폭스바겐 MEB 플랫폼 ID4 전기 구동 시스템 기술 소개

작성자: Wu Qingguo? 이 기사는 "Electric New Horizons"의 WeChat 공개 계정에 처음 게시되었습니다.

1. 설명?

폭스바겐은 다음을 위해 최선을 다하고 있습니다. 전기 운송 시스템의 개발. 차세대 ID.? 제품군 전기 자동차가 2020년에 출시될 예정입니다. 오늘날의 휘발유 차량에 필적하는 주행 거리를 갖춘 다양한 종류의 무공해 차량이 있을 것입니다. ID.?CROZZ, ?ID.?VIZZION, ?ID.?BUZZ가 공개되었습니다. 2020년에 시장에 출시될 첫 번째 ID. 모델은 저렴한 4도어 완전 연결형 소형차인 ID.입니다(그림 1). 폭스바겐 그룹은 2022년까지 전 세계적으로 27개의 MEB 모델을 출시할 계획이다. 여기에는 Audi, Seat, Skoda, Volkswagen 및 Volkswagen Commercial Vehicles 브랜드의 전기 모델이 포함됩니다.

그림 1?The?ID.?family:?(왼쪽부터)?the?ID.,?ID.?CROZZ,?ID.?VIZZION?and?ID.?BUZZ

ID.는 완전 전기 자동차용으로 특별히 개발된 기술 플랫폼인 MEB(Modular Electrification Kit)를 기반으로 하는 세계 최초의 모델의 데뷔를 의미합니다(그림 2). 전기 구동 시스템과 배터리 팩의 구성 요소는 시스템적으로 정밀하게 상호 연결됩니다. 고전압 배터리는 차축 사이 중앙에 위치합니다. 다양한 배터리 유형을 수용할 수 있도록 확장 가능하며 통합 액체 냉각 기능이 제공됩니다. 따라서 ID 모델의 다양한 전력 출력에 통합하는 것이 비교적 쉽습니다. 배터리 크기와 ID 모델에 따라 주행 거리는 약 330km에서 550km 이상까지 가능합니다. 최대 11kW의 충전 전력을 갖춘 AC 충전기가 차량에 통합되어 있습니다. CCS(Combined Charge System) 장치를 사용하면 최대 125kW의 DC 충전이 가능합니다. 기본적으로 두 개의 전기 구동 시스템을 플랫폼에 설치하여 MEB의 개폐식 부품을 통해 하나 또는 두 개의 축을 구동할 수 있습니다.

그림 2? MEB 모델 플랫폼

ID.의 무공해 구동 시스템은 주로 파워 인버터와 단일 속도를 포함하여 리어 액슬과 결합된 모터로 구성됩니다. 변속기는 차량 하부의 고전압 배터리와 차량 전면에 위치한 보조 부품에 설치되어 공간을 절약합니다. 소형 구동 시스템은 전기 모터, 파워 인버터 및 단일 속도 변속기로 구성됩니다. ID.는 오늘날의 가솔린 차량과 유사한 주행 거리와 디젤 차량과 동일한 가격을 통해 환경 친화적인 전기 운송 수단의 발전을 촉진하고 전기 구동 시스템의 새로운 시대를 열 수 있는 잠재력도 가지고 있습니다.

2. 고전압 배터리 시스템 소개?

전압 범위를 결정하는 핵심 요소는 고전압 배터리이다. 프론트 액슬과 리어 액슬 사이의 언더바디에 통합되어 공간을 절약하고 보다 넓은 실내 공간을 제공하는 동시에 최적의 전후 50%:50% 중량 배분과 낮은 무게 중심을 보장합니다. 고전압 배터리는 전기차의 가장 중요한 비용 요소이다. 개발 및 설계 과정에서는 장거리 배터리 용량, 전력 밀도, 뛰어난 주행 성능, 고속 충전 능력 등의 기술적인 기준 외에도 비용, 사용 수명 등의 경제적 요소도 고려해야 합니다.

