Introducción a la tecnología del sistema de propulsión eléctrica ID4 de la plataforma MEB de Volkswagen

Autor: Wu Qingguo? El artículo se publicó por primera vez en la cuenta pública de WeChat de "Electric New Horizons"

1. ¿Descripción?

Volkswagen se compromete a hacerlo. el desarrollo de sistemas de transporte eléctricos. En 2020 se lanzará una nueva generación de vehículos eléctricos de la familia ID. Habrá diferentes clases de vehículos de cero emisiones con autonomías comparables a las de los coches de gasolina actuales. ID.?CROZZ, ?ID.?VIZZION y ?ID.?BUZZ se han hecho públicos. El primer modelo ID que llegará al mercado en 2020 será el ID., un coche compacto asequible, de cuatro puertas y totalmente conectado (Figura 1). El Grupo Volkswagen planea lanzar 27 automóviles MEB a nivel mundial para 2022. Entre ellos se incluyen modelos eléctricos de las marcas Audi, Seat, Skoda, Volkswagen y Volkswagen Vehículos Comerciales.

Figura 1?La?ID.?familia:?(desde la izquierda)?la?ID.,?ID.?CROZZ,?ID.?VIZZION?y?ID.?BUZZ

El ID marcará el debut del primer modelo del mundo basado en el Kit de Electrificación Modular (MEB), una plataforma tecnológica desarrollada específicamente para vehículos totalmente eléctricos (Figura 2). Los componentes del sistema de propulsión eléctrica y la batería están interconectados de forma precisa. La batería de alto voltaje se encuentra en el centro entre los ejes. Es escalable para adaptarse a diferentes tipos de baterías y viene con refrigeración líquida integrada. Por tanto, es relativamente fácil de integrar en las distintas salidas de potencia del modelo ID. Dependiendo del tamaño de la batería y del modelo de identificación, la autonomía puede oscilar entre 330 kilómetros y más de 550 kilómetros. En el vehículo está integrado un cargador de CA con una potencia de carga de hasta 11 kW. Se puede lograr una carga de CC de hasta 125 kW utilizando dispositivos CCS (sistema de carga combinado). Básicamente, sobre la plataforma se pueden instalar dos sistemas de accionamiento eléctrico, accionando uno o dos ejes a través de las partes retráctiles de la MEB.

Figura 2? Plataforma modelo MEB

El sistema de propulsión cero emisiones del ID. está compuesto principalmente por un motor combinado con el eje trasero, que incluye un inversor de potencia y una velocidad única. transmisión, instalada en una batería de alto voltaje debajo del automóvil y componentes auxiliares ubicados en la parte delantera del automóvil para ahorrar espacio. El sistema de accionamiento compacto consta de un motor eléctrico, un inversor de potencia y una transmisión de una sola velocidad. Con una autonomía similar a la de los vehículos de gasolina actuales y el mismo precio que los vehículos diésel, el ID también tiene el potencial de promover el desarrollo del transporte eléctrico respetuoso con el medio ambiente y comenzar una nueva era de sistemas de propulsión eléctrica.

2. ¿Introducción al sistema de batería de alto voltaje?

El factor clave para determinar el rango de voltaje es la batería de alto voltaje. Está integrado en los bajos entre los ejes delantero y trasero, lo que ahorra espacio y proporciona un interior más espacioso, al tiempo que garantiza una óptima distribución del peso de adelante hacia atrás 50%:50% y un centro de gravedad bajo. Las baterías de alto voltaje son el factor de coste más importante de los vehículos eléctricos. Durante su proceso de desarrollo y diseño, además de estándares técnicos como la capacidad de la batería de largo alcance y la densidad de potencia, el excelente rendimiento de conducción y las capacidades de carga rápida, también se deben considerar factores económicos como el costo y la vida útil.

