Ankündigung

Einklappen
Keine Ankündigung bisher.

Der elektrische Antriebsstrang mit dreimotorigem Aufbau des Audi E-tron S.

Einklappen

Billboard

Einklappen

Automanuals.de

Einklappen
X
Einklappen
  •  

  • Der elektrische Antriebsstrang mit dreimotorigem Aufbau des Audi E-tron S.

    Audi ist mit den E-tron S-Modellen der erste Großserienhersteller, der eine BEV-Plattform mit Drei-Motor-Layout und elektrischem Torque-Vectoring in die Massenproduktion bringt. Die Doppelkoax-E-Achse am Heck vervollständigt den skalierbaren Achsantrieb der E-tron-Serie und kann mehrere tausend Nm Giermoment auf die vertikale Achse des Fahrzeugs aufbringen.


    Einführung

    Ein stärkerer Vorderachsantrieb und eine neue hochdynamische Doppelkoax-E-Achse im Heck haben das Handling sowie die Längs- und Querdynamik der E-tron S-Serie weiter verbessert.

    Dieser Artikel beginnt mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Modellpflegemaßnahmen zur Steigerung der Effizienz und Reichweite der E-tron-Basismodelle seit der Markteinführung. Der technische Tiefgang ist jedoch die detaillierte Einführung der neuen elektrischen Doppelkoax-E-Achse und die Torque-Vectoring-Funktionen der S-Modelle.



    Maßnahmen zur Verbesserung der Effizienz und erweiterten Reichweite

    Ende 2019 wurden die Audi E-tron-Modelle auf verschiedene Weise aufgerüstet, unter anderem durch Maßnahmen zur Erweiterung des Sortiments. Die wichtigsten Punkte sind nachstehend und in Abbildung 1 kurz zusammengefasst (Werte beziehen sich auf das WLTP).
    Abbildung 1 Maßnahmen zur Erweiterung der Reichweite der E-tron-Serie (© Audi)


    Abbildung 1
    Maßnahmen zur Erweiterung der Reichweite der E-tron-Serie (© Audi)


    Die nutzbare Ladezustandskapazität (SOC) des Akkus (nutzbare Kapazität in%) wurde von 88% auf 91% erhöht. Umfangreiche Tests haben die Robustheit des Batteriesystems bewiesen. Die Erhöhung der nutzbaren Batteriekapazität wird in voller Übereinstimmung mit den hohen Anforderungen an Qualität und Haltbarkeit realisiert.

    Im Niedriglastbetrieb ist der Vorderachsantrieb des Audi E-tron nun vollelektrisch entkoppelt, so dass die Leistungselektronik keinen Strom mehr in den Elektromotor pulsiert. Der reduzierte Energieverbrauch verbessert die Effizienz des Fahrzeugs. Diese Maßnahme könnte durch optimierte Leistungselektronikfunktionen ohne Komfort- oder Agilitätsverlust beim Wiederanschließen der elektrischen Achse umgesetzt werden.

    Die Reduzierung der verbleibenden Bremsmomente an den Radbremsen und die Optimierung der Bremsscheibenreinigungsfunktion bieten Vorteile in Bezug auf die Reichweite.
    Das hochflexible Wärmemanagement wurde weiter optimiert. Dies hat es möglich gemacht, sowohl den Volumenstrom im Kühlmittelkreislauf als auch den Stromverbrauch der Kühlmittelpumpe weiter zu reduzieren.

    Die Reichweite des Audi E-tron SUV erhöht sich damit gegenüber dem ersten Start um rund 25 km (6%). In der Sportback-Variante bietet der bessere Luftwiderstandsbeiwert im WLTP zusätzlich ca. 10 km mehr Reichweite.


