拆解大众ID.3,第一款买得起的大众纯电动车
大众(VW)ID.3电动车是大众汽车提供的第一款普通民众买得起的纯电动ID系列车型,是大众汽车的一个里程碑.
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大众ID.3掀背车于2019年推出,是欧洲最畅销的电动汽车之一.它掀开了电动汽车市场的有趣篇章,到2030年,将会出现更多的电动车型.ID.3是大众"ID"系列的第一款纯电动汽车,标志着"全民电动出行新时代"的到来.
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ID.3为德国大众汽车公司的转型之旅添上了浓重墨彩的一笔,在从内燃机汽车向电池电动汽车品牌转变的同时,其制造平台战略也得以强化.继标志性的甲壳虫与Golf大获成功之后,ID.系列被称为是大众的第三大篇章.当然,其发展需要遵守全球排放法规.
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大众集团几年前开始采用模块化平台,使公司能够在各种品牌和型号之间共享模块和系统.其最新版本是2012年推出的灵活的MQB模块化平台,该平台的设计初衷是在各品牌之间共享尽可能多的组件,同时仍然能够充分定制和兼容各种引擎类型.由于可以改变轴距(前后轮之间的距离)和平台宽度,MQB可用于不同尺寸的车型,但仅限于横向,前置发动机和前轮驱动汽车.
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这种制造理念现在已经用于纯电动汽车的生产了,纯电动汽车采用全新的MEB(模块化电驱动矩阵)平台,符合电动汽车的设计要求.首批基于MEB平台打造的电动汽车包括面向欧洲市场的ID.3和将在美国和亚洲推出的ID.4跨界车.图1显示了大众公司采用的MEB和MQB平台的车型.
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图1:大众汽车的MEB和MQB平台.(图片来源:SystemPlusConsulting)
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MEB平台的可扩展架构是专为电动汽车设计的,可支持大众集团其他品牌的所有电动汽车车型.福特最近获得授权使用该平台,这对于大众公司收回巨额开发成本至关重要,同时还能通过规模经济来降低汽车售价.
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影响电动汽车普及的一个关键因素是成本.消费者可不想为溢价买单.大众平台的组件共享战略有几大好处,包括提升购买力和快速开发,并且能够在降低成本的同时提供丰富的技术解决方案,这些都是推动电动汽车普及的必要因素.
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在接受笔者采访时,SystemPlusConsulting首席执行官RomainFraux介绍了这款外型小巧,价格便宜的ID.3电动车实现了哪些重要的硬件创新.利用模块化这一大创新,大众汽车集团已经推出了不同品牌的多款车型,这些车型共享同样的基本组件.
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Fraux指出,从大众Golf到SEATLeon,再到奥迪A3Sportback和ŠkodaOctavia等,因为采用MQB平台而让它们与众不同.而现在,Teutonic也采用了这种设计理念,将最新的MEB平台用于电动汽车的生产,尤其是ID.3和ID.4.他补充说,开发一种能够设计尖端产品并降低成本的技术,这是一个宏伟的目标,也是一项商业挑战.
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Fraux说,模块化平台的最大好处是可以使某些组件标准化,使其可用于所有可能的车型."这些组件包括结构部件,支撑元件,以及构成实际底板的模块,其中最重要的是机械部件,发动机,齿轮箱和传动装置."
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MEB平台的灵活性也适用于车身和内饰设计,车身和内饰设计决定了车辆的风格特征(例如轴距).它还提供可扩展的电池系统,具备多样的电池布局方案.电池包可采用5×2电芯或6×2电芯结构,并非每个电池包都必须包含电池模组.
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ID.3是首款基于MEB平台打造的车型,Fraux重点分析了ID.3的两个关键系统:高级驾驶辅助系统(ADAS)和电气系统,如图2所示.
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"在ADAS方面,我们分析了配备Valeo上一代摄像头和大陆集团中短程雷达的前方安全辅助系统,"Fraux说,"前方碰撞预警系统(包含在前方安全辅助系统中)可以帮助监测交通状况,并在可能与前方车辆发生追尾碰撞时,通过声音和图示发出预警.ID.3的ADAS系统利用HellaRS4提供盲点监测,换道辅助和后方横向来车报警."
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"在电气化方面,我们分析了逆变器,车载充电器和电池管理系统(BMS),"他补充道.
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图2:主要分析对象包括ADAS和电气系统.(图片来源:SystemPlusConsulting)
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ADAS解决方案
ID.3配备了丰富的驾驶员辅助系统,被认为是L2级ADAS汽车.其供应商与基于MQB平台构建的Golf8相同(之前SystemPlusConsulting评估过Golf8),在大多数情况下组件也相同.
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Fraux指出,摄像头系统并没什么特别."我们可以看到,板卡的设计稍有不同,但使用的组件类似."
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前方碰撞预警系统(包含在前方安全辅助系统中)可以帮助监控交通状况,并在可能与前方车辆发生追尾碰撞时,通过声音和图示发出预警.如果检测到即将发生碰撞,自动紧急刹车(包含在前方安全辅助系统中)将通过增加制动压力来辅助驾驶员;或者在驾驶员完全没有响应时,自动刹车.
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行人监控(包含在前方安全辅助系统中)功能可以在行人穿过车辆前方时发出警告.在某些情况下,如果驾驶员未对警告做出响应,车辆可自动刹车,避免撞到行人.
