來源：吳慶國6544 電動新視界
大眾汽車正在承諾把巨大的精力投入到為廣大人口實現交通電氣化的事業之中。大眾也指出模塊化的電氣化套件(MEB)作為即將到來的電動化攻勢的商業技術支柱。到2022年底，集團旗下27款MEB車型將在全球啟動生產。根據大眾的“E路線圖”，該公司計劃到2025年生產80多款電動汽車，其中約50款將是全電動汽車。因此，MEB是大眾集團內部電動汽車產業化的基礎。
一、說明
大眾致力於電動交通系統的發展。全新一代的ID. family電動汽車將於2020年上市。將會有不同級別的零排放車輛，它們的行駛里程與今天的汽油車相當。ID. CROZZ, ID. VIZZION和ID. BUZZ已經公開。第一款將於2020年投放市場的ID.車型將是ID.一款價格適中、四門、全連接的緊湊型汽車(圖1)。大眾集團計劃到2022年在全球推出27款MEB汽車。其中包括奧迪、西亞特、斯柯達、大眾和大眾商用車品牌的電動車型。
圖1 The ID. 家族: (左起) the ID., ID. CROZZ, ID. VIZZION and ID. BUZZ
該ID.將標誌著世界上第一個基於模塊化電氣化工具包(MEB)的模型的首次亮相，這是一個專門為全電動汽車開發的技術平臺(圖2)。電動驅動系統的組件和電池包是精確地系統互連。高壓電池位於車軸之間的中心。它是可擴展的，適應不同的電池類型，並配備了集成的液體冷卻。因此，比較容易集成到ID.模型的各種功率輸出中。根據電池大小和ID.型號，範圍約為可達到330公里至550公里以上。一個充電功率高達11kW交流充電器集成在車輛。採用CCS(聯合充電系統)裝置可實現高達125kW的直流充電。基本上可以在平臺上安裝兩個電動驅動系統，通過MEB的可伸縮部件實現驅動一個軸或兩個軸。
圖2 MEB車型平臺
ID.的零排放驅動系統主要由與後軸相結合的電機組成，包括功率逆變器和單速變速器、安裝在車底的高壓電池和位於車前端的輔助部件，以節約空間。緊湊的驅動系統由電機、電源逆變器和單速變速器組成。它的行駛里程和現在的汽油車差不多，價格和柴油車一樣，ID.也有潛力促進環保電動交通的發展，並開始一個電力驅動系統新時代。
二、高壓電池系統介紹
確定電壓範圍的關鍵因素是高壓電池。它集成到前後車軸之間的車身底部底，這節省了空間，並提供了較為寬敞的車內空間，同時確保一個最佳的前後50%:50%的重量分佈，並且具備低重心的整車優勢。高壓電池是電動車最重要的成本因素。在其開發和設計過程中，除了要考慮滿足長里程的電池容量和功率密度、優異的駕駛性能和快速充電能力等技術標準外，還要考慮成本和使用壽命等經濟方面的因素。
對於MEB，大眾汽車開發了高性能鋰離子高壓電池，在一定操作習慣和工作溫度條件下，保證了高實用性和長使用壽命。它提供了一個在寬的溫度波段和充電範圍的狀態可重複的高功率輸出的電子驅動器。在短充電時間，高水平的連續電流容量，充電功率高達125kW。可伸縮的電池容量確保了可提供不同的ID.車型家族，從330公里到超過550公里(根據WLTP)範圍的續駛里程。
高壓電池由並聯和串接的模塊組成，這些模塊又由單獨的電池單元組成。由於採用模塊化設計，高壓電池中的電池單元數量可以變化。這使得不同的能量含量和縮放的高壓電池能適應不同的汽車概念和客戶的要求。強大的熱管理具有直接冷卻系統能確保即使在高負荷或低溫情況下高壓電池依然能運行在其25至35℃的最佳溫度範圍。電流、電壓和溫度通過單元模塊控制器和主控制單元進行監控。