    Elektrische Achsantriebe

    Für die Audi E-tron Baureihe wurde ein intelligenter Achsantriebskomponenten-Kit mit einem hohen Anteil an gemeinsamen Komponenten entwickelt. Zur optimalen Ausnutzung des Fahrzeugpakets werden axial parallele elektrische Antriebe vorne und koaxiale elektrische Antriebe hinten eingesetzt. Die Motoren sind Asynchronmotoren identischer Bauart, die sich nur in ihrer aktiven Länge (120 und 210 mm) unterscheiden. Die Leistungselektronikeinheiten sind ebenfalls als gemeinsam genutzte Komponenten konzipiert, die sich hauptsächlich durch unterschiedliche Softwareversionen und flexible Gleichstromanschlüsse auszeichnen. Abgerundet wird das Kit durch ein einheitliches Getriebe an den Vorderachsen, verschiedene gemeinsame Komponenten in den Hinterachsgetrieben und die Verwendung weiterer gemeinsamer Komponenten (Rollenlager, Dichtungen, Rotorpositionssensoren usw.), Abbildung 2 .
    Elektroantriebskit (© Audi)


    Elektroantriebskit (© Audi)


    Doppelkoax-Hinterachsantrieb ATA250

    Der ATA250-Doppelkoax-Antrieb wird im Motorenwerk in Győr (Ungarn) gebaut. Es ist die erste elektrische Doppelantriebseinheit in einem Serienfahrzeug. Die Dimensionierung und Verpackung aller wichtigen Kit-Komponenten (Elektromotor, Leistungselektronik und Getriebe) war von Anfang an für den Einsatz in diesem Doppelkoax-Antrieb in der MLBevo-Plattform des E-tron konfiguriert. Der verfügbare Einbauraum in der Hinterachshalterung wurde voll ausgenutzt. Die Antriebseinheit wird an vier Stellen ohne zusätzliche Teile direkt im Hilfsrahmen montiert. Die Montage verfügt über Befestigungsgewinde an den Elektromotorgehäusen und den Getriebegehäusen ( Abbildung 3) .
    Einbausituation des Doppelkoax-Antriebs im Heck des E-tron (© Audi)



    Einbausituation des Doppelkoax-Antriebs im Heck des E-tron (© Audi)


    Die beiden Elektromotoren können unabhängig voneinander aktiviert und gesteuert werden. Die Statoren sind gemeinsame Komponenten mit der Vorderachse E-tron 55, die Rotoren sind am Getriebeeingang und im Bereich der Abdichtung der Rotorinnenkühlung leicht modifiziert. Der Magnetkreis ist identisch. Alle Gehäuse im Antriebssatz sind Aluminiumdruckgussteile, die hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit und Akustik optimiert wurden. Die Elektromotorgehäuse sind links und rechts identisch. Sie werden seitlich umgekehrt um die Längsachse des Fahrzeugs eingebaut.

    Abbildung 4 (links) zeigt die kompakte Doppelkoax-Hinterachsantriebseinheit mit zwei Elektromotoren, zwei Planetenrädern und zwei Leistungselektroniken. Die Elektromotoren sind Rücken an Rücken verschraubt und haben keine mechanische Kupplung. Die Leistungselektronik und die Elektromotoren sind seitlich invertiert eingebaut, weshalb sich die dreiphasigen Stromanschlüsse zu den Statoren sowohl oben als auch unten befinden. Um sicherzustellen, dass der Anschluss an die Batterie im optimalen Gehäusedesign von unten erfolgen kann, verfügen die Leistungselektronikeinheiten über einen variablen Gleichstromanschluss, der nach Bedarf gefräst und ausgestattet wird.

    Doppelkoax-E-Achse ATA250 mit transparenten Gehäusen (links) und Schnittansicht (rechts) (© Audi)


    Doppelkoax-E-Achse ATA250 mit transparenten Gehäusen (links) und Schnittansicht (rechts) (© Audi)


    Der Doppelkoax-Antrieb verfügt auch über ein hocheffektives Kühlkonzept. Die kühlmittelführenden Bereiche sind in Abbildung 4 (rechts) blau dargestellt (Leistungselektronikkühlung, Statorkühlung, Lagerplattenkühlung und Innenrotorkühlung). Standardmäßig haben die Rotoren der Elektromotoren eine spezielle Wellenerdung, um mögliche Lagerströme durch die Rollenlager oder die Zahnräder zu vermeiden. Die Wellenerdung befindet sich im aktiven Raum des Elektromotors links und rechts neben dem Getriebe. Die beiden Innenrotorlager sind aus Keramik und verhindern den Stromdurchgang. Die beiden Drehzahlsensoren und der Kühlmittelkollektor, der die Innenrotorkühlung versorgt, befinden sich ebenfalls in der Mitte des Doppelantriebs.