Para MEB, Volkswagen ha desarrollado una batería de alto voltaje de iones de litio de alto rendimiento, que garantiza una alta practicidad y una larga vida útil bajo ciertos hábitos operativos y condiciones de temperatura de trabajo. Proporciona un controlador electrónico con una salida de alta potencia repetible en una amplia banda de temperatura y rango de carga. Alto nivel de capacidad de corriente continua en tiempos de carga cortos, potencia de carga de hasta 125kW. La capacidad escalable de la batería garantiza que haya disponibles diferentes familias de modelos ID con autonomías que van desde 330 kilómetros hasta más de 550 kilómetros (según WLTP).

Las baterías de alto voltaje están compuestas por módulos conectados en paralelo y en serie, que a su vez están compuestos por celdas de batería individuales. Gracias al diseño modular, se puede variar el número de celdas de la batería de alto voltaje. Esto permite adaptar baterías de alto voltaje con diferentes contenidos energéticos y escalas a diferentes conceptos de vehículos y requisitos de los clientes. La potente gestión térmica con un sistema de refrigeración directa garantiza que la batería de alto voltaje pueda seguir funcionando dentro de su rango de temperatura óptimo de 25 a 35 °C incluso en condiciones de alta carga o baja temperatura. La corriente, el voltaje y la temperatura se monitorean a través del controlador del módulo de la unidad y la unidad de control principal.

3. ¿Tecnología de carga?

Figura 3: Opciones de carga para vehículos MEB

Además del kilometraje, los problemas de carga también son cruciales para la practicidad diaria de los vehículos eléctricos. vehículos. Los clientes tienen requisitos claros en cuanto a la tecnología de carga: los tiempos de carga son lo más cortos posible y las opciones de carga son suficientes. Volkswagen supone que la mayoría de los conductores de ID sólo cargan sus vehículos eléctricos una vez a la semana, lo que significa que el 50% de la actividad de carga puede realizarse en casa. Por lo tanto, los vehículos basados ​​en MEB estarán equipados de serie con una conexión de carga tipo 2, que se puede cargar a través de una conexión de CA, ya sea a través de un enchufe doméstico estándar de 2,3 kW o en un armario de pared de 11 kW. La carga de CA desde la caja de pared por la noche proporciona suficiente energía para recargar la batería. Dado que la batería sólo se puede cargar con alimentación de CC, se integra un cargador de 11 kW en el vehículo para convertir la energía de CA de un tomacorriente, un gabinete de pared o una estación de carga de CA en energía de CC para cargar la batería de alto voltaje.

El puerto de carga CCS opcional puede acortar significativamente el tiempo de carga. Combina un enchufe tipo 2 con dos contactos de alimentación adicionales para carga de CC (Figura 3). A través del puerto de carga CCS, la batería de alto voltaje se puede cargar utilizando fuentes de energía de hasta 125 kW.

Puede cargar el 80% de su potencia en 30 minutos. A largo plazo, MEB también está preparado para la carga inductiva, que no requiere cables ni enchufes. El vehículo simplemente se aparca en una denominada plataforma de carga y se carga a través de ella.

4. ¿Sistema de propulsión eléctrica de MEB?

Figura 4: ¿Sistema de propulsión trasera de MEB?

Se han desarrollado dos nuevos sistemas de propulsión eléctrica para MEB. La transmisión principal es un motor síncrono de imán permanente (PSM, Figura 4) en el eje trasero. Combina un inversor de potencia (PI) y un reductor de ejes paralelos. La potencia de salida es de 150 kw, el par motor es de 310 Nm y la velocidad máxima es de 16000 rpm. PSM es un componente del sistema con alta densidad de potencia y alta eficiencia, que puede proporcionar resultados de forma continua en un amplio rango de velocidades.

Según la planificación del vehículo, la tracción delantera MEB puede proporcionar potencia. La tracción delantera es un sistema de propulsión eléctrica con un motor asíncrono de inducción, que puede lograr tracción en las cuatro ruedas para todo el vehículo. Su potencia es de 75 kW, su par motor es de 151 Nm y su velocidad máxima es de 14.000 rpm. Las máquinas asíncronas (ASM) son conocidas por su capacidad de funcionar sobrecargadas durante cortos períodos de tiempo y con bajas pérdidas de resistencia. Por tanto, es muy adecuado para la conducción auxiliar.

