電機(jī)的功率和扭矩曲線（單獨(dú)一個(gè)） 圖11，圖12顯示了e-tron S型號(hào)中完整電驅(qū)動(dòng)性能。在車(chē)速50km/h到200km/h，60s峰值功率達(dá)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(dá)到370 kW，且在車(chē)速60km/h到170km/h的范圍內(nèi)適用。對(duì)于peak模式（60s峰值功率）到eTV/boost模式（10s峰值功率），在車(chē)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(jī)滿載30分鐘后仍能提供2×70 kW（后驅(qū)動(dòng)）和95 kW（前驅(qū)動(dòng)）的高性能輸出。即使在高負(fù)荷駕駛期間（賽道），電機(jī)過(guò)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(gè)電機(jī)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(lè)趣 奧迪e-tron S的三電機(jī)布置，擁有無(wú)與倫比的快速響應(yīng)能力，并可實(shí)現(xiàn)最佳的輪上扭矩分配，車(chē)輛能夠在幾毫秒內(nèi)對(duì)輪胎摩擦的變化做出響應(yīng)。與奧迪e-tron 55相比，S車(chē)型中的三款電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)能力得到了進(jìn)一步的提高。在任何駕駛模式下，車(chē)輛對(duì)油門(mén)踏板的變化都會(huì)做出更自然的響應(yīng)。

10 控制策略及應(yīng)用 奧迪自2019年車(chē)型更新以來(lái)，所有e-tron車(chē)型的前軸驅(qū)動(dòng)都可以根據(jù)具體的駕駛情況進(jìn)行完全的電氣解耦。對(duì)此，e-tron的控制策略也進(jìn)行了調(diào)整，日常駕駛主要依靠后軸電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，絕大多數(shù)工況下，通過(guò)提高負(fù)載點(diǎn)，讓后軸電機(jī)以更有效的方式運(yùn)行。如果遇到急加速負(fù)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(huì)介入，一般駕駛員是無(wú)法感知這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)分配的變化。

11 電動(dòng)QUATTRO和ETV 奧迪的quattro是它的招牌，在電動(dòng)車(chē)上也采用了一套類(lèi)似的電動(dòng)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(chē)型上。后軸上的兩個(gè)電機(jī)可以在兩個(gè)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(jī)可在幾毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)2100Nm左右的瞬態(tài)扭矩分配。這會(huì)在車(chē)輛的垂直軸上產(chǎn)生一個(gè)偏置力矩，從而大大提高了汽車(chē)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(dá)3000 Nm的差動(dòng)扭矩。與傳統(tǒng)機(jī)電式差速器相比，左右車(chē)輪的0機(jī)械耦合可以在扭矩分配方面實(shí)現(xiàn)全新的自由度，當(dāng)然，也對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(chǎng)上，特斯拉一騎絕塵，以大眾為代表的傳統(tǒng)主機(jī)廠也在大象轉(zhuǎn)身，眾多造車(chē)新勢(shì)力也不甘示弱。相信到2025年，新能源市場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)全面競(jìng)爭(zhēng)化，到那時(shí)，看看誰(shuí)依舊馳騁沙場(chǎng)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：干翻特斯拉，奧迪全球首次三電機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)解密

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