    Abbildung 5 zeigt den Hinterachsantrieb in einer Explosionsansicht. Die Anordnung der beiden um die Längsachse des Fahrzeugs gedrehten Elektromotoren und Leistungselektronikeinheiten ist deutlich sichtbar, ebenso wie der Kühlmittelkollektor in der Mitte der Antriebseinheit und die Motormontagepunkte an den Elektromotor- und Getriebegehäusen.

    Explosionszeichnung des ATA250-Doppelkoax-Achsantriebs (© Audi)


    Explosionszeichnung des ATA250-Doppelkoax-Achsantriebs (© Audi)


    Die Leistungselektronik - variabler Gleichstromanschluss und ASIL-D-kompatibel

    Die Entwicklung einer grundlegenden Leistungselektronik für alle Achsantriebsvarianten des Audi E-tron war eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung des Antriebssatzes, um maximale Entwicklungs- und Produktionssynergien zu erzielen. Die verwendete Leistungselektronik ist in der Grundkonstruktion in allen Fällen für jede elektrische Achse identisch.

    Das Gehäuse der Leistungselektronik verfügt über zwei HV-DC-Anschlüsse. Die erforderliche Anschlussseite wird ausgefräst und die entsprechende Stiftsteckdose und das Druckausgleichselement werden gedreht ( Abbildung 6) .


    Flexibler Aufbau des Gleichstromanschlusses für variable Einbaulagen der Leistungselektronik (© Audi)


    Flexibler Aufbau des Gleichstromanschlusses für variable Einbaulagen der Leistungselektronik (© Audi)


    Die besonderen Anforderungen an die Doppelkoax-Hinterachse, wie die ASIL-D-Kompatibilität der Drehmomentüberwachung, sind in der gesamten Leistungselektronik von E-tron grundsätzlich umgesetzt.


    Doppelkoax-Hinterachsantrieb ohne Differential

    Im Gegensatz zu den anderen E-tron-Achsantrieben benötigt der Doppelkoax-Hinterachsantrieb der Audi E-tron S-Modelle kein Differential. Die Differentialfunktion wird durch die beiden autonomen elektrischen Antriebe bereitgestellt, die miteinander verschraubt, aber nicht mechanisch über einen Drehmomentweg gekoppelt sind.

    Der Doppelantrieb verwendet zwei kompakte Koaxialgetriebe ( Abbildung 7) . Diese sind auf der linken und rechten Seite der Hinterachse gespiegelt und mit den beiden getrennt laufenden Elektromotoren verbunden. Ein auf jede Rotorwelle des Elektromotors gedrücktes Sonnenrad rastet mit einem abgestuften Doppelplanetenrad ein und liefert in Verbindung mit einem schwimmend im Gehäuse montierten Hohlrad ein Gesamtübersetzungsverhältnis von 9,08: 1. Die Flanschkontur für die Montage Die Antriebswellen sind in der Mitte der Planeten im Planetenträger verschachtelt (braun im Vordergrund). Diese kompakte Bauweise ermöglichte es, den Elektromotoren maximalen axialen Einbauraum zu bieten.
    Kompaktes Achsgetriebe des ATA250 Doppelkoax-Achsantriebs (© Audi)


    Kompaktes Achsgetriebe des ATA250 Doppelkoax-Achsantriebs (© Audi)


    Kühlung und Wärmeableitung des Doppelkoax-Antriebs

    Eine gute Kühlung der Elektromotoren ist entscheidend für die Erzielung einer hohen Leistungsdichte. Da der Installationsraum und das Gewicht für Automobilanwendungen von entscheidender Bedeutung sind, sind effektive, hochintegrierte Kühlkonzepte für die elektrische Traktion unerlässlich. Für die Elektromotoren des Audi E-tron wurde mit Hilfe umfangreicher Simulationen ein hocheffizientes und effektives Kühlkonzept entwickelt. In CHT-Simulationen (Conjugate Heat Transfer) wurden gekoppelte Modelle verwendet, um sowohl den Kühlmittel- und Luftstrom als auch den vollständigen Aufbau der elektrischen Achse zu simulieren.