A continuación se centrará en la composición, las características técnicas y los datos de rendimiento del motor eléctrico síncrono de imán permanente (PSM) MEB.

4.1? Principio de funcionamiento del PSM/ASM

Principio de funcionamiento del motor síncrono de imanes permanentes

La corriente en el devanado de cobre trifásico del estator genera rotación flujo magnético (campo magnético giratorio). El campo magnético de excitación en el rotor es generado sin pérdidas por los imanes permanentes y penetra en el estator. Esto crea una fuerza tangencial en la que los campos giratorios del rotor y del estator giran a la misma velocidad (sincrónicamente) (Fig. 5, izquierda).

Principio de funcionamiento de la máquina asíncrona (ASM)

La corriente en el devanado de cobre trifásico del estator genera un flujo magnético giratorio (campo magnético giratorio), que penetra en el rotor a través del devanado de cortocircuito. El rotor de un motor asíncrono gira a una velocidad ligeramente menor que el campo magnético giratorio del estator (asíncrono). Esto crea un cambio en el campo magnético en el devanado en cortocircuito, lo que crea una corriente eléctrica. El campo magnético resultante produce una fuerza tangencial en el rotor que actúa como par en el eje del rotor (Figura 5, derecha).

Figura 5? Estructura básica de PSM (izquierda) y ASM (derecha)

4.2? Inversor (PI)

La corriente trifásica del motor viene dada por Se suministra con un inversor de potencia (PI) refrigerado por líquido montado directamente en el motor. La figura 6 muestra una vista despiezada del inversor de potencia. En el interior del inversor están conectados tres módulos de potencia IGBT de última generación para formar un inversor de corriente B6 clásico. Dentro del portamódulos, el módulo de alimentación está enmarcado por una estructura de refrigeración para que la placa del controlador se pueda conectar directamente a las clavijas de contacto del módulo de alimentación. Se instala una cubierta protectora entre la placa del controlador y la placa de control.

Figura 6? Estructura del inversor de potencia (PI)

Otros componentes importantes dentro del PI incluyen: componentes de filtro de entrada de CC, condensadores del bus de CC, barras de cobre del bus trifásico y refrigeración líquida. unidad.

El diseño modular de PI es adecuado para la producción industrial en masa. Desde el módulo de potencia, pasando por el soporte del módulo hasta los módulos de fuente de alimentación y controlador, se crea un sistema modular que proporciona una base sobre la cual se pueden completar proyectos de accionamiento electrónico de próxima generación con pequeñas modificaciones. Además, la producción totalmente automatizada de electrónica de potencia garantiza una calidad estructural y funcional constante incluso en la producción a gran escala. La importación y procesamiento de datos de sensores para regular los valores de corriente del motor es un proceso altamente dinámico. El resultado es una utilización óptima de la energía, especialmente en puntos de funcionamiento dinámicos. Algunas funciones del vehículo, como la amortiguación de vibraciones y el control de deslizamiento, están integradas directamente en el sistema electrónico de potencia. Por lo tanto, se puede lograr una comunicación por bus sin demoras. La ventaja de este diseño es que existen opciones de adaptación más sencillas durante el desarrollo para satisfacer las necesidades del comportamiento de conducción del vehículo específico.

En la plataforma MEB, el convertidor CC/CC no está integrado en el PI, sino que está diseñado como un componente independiente refrigerado por líquido. DC/DC se puede instalar de manera flexible en cualquier otro lugar del vehículo y está disponible en dos niveles de potencia, 1,8 kW y 3,0 kW.

4.3?Propulsión del eje trasero PSM

El motor de tracción trasera MEB es un motor síncrono de imanes permanentes (PSM) trifásico con cuatro pares de polos en el rotor y una velocidad máxima de 16000 ?rpm. Consta de un inversor de potencia, cuatro partes de la carcasa (carcasa del motor, cubierta del extremo trasero del motor, carcasa delantera del reductor, carcasa trasera del reductor, ver Figura 4), estator, rotor, transformador giratorio con sensor de temperatura, engranaje único. Consta de principal. Módulos como reductor. El conjunto de propulsión eléctrica se fabrica en la planta de Volkswagen en Kassel. El rotor y el estator son suministrados por la planta de Volkswagen en Salzgitter.