MEB를 위해 폭스바겐은 특정 작동 습관과 작동 온도 조건에서 높은 실용성과 긴 서비스 수명을 보장하는 고성능 리튬 이온 고전압 배터리를 개발했습니다. 넓은 온도 대역과 충전 범위에 걸쳐 반복 가능한 높은 전력 출력을 제공하는 전자 드라이버를 제공합니다. 짧은 충전 시간에 높은 수준의 연속 전류 용량을 제공하며 최대 125kW의 충전 전력을 제공합니다. 확장 가능한 배터리 용량을 통해 330km에서 550km 이상(WLTP 기준)의 주행 거리로 다양한 ID. 모델 제품군을 사용할 수 있습니다.

고전압 배터리는 병렬 및 직렬 연결된 모듈로 구성되며, 이는 다시 개별 배터리 셀로 구성됩니다. 모듈식 설계로 인해 고전압 배터리의 셀 수는 다양할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 에너지 함량과 크기의 고전압 배터리를 다양한 차량 컨셉과 고객 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다. 직접 냉각 시스템을 통한 강력한 열 관리를 통해 고전압 배터리는 고부하 또는 저온 조건에서도 최적의 온도 범위인 25~35°C 내에서 계속 작동할 수 있습니다. 전류, 전압, 온도는 단위 모듈 컨트롤러와 메인 제어 장치를 통해 모니터링됩니다.

3. 충전 기술?

그림 3? MEB 차량의 충전 옵션

연비 외에도 충전 문제도 전기의 일상 실용성에 중요합니다. 차량. 고객은 충전 기술에 대한 명확한 요구 사항을 가지고 있습니다. 충전 시간은 최대한 짧고 충전 옵션은 충분합니다.

폭스바겐은 대부분의 ID. 운전자가 일주일에 한 번만 전기 자동차를 충전한다고 가정합니다. 이는 충전 활동의 50%가 집에서 이루어질 수 있음을 의미합니다. 따라서 MEB 기반 차량에는 2.3kW의 표준 가정용 소켓이나 11kW 벽 캐비닛을 통해 AC 연결을 통해 충전할 수 있는 유형 2 충전 연결이 표준으로 장착됩니다. 밤에 월박스에서 AC 충전을 하면 배터리를 재충전할 수 있는 충분한 전력이 제공됩니다. 배터리는 DC 전원으로만 충전할 수 있기 때문에 11kW 충전기가 차량에 통합되어 콘센트, 벽 캐비닛 또는 AC 충전소의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 고전압 배터리를 충전합니다.

옵션인 CCS 충전 포트를 사용하면 충전 시간을 대폭 단축할 수 있습니다. 이는 유형 2 플러그와 DC 충전을 위한 2개의 추가 전원 접점을 결합합니다(그림 3). CCS 충전 포트를 통해 최대 125kW의 전원을 사용하여 고전압 배터리를 충전할 수 있습니다. 30분 안에 80%의 전력을 충전할 수 있습니다. 장기적으로 MEB는 케이블이나 플러그가 필요 없는 유도 충전도 가능합니다. 차량은 소위 충전 패드에 주차하고 이 패드를 통해 충전됩니다.

4. MEB의 전기 구동 시스템?

그림 4? MEB의 후방 구동 시스템

MEB를 위해 두 가지 새로운 전기 구동 시스템이 개발되었습니다. 주 구동 장치는 후방 차축에 있는 영구 자석 동기 모터(PSM, 그림 4)입니다. 전력 인버터(PI)와 평행축 감속기를 결합한 제품입니다. 출력은 150Ωkw, 토크는 310ΩNm, 최대 속도는 16000Ωrpm이다. PSM은 넓은 속도 범위에서 지속적으로 출력을 제공할 수 있는 높은 전력 밀도와 고효율을 갖춘 시스템 구성 요소입니다.