三、充電技術
圖3 MEB車輛的充電選項
除了里程，充電問題對電動車的日常實用性也至關重要。客戶對充電技術有明確的要求：充電時間儘可能短，充電選擇充足。大眾公司假設大多數ID.駕車者每週只給他們的電動車充電一次，這意味著50%的充電活動可能在家裡進行。因此,車輛基於MEB將作為標準配備一個type 2充電連接，其中可通過交流連接充電，可通過一個標準家用插座充電2.3 kW或在11kW的壁櫃。晚上牆盒的交流充電為電池充電提供了充分的電力。由於電池只能用直流電充電，所以車上集成了一個11kW的充電器，將插座、壁櫃或交流充電站的交流電轉換成直流電，為高壓電池充電。
可選的CCS充電端口可以顯著縮短充電時間。它結合了一個2型插頭和兩個額外的電源接點進行直流充電(圖3)。通過CCS充電端口，高壓電池可以使用高達125kW的電源進行充電。30分鐘內可以充滿其80%的電量。從長遠來看，MEB也為感應充電做好了準備，這既不需要電纜也不需要插頭。車輛簡單地停在一個所謂的充電板上，通過這個充電板充電。
四、MEB的電驅動系統
圖4 MEB的後驅系統
為MEB研發了兩個新的電驅動系統。主驅是後軸上的永磁同步電機(PSM，圖4)。它結合了一個功率逆變器(PI)和一個平行軸的減速器。輸出功率為150 kw，扭矩為310 Nm，最大轉速為16000 rpm。PSM是一個具有高功率密度和高效率的系統組件，在寬調速範圍內可持續提供輸出。
根據車輛規劃，MEB前驅可以提供動力。前驅是一個帶有感應異步電機的電驅系統，可實現整車四驅。它的功率輸出為75 kW，扭矩為151 Nm，最大轉速為14000 rpm。異步機（ASM）以其短時間超載運行和低阻損失的能力而著稱。因此，它非常適合做輔驅。
下面將重點介紹MEB永磁同步電機（PSM）電驅的組成、技術特徵和性能數據。
4.1 PSM/ASM工作原理
永磁同步電機的工作原理
定子三相銅繞組中的電流產生旋轉磁通(旋轉磁場)。轉子內的勵磁磁場由永磁體無損耗地產生，並穿透定子。這會產生了一個切向力，其中轉子和定子的旋轉場以相同的轉速(同步)旋轉(圖5，左)。
異步機(ASM)工作原理
定子三相銅繞組中的電流產生旋轉磁通(旋轉磁場)，通過短路繞組穿透轉子。異步電機中的轉子，其轉速略低於定子的旋轉磁場(異步)。這在短路繞組中產生磁場變化，從而產生電流。由此產生的磁場在轉子中產生一個切向力，作為轉矩作用在轉子軸上(圖5，右)。
圖5 PSM(左)和ASM(右)的基本結構
4.2 逆變器（PI）
電機的三相電流由直接安裝在電機上的液冷功率逆變器(PI)提供。圖6顯示了電源逆變器的爆炸視圖。在電源逆變器內部，將最新一代的三個IGBT電源模塊連接起來，形成了一個經典的B6電源逆變器。在模塊載體內部，電源模塊被冷卻結構框起來，這樣驅動板就可以直接插到電源模塊的觸腳上。驅動板在和控制板之間加裝有屏蔽罩。
圖6 功率逆變器(PI)結構
PI內部其他重要組件包括：直流輸入的濾波組件，直流母線電容器，三相母線銅排和液冷冷卻單元。
PI的模塊化設計適用於大批量工業化生產。從通過模塊載體的電源模塊到電源和控制器模塊，創建了一個模塊化系統，該系統提供了一個基礎，在此基礎上，下一代電子驅動項目可以實現較小的修改就可以完成。此外，電力電子產品的全自動生產確保了即使在大規模生產中結構和功能的質量穩定。為調節電機電流值而導入和處理傳感器數據是一個高度動態的過程。其結果是最佳的功率利用，特別是在動態工作點。一些車輛功能，如減振和滑動控制功能，被直接集成到電力電子系統中。因此，可以實現沒有延遲的總線通信。這種設計的優點是在開發過程中有更多直接的適應選項，以滿足特定車輛駕駛行為的需求。