El estator contiene devanados bus para conexión trifásica. Los imanes permanentes del rotor están hechos de aleación de neodimio y están integrados en las laminaciones. El estator y el rotor están montados en una carcasa de fundición y el estator está refrigerado por líquido. Se instalan dos rodamientos rígidos de bolas en ambos extremos del eje del rotor.

Se instala un rotor de resolución en el extremo posterior del eje del motor. El bloque de terminales de bajo voltaje incluye el sensor de temperatura del devanado y la señal del resolver, y está preferiblemente cerrado por la cubierta del motor. Las señales de bajo voltaje del resolutor y de temperatura finalmente se conectan al controlador. El reductor reduce la velocidad y aumenta el par. La carcasa frontal del reductor y la cubierta frontal del motor están integradas para reducir el peso y el tamaño (consulte la Figura 4).

4.3.1 Estructura del estator

Figura 7? Estator PSM

El estator se compone principalmente de laminaciones y devanados de alambre en horquilla trifásico (Figura 7). La pila de laminación consta de laminaciones de placas de metal individuales, soldadas, en capas y recubiertas individualmente con un diámetro exterior de 220 mm. Las laminaciones tienen una alta permeabilidad magnética, tienen un espesor de 0,27 mm y están recubiertas con una capa aislante eléctrica en ambos lados. El estator está dividido en cuatro secciones, cada una desplazada 90 grados durante el montaje. Esto reduce el efecto de la orientación del grano metálico sobre la uniformidad del campo magnético giratorio.

Se inserta el devanado en la ranura del estator, se sueldan los extremos trifásicos (Figura 8) y se conectan automáticamente las barras de cobre trifásico. El devanado final de la estructura del estator contiene un dispositivo de contacto para un sensor de temperatura. El estator también está impregnado de resina para aumentar el aislamiento, mejorar la conducción del calor y fortalecer los devanados. El estator pasa por un programa de prueba automático y se ajusta automáticamente a presión en la carcasa del motor.

Figura 8? Conjunto de la bobina del estator

4.3.2 Estructura del rotor

Figura 9? Vista despiezada del rotor

El rotor consta Consta de un eje, una laminación incrustada con un imán permanente en forma de V, una placa de presión y un rotor. El rotor está dividido en cuatro secciones. Las caras de los extremos del rotor se comprimen con placas de presión y se conectan entre sí mediante cuatro tornillos tensores que pasan a través de las laminaciones (Fig. 9). Prensado completamente automático de laminados y prensado automático del eje del rotor para completar el ensamblaje.

El imán permanente del rotor adopta una disposición de pendiente "V+1". Están protegidos por un revestimiento magnético expandido. El propósito es mejorar el rendimiento NVH del motor. Las laminaciones se troquelan a partir de chapa del mismo material.

El eje del rotor está diseñado como eje hueco y está formado por dos piezas soldadas. Está conectado al eje de entrada de la transmisión a través de una ranura interna longitudinal. Todo el eje del motor y el eje de entrada del reductor están soportados por tres cojinetes, y los cojinetes son cojinetes rígidos de bolas de baja fricción. Reducir las pérdidas mecánicas.

Al instalar el eje del rotor y las laminaciones, es necesario calentar el conjunto de laminaciones. Esto también provoca la activación térmica de los imanes permanentes y la expansión del recubrimiento magnético, lo que requiere la fijación de los imanes permanentes.

4.3.3? Resolver con sensor de temperatura

Fig. 10 ¿PSM? al devanado del estator Para corriente alterna trifásica, es necesario detectar la posición correcta del rotor. Esta tarea se logra mediante el cambio de giro. Consiste en el rotor en el eje del rotor y el estator fijado en el escudo del cojinete trasero del motor (Figura 10).

Se diseña un punto fijo dedicado en una horquilla en el devanado del estator, donde se instala un sensor de temperatura para medir la temperatura del devanado.