    Für den Doppelkoax-Hinterachsantrieb wird für jeden Elektromotor ein Wasserkühlsystem mit Stator, Lagerplatte und Innenrotorkühlung verwendet, wie für die Basisantriebe, Abbildung 8. Neben einer guten Wärmeableitung liegt der Fokus auf einer möglichst platzsparenden Umsetzung des Wasserkreislaufs, insbesondere zwischen den Elektromotoren, um die Gesamtlänge der elektrischen Achse kompakt zu halten. Der Kühlmitteleinlass zur elektrischen Achse verläuft parallel über die beiden Leistungselektronikeinheiten, da die Halbleiter die niedrigsten Kühlmitteltemperaturen benötigen. Nach dem Durchströmen der Leistungselektronik tritt das Kühlmittel in die beiden Elektromotoren ein. Die Strömung wird zunächst seriell durch die Lagerplatte auf der Getriebeseite und durch den Statorkühlmantel geleitet. Das Getriebeöl wird durch die gekühlte Lagerplatte gekühlt, so dass kein Getriebeölkühler erforderlich ist. Zusätzlich, Lüfterblätter an den Vorderflächen der Rotoren erzeugen einen gerichteten Luftstrom durch spezielle Kühlelemente an den Lagerschildern, die die Luft im aktiven Raum abkühlen. Dies führt zu einer guten konvektiven Wärmeableitung der Aluminium-Käfigläufe der Rotoren und der Statorwicklungsköpfe. Der Hauptkühlpfad für die asynchronen Rotoren ist jedoch die Innenrotorkühlung durch Wasser. Vor dem Einströmen in die Rotoren werden die beiden Wasserkreisläufe zusammengeführt, um die durch Torque Vectoring verursachte unterschiedliche Erwärmung des Kühlmittels auszugleichen. Abbildung 9 . Der Kühlmittelstrom vom Kollektor in den Rotor fließt über eine Wasserlanze, die das Kühlmittel tief in die Rotoren abführt. Beim Austritt in den rotierenden Rotor wird das Fluid durch den Schereffekt in Rotation versetzt und fließt dann durch die Rotorwelle zurück zum Auslass zwischen den Elektromotoren. Nach der Innenrotorkühlung konvergiert das Kühlmittel in einem anderen Bereich des Kollektors, bevor es die elektrische Achse verlässt ( Abbildung 8 und Abbildung 9) . Der sehr kompakte Wassermantel zwischen den beiden Elektromotoren, der hinsichtlich Strömungsverlusten und gleichmäßiger Strömungsverteilung optimiert ist, besteht aus den beiden Elektromotorgehäusen und den aus zwei Druckgusskomponenten bestehenden Gehäusen des Kollektors. Abbildung 10 zeigt eine sehr homogene Temperaturverteilung im Doppelkoax-Antrieb im Dauerbetriebspunkt (S1) bei 13.500 U / min.

    Kühlkonzept des Doppelkoax-Hinterachsantriebs - beide Elektromotoren jeweils mit Stator, Lagerplatte und Rotorinnenkühlung (© Audi)


    Kühlkonzept des Doppelkoax-Hinterachsantriebs - beide Elektromotoren jeweils mit Stator, Lagerplatte und Rotorinnenkühlung (© Audi)

    Konvergenz vor (links) und nach (rechts) der Innenrotorkühlung (© Audi)


    Konvergenz vor (links) und nach (rechts) der Innenrotorkühlung (© Audi)

    CHT-Simulation der Temperaturverteilung im Doppelkoax-Achsantrieb (© Audi)