在MEB平臺中，DC/DC轉換器沒有集成到PI中，而是作為一個單獨的液冷組件設計的。DC/DC可以靈活安裝到車輛其他地方，並有兩個功率等級可供選擇，它們分別為1.8 kW和3.0 kW。
4.3 PSM後橋驅動
MEB後驅電機為三相永磁同步電機(PSM)，轉子四對極，最大轉速為16000 rpm。它由電源逆變器、四部分殼體(電機殼體、電機後端蓋、減速器前殼、減速器後殼，見圖4)、定子、轉子、帶溫度傳感器的旋轉變壓器、單擋減速器等主要模塊組成。電驅總成是在卡塞爾的大眾工廠生產的。轉子和定子由大眾薩爾茨基特（Salzgitter）廠提供。
定子包含用於三相連接的母線繞組。轉子內的永磁體為釹合金組成的永磁體，嵌入到疊片中。定子和轉子安裝在一個鑄造外殼內，定子液體冷卻。兩個深溝球軸承安裝在轉子軸兩端。
在電機軸後端安裝有旋變轉子，低壓接線端子包括繞組溫度的傳感器和旋變信號，最好通過電機蓋板封閉。旋變和溫度低壓信號最後連接到控制器端。減速器減速增扭，減速器的前殼體與電機前端蓋集成化設計，降低重量和尺寸(見圖4)。
4.3.1定子結構
圖7 PSM定子
定子主要由疊片和三相髮卡線繞組組成(圖7)。疊片組由單個的、焊接的、分層的、外徑為220mm的獨立鍍層金屬板疊片組成。疊片具有較高的導磁率，厚度為0.27 mm，並在兩面塗有一層電絕緣層。定子分為四段，每段在組裝期間偏移90度。這減少了金屬晶粒方向對旋轉磁場均勻性的影響。
繞組插入到定子槽，焊接三相端部(圖8)，並自動連接三相銅排。該定子結構的末端繞組包含一個用於溫度傳感器的接觸裝置。定子還浸漬樹脂，以增加絕緣，改善熱傳導和加強繞組。定子經過自動測試程序，自動壓裝到電機外殼。
圖8 定子線圈組件
4.3.2 轉子結構
圖9 轉子的爆炸圖
轉子由轉子軸、嵌入v形永磁體的疊片、壓板和旋變轉子組成。轉子分為四段。轉子端面用壓板壓緊，並通過四個張緊螺釘連接在一起，這些螺釘穿過疊片(圖9)。全自動化壓緊疊片，自動壓裝轉子軸完成裝配。
轉子永磁體採用"V+1"斜級佈置。它們被一層膨脹的磁性塗層保護著。目的是提升電機NVH性能。疊片是由相同材料的金屬片衝切而成。
轉子軸設計為空心軸，由兩部分焊接而成。它通過縱向內花鍵連接到變速器的輸入軸上。整個電機軸和減速器輸入軸三軸承支撐，軸承為低摩擦深溝球軸承。降低機械損失。
轉子軸與疊片安裝時，需對疊片總成加熱。這也導致永磁體熱激活和磁塗層膨脹，需固定好永磁鐵。
4.3.3 帶溫度傳感器的旋轉變壓器
圖10 PSM b側軸承屏蔽上的組件
為了給定子繞組通入正確的三相交流電，需要檢測轉子的正確位置。此任務由旋變完成。它由轉子軸上的轉子和固定在電機後軸承軸承屏蔽上的定子組成(圖10)。
在定子繞組上的一個髮夾中設計一個專用固定點，其中安裝有用於測定繞組溫度的溫度傳感器。
從解析器和溫度傳感器發出的信號通過信號插頭傳輸到PI，然後進行評估。
電源逆變器是通過螺栓連到電機外殼。用於定子相位繞組的三條母線是PI的組成部分，在定子固定在電機外殼後被固定在定子的接觸橋上。
A端和B端蓋板內部都包含特殊的碰撞元件，在發生追尾碰撞時，該元件可以將驅動裝置與車身框架隔離，從而防止高壓電池短路。