차량 계획에 따르면 MEB 전륜구동이 동력을 제공할 수 있다. 프론트 드라이브는 유도 비동기 모터를 갖춘 전기 구동 시스템으로 차량 전체에 대해 4륜 구동이 가능합니다. 출력은 75ΩkW, 토크는 151ΩNm, 최대 속도는 14,000Ωrpm이다. 비동기식 기계(ASM)는 짧은 시간 동안 과부하로 작동하고 저항 손실이 낮은 것으로 알려져 있습니다. 따라서 보조운전에 매우 적합합니다.

다음에서는 MEB 영구자석 동기모터(PSM) 전기구동의 구성, 기술적 특성, 성능 데이터를 중심으로 살펴보겠습니다.

4.1? PSM/ASM의 작동 원리

영구자석 동기 모터의 작동 원리

고정자의 3상 구리 권선에 흐르는 전류는 회전을 발생시킵니다. 자속(회전 자기장). 회전자의 여기 자기장은 영구 자석에 의해 손실 없이 생성되어 고정자를 관통합니다. 이는 회전자와 고정자의 회전 필드가 동일한 속도(동기적으로)로 회전하는 접선력을 생성합니다(그림 5, 왼쪽).

비동기기(ASM)의 작동 원리

고정자의 3상 구리 권선에 흐르는 전류는 회전 자속(회전 자기장)을 생성하고, 이 회전 자속은 단락 권선. 비동기식 모터의 회전자는 고정자의 회전 자기장보다 약간 낮은 속도로 회전합니다(비동기식). 이로 인해 단락 권선의 자기장이 변경되어 전류가 생성됩니다. 결과적인 자기장은 로터 샤프트에 토크 역할을 하는 접선력을 로터에 생성합니다(그림 5, 오른쪽).

그림 5? PSM(왼쪽)과 ASM(오른쪽)의 기본 구조

4.2? 인버터(PI)

모터의 3상 전류 모터에 직접 장착된 수냉식 전력 인버터(PI)와 함께 제공됩니다. 그림 6은 전력 인버터의 분해도를 보여줍니다. 전력 인버터 내부에는 최신 세대의 IGBT 전력 모듈 3개가 연결되어 클래식 B6 전력 인버터를 형성합니다. 모듈 캐리어 내부에서 전원 모듈은 냉각 구조로 구성되어 드라이버 보드를 전원 모듈의 접촉 핀에 직접 연결할 수 있습니다. 드라이버 보드와 제어 보드 사이에 차폐 커버가 설치됩니다.

그림 6? 전력 인버터(PI) 구조

PI 내부의 기타 중요한 구성 요소로는 DC 입력 필터 구성 요소, DC 버스 커패시터, 3상 버스 구리 바 및 액체 냉각 냉각이 있습니다. 단위.

PI의 모듈형 설계는 대량 산업 생산에 적합합니다. 모듈 캐리어를 통한 전원 모듈부터 전원 공급 장치 및 컨트롤러 모듈까지, 약간의 수정만으로 차세대 전자 드라이브 프로젝트를 완료할 수 있는 기반을 제공하는 모듈형 시스템이 생성됩니다. 또한 전력 전자 장치의 완전 자동화된 생산은 대규모 생산에서도 일관된 구조적 및 기능적 품질을 보장합니다. 모터 전류 값을 조절하기 위해 센서 데이터를 가져오고 처리하는 것은 매우 역동적인 프로세스입니다. 그 결과, 특히 동적 작동 지점에서 최적의 전력 활용이 가능합니다.

진동 감쇠 및 슬립 제어 기능과 같은 일부 차량 기능은 전력 전자 시스템에 직접 통합됩니다. 따라서 지연 없는 버스통신이 가능하다. 이 디자인의 장점은 특정 차량 운전 동작의 요구 사항을 충족하기 위해 개발 중에 보다 간단한 적응 옵션이 있다는 것입니다.

MEB 플랫폼에서는 DC/DC 컨버터가 PI에 통합되지 않고 별도의 수냉식 구성 요소로 설계됩니다. DC/DC는 차량의 다른 곳에 유연하게 설치할 수 있으며 1.8kW와 3.0kW의 두 가지 전력 레벨로 제공됩니다.