Las señales del resolver y del sensor de temperatura se transmiten al PI a través del conector de señales y luego se evalúan.

El inversor de corriente va atornillado a la carcasa del motor. Las tres barras colectoras para los devanados de fase del estator son partes integrales del PI y se fijan a los puentes de contacto del estator después de que el estator se fija a la carcasa del motor.

Tanto las cubiertas del extremo A como del extremo B contienen elementos de colisión especiales en su interior. En caso de una colisión por alcance, este elemento puede aislar el dispositivo de accionamiento del bastidor de la carrocería, evitando así la colisión alta. voltaje de la batería contra cortocircuitos.

4.3.4? Accionamientos electrónicos de refrigeración y calefacción

El sistema de accionamiento eléctrico es de refrigeración líquida. El flujo de refrigerante hacia el accionamiento electrónico pasa primero a través del inversor de corriente, ya que los semiconductores determinan la temperatura máxima permitida del refrigerante. Después de atravesar el PI, el refrigerante entra a través del elemento obturador en la camisa de agua de refrigeración de la carcasa del motor. El calor se genera principalmente por las pérdidas resistivas de los devanados de cobre del estator y llega a la camisa de agua de refrigeración en la carcasa a través de la capa aislante y las laminaciones del devanado. El medio refrigerante llega al estator a través de canales de refrigeración circunferenciales optimizados y llega al circuito de refrigeración externo del vehículo a través de la manguera de conexión de refrigeración situada al final del canal de agua de refrigeración (fig. 11).

Figura 11? Flujos de refrigerante a través de PI y estator

4.3.5 Parámetros técnicos del controlador electrónico *El peso es el peso total de PI, motor y reductor

El propulsor electrónico compacto MEB proporciona a la familia de automóviles Volkswagen ID un rendimiento de conducción excepcional. El eje motriz trasero MEB de eje paralelo, el motor síncrono de imanes permanentes integrado con PI y el reductor de una sola velocidad proporcionan una potencia máxima de 150 kW y un par máximo de 310 Nm. La velocidad máxima del motor es de 16000 rpm (Figura 12).

Como tracción auxiliar a las cuatro ruedas, la tracción coaxial del eje delantero MEB es un motor asíncrono que integra PI y un reductor de una sola velocidad. Proporciona una potencia máxima de 75 kW y un par máximo de 151 Nm. La velocidad máxima de este motor es de 14000 rpm.

Figura 12? Mapa de eficiencia del PSM

El diseño del controlador electrónico se basa en una evaluación detallada de la conversión de energía en el mapa de características del motor para diferentes ciclos de conducción. Al diseñar el circuito magnético, prestamos especial atención a los puntos de operación del ciclo de conducción urbana para garantizar que la propulsión electrónica funcione de manera eficiente en estas condiciones. En una gran cantidad de condiciones laborales de la vida real, la eficiencia es muy superior al 90% (ver Figura 12 y Figura 13).

Figura 13: Diagrama de carga completa del PSM

4.3.6 Comparación del eje motriz trasero MEB y el eje motriz e-Golf *El peso es el total de PI, motor y reductor Re

Los datos técnicos que comparan el nuevo eje trasero MEB con el actual eje eléctrico del e-Golf ilustran su progreso en el desarrollo. La potencia máxima se puede aumentar en un 50% hasta 150 kW y el par se puede aumentar en un 7% hasta 310 Nm. A pesar del aumento de potencia y par, el peso del eje trasero MEB se ha reducido en un 18% hasta los 90 kg.

Esto le da al eje trasero MEB una relación potencia-peso de 1667 W/kg, una mejora significativa del 82% en comparación con el eje motriz eléctrico del e-Golf.

4.4? Caja de cambios de una sola velocidad

Figura 14? Caja de cambios de una sola velocidad del eje motriz trasero MEB

La reductora de una sola velocidad es una reducción de engranajes de dos etapas mecanismo para reducir la velocidad del motor y aumentar la salida de par (Figura 14).