4.3.4 冷卻和加熱電子驅動器
電驅動系統是液體冷卻的。冷卻液流入電子驅動器首先通過電源逆變器運行，因為半導體規定了允許的最大冷卻液溫度。流過PI後，冷卻劑通過密封管塞元件進入電機外殼的冷卻水套。熱量主要是由定子銅繞組的電阻損耗產生的，通過繞組絕緣層和疊片到達機殼中的冷卻水套。冷卻介質通過經過優化的周向冷卻通道進入定子，並在冷卻水道的末端通過冷卻連接軟管進入車輛的外部冷卻迴路(圖11)。
圖11 冷卻液流經PI和定子
4.3.5 電子驅動器技術參數
*重量為PI、電機、減速器三者的總重
緊湊的MEB電子驅動器為大眾的ID.汽車家族提供了一個卓越的驅動性能。平行軸MEB後驅動橋，永磁同步電機集成PI和單速減速器，提供了150 kW的峰值功率和310 Nm的最大扭矩。電機的最大轉速為16000 rpm(圖12)。
同軸MEB前軸驅動橋作為四輪驅動輔驅，是一種集成PI和單擋減速器的異步電機。它提供了一個峰值功率75 kW和最大扭矩151 Nm。這臺電機的最大轉速為14000 rpm。
圖12 PSM效率圖
電子驅動器的設計是基於對不同駕駛週期的電機特性map圖中能量轉化的詳細評估。在設計磁路時，我們特別注意城市駕駛循環的工作點，以確保電子驅動器在這些情況下高效運行。在大量的現實工況中，效率遠高於90%(見圖12、圖13)。
圖13 PSM滿載圖
4.3.6 MEB後驅動橋與e-Golf 驅動橋的比較
*重量為PI、電機、減速器三者的總重
將新型MEB後橋驅動與目前e-Golf中的電驅動橋技術數據進行比較[3,4,5]，說明了其開發進展。峰值功率可提高50%至150 kW，扭矩可提高7%至310 Nm。儘管增加了功率和扭矩，MEB後橋驅動器的重量減少了18%，至90kg。這使得MEB後軸驅動的功率重量比為1667 W/kg，與e-Golf的電驅動橋相比顯著提高了82%。
4.4 單速變速箱
圖14 MEB後驅動橋單速變速箱
單擋減速器為二級齒輪減速機構，用於降低電機轉速，提升扭矩輸出(圖14)。
MEB專門對減速器齒輪進行了NVH聲學優化。電機軸和減速器輸入軸採用3軸承支撐，減少了摩擦。潤滑油終身免維護。進行了針對性的潤滑設計，採用乾式油底殼概念降低攪油損失，提升效率。此外，將帶預緊力錐軸承改成了浮動柱軸承。
減速器設計了不同速比以滿足不同動力需求。ID首次使用時的總速比為11.5:1，最高時速為160 km/h。同時，MEB將取消傳動系駐車鎖止機構，在坡路工況，將採用輪端EPB實現駐車功能。
五.總結
大眾MEB的動力系統是一個模塊化構建工具包的一部分，其組件可形成各種不同的電子動力系統配置，以配置各種規格的電動汽車。
MEB的平行軸後軸驅動系統包括一臺高效的永磁同步電機、一個摩擦優化的單速變速器和一個緊固在電機上的高度緊湊的功率逆變器。與高壓鋰離子電池相結合，大眾ID型車的電子驅動最大扭矩為310 Nm，最大功率為150 kW。對於四輪驅動的應用，有一個額外的同軸電驅動橋可用於前軸。它是由一個創新的異步電機，搭配低摩擦單擋減速器，同時集成了控制器組成的。
電氣化動力系統的MEB代表了大眾汽車新車模塊化方法的系統延續。由於系統開發的高容量，開發和組件成本可以大大降低。這是降低汽車成本，從而增加電動汽車的市場滲透的必要先決條件。
它的續駛里程和現在的汽油車差不多，價格和柴油車一樣，ID.也有潛力促進環保電動交通的發展，並開始一個電力驅動系統新時代。