4.3?PSM 후방 차축 구동

MEB 후방 구동 모터는 회전자에 4쌍의 극이 있고 최대 속도가 16000인 3상 영구 자석 동기 모터(PSM)입니다. ?rpm. 파워 인버터, 하우징 4부분(모터 하우징, 모터 후면 엔드 커버, 감속기 전면 하우징, 감속기 후면 하우징, 그림 4 참조), 고정자, 회전자, 온도 센서가 있는 회전 변압기, 단일 기어로 구성됩니다. 감속기 및 기타 주요 모듈. 전기 구동 어셈블리는 카셀의 폭스바겐 공장에서 생산됩니다. 로터와 고정자는 Volkswagen Salzgitter 공장에서 공급됩니다.

고정자에는 3상 연결을 위한 버스 권선이 포함되어 있습니다. 로터의 영구 자석은 네오디뮴 합금으로 만들어졌으며 라미네이션에 내장되어 있습니다. 고정자와 회전자는 주조 하우징에 장착되며 고정자는 액체 냉각됩니다. 로터 샤프트 양단에는 깊은 홈 볼 베어링 2개가 장착되어 있습니다.

저전압 단자대는 모터 축 후단에 설치되며, 권선 온도 센서와 레졸버 신호를 포함하며, 모터 커버로 닫히는 것이 바람직합니다. 리졸버 및 온도 저전압 신호는 최종적으로 컨트롤러에 연결됩니다. 감속기는 속도를 줄이고 토크를 증가시킵니다. 감속기의 전면 하우징과 모터의 전면 엔드 커버가 일체화되어 무게와 크기가 줄어듭니다(그림 4 참조).

4.3.1 고정자 구조

그림 7? PSM 고정자

고정자는 주로 적층과 3상 헤어핀 와이어 권선으로 구성됩니다(그림 7). 적층 스택은 외경이 220mm인 개별 용접, 적층, 개별 코팅된 금속판 적층으로 구성됩니다. 적층은 투자율이 높고 두께가 0.27mm이며 양면이 전기 절연층으로 코팅되어 있습니다. 고정자는 조립 중에 각각 90도씩 오프셋된 4개의 섹션으로 나누어집니다. 이는 회전 자기장의 균일성에 대한 금속 입자 방향의 영향을 감소시킵니다.

권선이 고정자 슬롯에 삽입되고 3상 끝이 용접되며(그림 8) 3상 구리 막대가 자동으로 연결됩니다. 고정자 구조의 끝 권선에는 온도 센서용 접촉 장치가 포함되어 있습니다. 또한 고정자에는 수지를 함침시켜 절연성을 높이고 열전도를 개선하며 권선을 강화합니다. 고정자는 자동 테스트 프로그램을 거쳐 모터 하우징에 자동으로 압입됩니다.

그림 8? 고정자 코일 조립

4.3.2 로터 구조

그림 9? 로터 분해도

로터는 구성되어 있습니다. 샤프트, V자형 영구자석이 내장된 적층판, 압력판, 로터로 구성됩니다. 로터는 네 부분으로 나누어져 있습니다. 로터 끝면은 압력판으로 압축되고 적층판을 통과하는 4개의 인장 나사로 서로 연결됩니다(그림 9). 라미네이트의 전자동 프레싱과 로터 샤프트의 자동 프레싱으로 조립이 완료됩니다.

로터 영구 자석은 "V+1" 경사 배열을 채택합니다. 확장된 자기 코팅으로 보호됩니다. 목적은 모터의 NVH 성능을 향상시키는 것입니다. 라미네이션은 동일한 재료의 판금으로 다이컷됩니다.

로터 샤프트는 중공 샤프트로 설계되었으며 두 부분으로 용접되었습니다. 이는 세로 내부 스플라인을 통해 변속기의 입력 샤프트에 연결됩니다. 전체 모터 샤프트와 감속기 입력 샤프트는 3개의 베어링으로 지지되며 베어링은 저마찰 깊은 홈 볼 베어링입니다. 기계적 손실을 줄입니다.