    CHT-Simulation der Temperaturverteilung im Doppelkoax-Achsantrieb (© Audi)


    Leistungsdaten der Elektromotoren

    Abbildung 11 zeigt die Leistungs- und Drehmomentkurven der Elektromotoren der Audi E-tron S Modelle. Beachten Sie, dass die Hinterachswerte addiert werden müssen, um die volle Leistung des Doppelkoax-Antriebs zu erzielen. Dank der Überlastfähigkeit der Asynchronmotoren und des effektiven Kühlsystems stehen an beiden Achsen erhebliche Leistungsreserven für Boost oder Electric Torque Vectoring (eTV) zur Verfügung. Abbildung 12zeigt die Leistungsfähigkeit des gesamten elektrischen Antriebsstrangs in den E-tron S-Modellen. Die hoch reproduzierbare Spitzenleistung des Systems (60 s) weist bei 320 kW ein deutliches Plateau auf. In Kombination mit der maximalen Leistung des Akkus und auch mit dem Ziel einer hohen Reproduzierbarkeit beträgt die konsolidierte Leistung des eTV / Boost-Systems (10 s) 370 kW - ebenfalls über ein breites Plateau. Das Systemdrehmoment der E-tron S-Modelle liegt im ersten Drittel des Geschwindigkeitsbereichs konstant über 800 Nm (60 s) bis fast 1000 Nm für eTV / Boost (10 s) ( Abbildung 12)(Unterseite). Besonders hervorzuheben ist die hohe Dauerleistung der Asynchronmotoren, die dank der guten Kühlung auch bei hohen Außentemperaturen nach 30 min Volllast (relevant für die Straßenzulassung) noch 2 × 70 kW (hinten) und 95 kW (vorne) liefern . Eine Überhitzung der Antriebe mit anschließender Leistungsreduzierung ist selbst bei hochdynamischem Fahren kaum möglich.
    Leistungs- und Drehmomentkurven des Elektromotors des Vorderachsantriebs (oben) und des Hinterachsantriebs (unten) für Schub- und Spitzenleistung (© Audi)


    Leistungs- und Drehmomentkurven des Elektromotors des Vorderachsantriebs (oben) und des Hinterachsantriebs (unten) für Schub- und Spitzenleistung (© Audi)


    Konsolidierte Systemleistung und Systemdrehmoment (© Audi)


    Konsolidierte Systemleistung und Systemdrehmoment (© Audi)


    In Bezug auf die Energierückgewinnung setzt der Antriebsstrang der E-tron S-Modelle neue Maßstäbe. Aufgrund des dreimotorigen Aufbaus konnte die Rekuperationsleistung im Vergleich zu den E-tron-Basismodellen von 220 auf 270 kW gesteigert werden.


    Handling- und Fahrfunktionen

    Das schnelle Ansprechverhalten der drei Elektromotoren kann optimal genutzt werden, um das Drehmoment auf die Räder zu verteilen. Das Fahrzeug kann innerhalb weniger Millisekunden auf sich ändernde Reifenreibung reagieren. Das Ansprechverhalten der drei Elektromotoren der S-Modelle wurde gegenüber dem Audi E-tron 55 weiter verbessert. Das Fahrzeug reagiert jetzt in jedem Fahrmodus spontaner auf Änderungen am Gaspedal. Gleichzeitig wurde großer Wert darauf gelegt, dass die hohen Antriebsmomente in jedem Drehzahlbereich effizient gemessen werden können.


    Betriebsstrategie und Anwendung

    Seit dem Modellupdate im Jahr 2019 kann der Antrieb an der Vorderachse aller E-tron-Modelle je nach Fahrsituation vollständig elektrisch entkoppelt werden. Die Taktung der Leistungselektronik wird dann deaktiviert und der Hochvoltbatterie wird kein Strom mehr entnommen. Die Elektromotoren an der Hinterachse setzen die Eingaben des Fahrers normalerweise selbst um. Durch Anheben des Lastpunktes werden die hinteren Elektromotoren effizienter betrieben.