MEB realiza especialmente la optimización acústica NVH en los engranajes reductores. El eje del motor y el eje de entrada del reductor están soportados por 3 cojinetes para reducir la fricción. Los lubricantes no requieren mantenimiento de por vida. Se llevó a cabo un diseño de lubricación específico y se adoptó el concepto de cárter de aceite seco para reducir las pérdidas por agitación de aceite y mejorar la eficiencia. Además, los cojinetes cónicos precargados se cambiaron por cojinetes de columna flotante.

El reductor está diseñado con diferentes relaciones de velocidad para satisfacer las diferentes necesidades de potencia. La relación de velocidad general cuando se utilizó el ID por primera vez era de 11,5:1 y la velocidad máxima era de 160 km/h. Al mismo tiempo, MEB cancelará el mecanismo de bloqueo de estacionamiento del tren motriz y utilizará el EPB del extremo de la rueda para realizar la función de estacionamiento en condiciones de pendiente.

5. ¿Resumen?

El sistema de energía de Volkswagen MEB es parte de un kit de herramientas de construcción modular, y sus componentes pueden formar una variedad de configuraciones diferentes de sistemas de energía electrónicos para configurar varias especificaciones. de vehículos eléctricos.

El sistema de transmisión del eje trasero de eje paralelo de MEB consta de un motor síncrono de imán permanente altamente eficiente, una transmisión de una sola velocidad con fricción optimizada y un inversor de potencia altamente compacto fijado al motor. Combinado con una batería de iones de litio de alto voltaje, el propulsor electrónico del modelo Volkswagen ID tiene un par máximo de 310 Nm y una potencia máxima de 150 kW. Para aplicaciones de tracción en las cuatro ruedas, hay disponible un transeje eléctrico coaxial adicional para el eje delantero. Está compuesto por un innovador motor asíncrono, combinado con un reductor de una sola velocidad de baja fricción y un controlador integrado.

El MEB para sistemas de propulsión electrificados representa la continuación sistemática del enfoque modular de Volkswagen hacia los vehículos nuevos. Debido al gran volumen de desarrollo de sistemas, los costos de desarrollo y componentes se pueden reducir significativamente. Este es un requisito previo necesario para reducir los costes de los vehículos y, por tanto, aumentar la penetración en el mercado de los vehículos eléctricos. Con una autonomía similar a la de los vehículos de gasolina actuales y el mismo precio que los vehículos diésel, el ID también tiene el potencial de promover el desarrollo del transporte eléctrico respetuoso con el medio ambiente y comenzar una nueva era de sistemas de propulsión eléctrica.

Referencias

[1]?Volkswagen?Newsroom,?E-mobility,?17.09.2018?MEB?architecture/es/id-workshop-electric-for-all- 4193 /mebarchitecture-4196

[2]?Volkswagen?Newsroom,?Volkswagen?Group?News,?11.09.2017?El?Volkswagen?Group?lanza?la?iniciativa?de?electrificación?más?completa? ?la?industria?automotriz?con?"Roadmap?E"/es/notas-de-prensa/el-grupo-volkswagen-lanza-la-iniciativa-de-electrificación-más-completa-en-la-industria-automotriz-con-hoja-de-ruta-e - 1242?

[3]?F.?Eichler,?K.?Bennewitz,?C.?Helbing,?P.?Lück,?et.al.?Volkswagen?Electrifica?el?Nuevo ? Golf?38.º Simposio?de?Motor?de?Viena,?Viena,?2017?

[4]?P.?Lück,?G.?Kruse,?J.?Tousen,?et.al. ? La?matriz?del?tren?propulsor?eléctrico?de?VolkswagenMTZ?-?Motortechnische?Zeitschrift,?Edición?2/2014,?2014?

[5]?P.?Lück,?J.?Tousen , ?et.?al.?Elektrische?Antriebe?für?die?Hybrid-?und?Elektrofahrzeuge?von?Volkswagen?9th?MTZ?Conference?"The?Powertrain?of?Tomorrow",?Wolfsburg,?2014

Este artículo proviene del autor de Autohome Chejiahao y no representa los puntos de vista ni las posiciones de Autohome.