로터 샤프트와 라미네이션을 설치할 때 라미네이션 어셈블리를 가열해야 합니다. 이는 또한 영구 자석의 열 활성화 및 자기 코팅의 팽창을 유발하여 영구 자석을 고정해야 합니다.

4.3.3? 온도 센서가 있는 리졸버

그림 10? b면 베어링 실드의 구성 요소

3상 교류의 경우 회전자의 정확한 위치를 감지하는 것이 필요합니다. 이 작업은 스핀 변경을 통해 수행됩니다. 이는 회전자 샤프트의 회전자와 모터의 후면 베어링 쉴드에 고정된 고정자로 구성됩니다(그림 10).

고정자 권선의 헤어핀에는 전용 고정점을 설계했으며, 여기에 권선 온도를 측정하는 온도 센서가 설치됐다.

리졸버와 온도 센서의 신호는 신호 플러그를 통해 PI로 전송된 후 평가됩니다.

전력 인버터는 모터 하우징에 볼트로 고정되어 있습니다.

고정자 상 권선용 버스바 3개는 PI의 필수 부분이며 고정자가 모터 하우징에 고정된 후 고정자의 접점 브리지에 고정됩니다.

A-end와 B-end 커버 모두 내부에 특수 충돌 요소가 포함되어 있으며, 이 요소는 후방 충돌 시 구동 장치를 차체 프레임에서 분리하여 높은 충돌을 방지할 수 있습니다. 단락으로 인한 배터리 전압.

4.3.4? 전자 드라이브 냉각 및 가열

전기 드라이브 시스템은 수냉식입니다. 반도체가 최대 허용 냉각수 온도를 결정하므로 전자 드라이브로의 냉각수 흐름은 먼저 전력 인버터를 통해 흐릅니다. PI를 통과한 냉각수는 밀봉 플러그 요소를 통해 모터 하우징의 냉각수 재킷으로 들어갑니다. 열은 주로 고정자 구리 권선의 저항 손실에 의해 발생하며 권선 절연층과 적층을 통해 케이싱의 냉각수 재킷에 도달합니다. 냉각 매체는 최적화된 주변 냉각 채널을 통해 고정자로 들어가고 냉각수 채널 끝에 있는 냉각 연결 호스를 통해 차량의 외부 냉각 회로로 들어갑니다(그림 11).

그림 11? PI와 고정자를 통한 냉각수 흐름

4.3.5? 전자 드라이버 기술 매개변수 *중량은 PI, 모터 및 감속기의 총 중량입니다.

콤팩트한 MEB 전자 드라이브는 폭스바겐의 ID 제품군에 뛰어난 주행 성능을 제공합니다. 평행축 MEB 후방 드라이브 액슬, PI와 단일 속도 감속기가 통합된 영구 자석 동기 모터는 150ΩkW의 피크 출력과 310ΩNm의 최대 토크를 제공합니다. 모터의 최대 속도는 16000Ωrpm입니다(그림 12).

4륜 구동 보조 구동 장치인 동축 MEB 프론트 액슬 구동 액슬은 PI와 단일 감속기를 통합한 비동기 모터입니다. 최고출력 75kW, 최대토크 151Nm를 발휘한다. 이 모터의 최대 속도는 14000Ωrpm이다.

그림 12? PSM 효율 맵

전자 드라이버의 설계는 다양한 주행 사이클에 대한 모터 특성 맵의 에너지 변환에 대한 상세한 평가를 기반으로 합니다. 자기 회로를 설계할 때 우리는 전자 드라이브가 이러한 조건에서 효율적으로 작동할 수 있도록 도시 주행 사이클의 작동 지점에 특별한 주의를 기울였습니다. 다수의 실제 작업 조건에서 효율성은 90%보다 훨씬 높습니다(그림 12 및 그림 13 참조).