    Bei einem schnellen und starken Lastanstieg oder in fahrdynamikrelevanten Situationen (z. B. bei Reibungsänderungen oder Erkennung von Radschlupf an der Hinterachse) wird der Frontantrieb aktiviert. Der Fahrer bemerkt diesen elektrischen Kopplungsprozess nicht.


    Elektrische quattro und eTV

    Neben der voll variablen Längsdrehmomentverteilung des E-tron 55 wird eTV in den Audi E-tron S-Modellen eingesetzt. Die beiden Elektromotoren an der Hinterachse ermöglichen das Anlegen unterschiedlicher Drehmomente zwischen den beiden Hinterrädern. Das Handling des E-tron kann sowohl in der Traktions- als auch in der Schubphase gezielt verbessert werden - ohne die Bremsen zu betätigen.

    Die hintere Antriebseinheit ermöglicht die Verteilung des Differenzdrehmoments von bis zu 2100 Nm innerhalb weniger Millisekunden nach links / rechts. Dies erzeugt ein Giermoment um die vertikale Achse des Fahrzeugs, was die Selbstlenkungseigenschaften enorm erhöht. In klassischen Traktionssituationen wie der µ-Split-Beschleunigung kann ein Differenzdrehmoment von bis zu 3000 Nm verteilt werden. Der Wegfall der mechanischen Kopplung von rechtem und linkem Rad führt zu völlig neuen Freiheitsgraden bei der Drehmomentverteilung im Vergleich zu einem mechatronischen Differential, stellt jedoch auch die hochdynamische Steuerung des Antriebsstrangs vor Herausforderungen.

    Um das Potenzial des Antriebsstrangs zu maximieren und gleichzeitig die Herausforderungen der Einradmotorsteuerung zu bewältigen, wurden spezielle Steuergeräte- und Leistungselektronikfunktionen implementiert:
    • integrierte Drehmomentverteilung in Längs- und Querrichtung
    • elektronische Differentialfunktion an der Hinterachse
    • Optimierte Effektketten von der Raddrehzahl bis zur Leistungselektronik
    • Sicherheitsfunktionen in ASIL D gemäß ISO 26262.

    Grundlage für die Funktions- und Softwarearchitektur der Fahrzeugdynamik ist der Audi E-tron 55, bei dem die radselektive Drehmomentregelung mittels Bremseingriff bereits in die Drehmomentverteilung des elektrischen Antriebs integriert ist. Im Audi E-tron Topmodell wurde eTV zusätzlich in diese Funktionssoftware auf der elektronischen Fahrgestellplattform (EFP) integriert, um bei allen Reibungskoeffizienten maximale Fahrleistung zu erzielen.



    Fazit

    Mit dem Audi E-tron S wurde der quattro mit E-tron-Technologie durch den Einsatz von eTV an der Hinterachse systematisch verbessert. Die Anwendung einer integrierten Drehmomentregelung als zentrales Element im Antriebsstrang ermöglichte es, das Potenzial des elektrischen Antriebsstrangs mit einem Doppelmotor an der Hinterachse zu maximieren. Die Funktion bleibt auch dann erfüllt, wenn das Traktionskontrollsystem deaktiviert ist und die Elektromotoren ihre gesamte Leistung abgeben.

      Einen Kommentar schreiben

      Bitte gib die sechs Buchstaben oder Zahlen ein, welche in der Grafik unterhalb zu sehen sind.

      Sicherheitsgrfik bei der Registrierung Grafik neu laden

    Moneytizer Recommended

    Einklappen

    Netletix Inread

    Einklappen

    Neue Artikel

    Einklappen

    Neue Themen

    Einklappen

    Stichworte

    Einklappen

    audi (172) batterie (318) bev (718) bmw (161) brennstoffzelle (128) china (334) daimler (98) deutschland (157) elektroauto (143) elektrobus (89) europa (167) fcev (102) frankreich (100) hpc (106) hyundai (98) ladestation (85) ladestationen (221) lieferanten (165) model 3 (105) phev (184) renault (85) startup (90) tesla (236) usa (318) volkswagen (227)
    Lädt...
    X