그림 13: PSM 전부하 다이어그램

4.3.6 MEB 후방 구동축과 e-Golf? 구동축 비교 *중량은 PI, 모터 및 감속기 Re의 합계입니다.

새로운 MEB 리어 액슬 드라이브와 e-Golf의 현재 전기 드라이브 액슬을 비교한 기술 데이터는 개발 진행 상황을 보여줍니다. 피크 전력은 50% 증가하여 150ΩkW까지, 토크는 7% 증가하여 310ΩNm까지 증가할 수 있습니다. 출력과 토크가 증가했음에도 불구하고 MEB 리어 액슬 구동 장치의 무게는 90kg으로 18% 감소했습니다. 이를 통해 MEB 리어 액슬 드라이브의 중량 대비 출력 비율은 1,667Ω/kg으로 e-Golf의 전기 드라이브 액슬에 비해 82% 크게 향상되었습니다.

4.4 단일 속도 기어박스

그림 14 MEB 후방 구동축 단일 속도 기어박스

단일 속도 감속기는 2단 기어 감속 메커니즘입니다. 모터 속도를 줄이고 토크 출력을 높이려면(그림 14)

MEB는 감속기어에 대한 NVH 음향 최적화를 특별히 수행합니다. 모터축과 감속기 입력축을 3개의 베어링으로 지지하여 마찰을 줄였습니다. 윤활유는 평생 동안 유지보수가 필요하지 않습니다. 목표 윤활 설계가 수행되었으며, 오일 휘젓기 손실을 줄이고 효율성을 향상시키기 위해 건식 오일 섬프 개념을 채택했습니다. 또한 예압 테이퍼 베어링이 플로팅 컬럼 베어링으로 변경되었습니다.

감속기는 다양한 전력 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 속도 비율로 설계되었습니다. ID가 처음 사용되었을 때 전체 속도비는 11.5:1이었고, 최고 속도는 160km/h였다. 동시에 MEB는 구동렬의 주차 잠금 메커니즘을 취소하고 휠 엔드 EPB를 사용하여 경사 조건에서 주차 기능을 실현합니다.

5. 요약?

폭스바겐 MEB의 전력 시스템은 모듈식 건물 도구 키트의 일부이며, 그 구성 요소는 다양한 사양을 구성하기 위해 다양한 전자 전력 시스템 구성을 형성할 수 있습니다. 전기 자동차의.

MEB의 평행축 리어 액슬 구동 시스템은 고효율 영구 자석 동기 모터, 마찰 최적화 단일 속도 변속기, 모터에 고정된 초소형 전력 인버터로 구성됩니다. 고전압 리튬 이온 배터리와 결합된 폭스바겐 ID 모델의 전자 구동 장치는 최대 토크 310ΩNm, 최대 출력 150ΩkW를 제공합니다. 4륜 구동 응용 분야의 경우 앞 차축에 추가 동축 전기 트랜스액슬을 사용할 수 있습니다.

이는 저마찰 단일 속도 감속기와 통합 컨트롤러와 결합된 혁신적인 비동기식 모터로 구성됩니다.

전기 파워트레인용 MEB는 새로운 차량에 대한 폭스바겐의 모듈식 접근 방식이 체계적으로 지속됨을 나타냅니다. 시스템 개발량이 많기 때문에 개발 및 구성 요소 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 이는 차량 비용을 절감하여 전기 자동차의 시장 침투력을 높이기 위해 필요한 전제 조건입니다. ID.는 현재 휘발유 차량과 유사한 주행거리와 디젤 차량과 동일한 가격을 바탕으로 친환경 전기자동차 개발을 촉진하고 전기 구동 시스템의 새로운 시대를 열 수 있는 잠재력도 갖고 있습니다.

참고자료

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[3]?F.?Eichler,?K.?Bennewitz,?C.?Helbing,?P.?Lück,?et.al.?Volkswagen?Electrified?the?New ?골프?38?비엔나?모터?심포지엄,?비엔나,?2017?

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본 글은 오토홈 체자하오 작성자의 글이며, 오토홈의 견해나 입장을 대변하지 않습니다.