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ID.3采用的摄像头与Golf8相同,其前置摄像头辅助系统包含搭载Intel/MobileyeEyeQ4M的Valeo最新一代前置摄像头电路板,OmnivisionOV10642CIS1.3兆像素(MP)传感器和瑞萨电子的RH850/P1H-C系列32位微控制器(MCU).
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其中1.3-MP传感器支持1280×1080像素的主动阵列和高达60帧/秒的RAW图像输出.RH850/P1H-C系列则具备32位双核CPU,安全技术,代码闪存,数据闪存,RAM模块,DMA控制器,面向汽车应用的多种通信接口,A/D转换器,定时器单元等等.
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图3:Valeo前置摄像头电路板.(图片来源:SystemPlusConsulting)
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前置雷达采用大陆集团的第五代77-GHz技术,双板设计,由采用晶圆级芯片封装(WLCSP)的NXP单芯片MMIC3Tx4Rx以及32位MCU组成.两块板子一块用于计算控制,另一块用于感测.
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图4:大陆集团的前置辅助雷达系统.(图片来源:SystemPlusConsulting)
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与Golf8类似,HellaRS4具有盲点监控,变道辅助和后方横向来车报警功能.电路板上包含英飞凌的TC26xTriCoreMCU和意法半导体的STRADA431MMIC.STRADA431是一款用于汽车雷达的单芯片收发器,覆盖24至24.25GHz频段,符合ISM频段应用.
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电气系统
电动汽车的动力总成系统涉及多种解决方案,从车载充电器到电池及其管理系统.目前的电池技术决定了整车成本,其中最主要的决定因素是电芯及其机械保护外壳的成本.
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ID.3电气系统的四个主要部分是博世的DC/DC转换器,HuberAutomotive的电池管理系统(BMS),Valeo-Siemens的逆变器和科世达的车载充电器(图5).ID.3有一个安装在后轴正前方的电机,还有一个单速变速箱,采用APP310无刷永磁电机.这里的缩写"APP"表示电机和变速箱平行于车轴安装,数字则代表最大扭矩,310Nm,可以想见其强劲的加速度.
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图5:电气系统的主要组成部分.(图片来源:SystemPlusConsulting)
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ID.3的核心是电池.电池有三种规格:45kWh(续航里程达330公里),58kWh(续航里程达420公里)和最大的77kWh(续航里程可达550公里).最后一种包含12个电池模组,每个模组由24个锂离子电芯组成.电池工作电压为408V,也可以使用高达125kW的直流电进行充电.
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电池具有专用的液体冷却系统,可实现最佳温度管理.它安装在采用减震框设计的铝制外壳中,以便保持内部组件完整.
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如图6所示,逆变器由Valeo-Siemens设计,采用英飞凌的IGBT和MCU以及英特尔的CPLD.英飞凌的IGBT具体型号为FS820R08A6P2B(820A/750V),是专门针对150kW逆变器进行优化的六单元模块.电源模块则采用了EDT2IGBT芯片技术 -  - 一种汽车微图案沟槽场截止电芯设计方法.其芯片组具有基准电流密度,短路耐受性和更高的阻断电压,可在恶劣的环境条件下保证逆变器的可靠运行.
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图6:逆变器拆解图.(图片来源:SystemPlusConsulting)
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逆变器包括三个级.第一级是输入级,其功能是从电池包输出直流电压,由多个电容器和EMI滤波器组成;第二级使用DC-Link电容器完成DC/DC转换,可过滤和平滑直流母线中的直流电压;最后一级通过高频开关启动转换,并将反向功率传递到负载(电机).
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DC-link必须平衡波动的瞬时功率,否则将导致IGBT级产生"纹波".采用不同的电容器技术可以解决这个问题,例如采用铝电解电容,薄膜电容和陶瓷电容等.DC-link节点处的纹波会影响性能,因为每个电容器都有一定的阻抗(和自感).Fraux指出,这种逆变器的成本高达335美元,主要是电子元件的成本.英飞凌的IGBT和MCU仅占逆变器总成本的大约30%(图7).
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图7:逆变器的功能框图.(图片来源:SystemPlusConsulting)
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车载充电器尺寸为480×313×102mm,重量为10.48kg(图8),由中国的科世达公司制造.硬件选择瑞萨的MCU和英飞凌的IGBT/MOSFET,如图9所示.
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图8:车载充电器的拆解图.(图片来源:SystemPlusConsulting)
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图9:车载充电器功能框图.(图片来源:SystemPlusConsulting)
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电动汽车的电池包由多个串联和并联的电池模组组成.管理电池模组的电子电路称为电池管理系统(BMS),BMS包含一个或多个功率转换级和一个基于MCU的嵌入式系统,用于处理与电源子系统相关的所有事件.在电动汽车电池充电或放电过程中,必须监测电池包中每个电芯的状态.ID.3的BMS由一个主系统(master)和四个从系统(slave)组成,其中包含意法半导体和恩智浦的解决方案,如图10所示.
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图10:BMS的主要供应商为恩智浦.(图片来源:SystemPlusConsulting)
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BMS管理整个锂电芯阵列(单个电芯或整个电池包),它确定了一个安全的工作区域,在这个区域中,电池包可以保证最佳的技术和能源性能.实际使用的BMS是一个电子系统,可以完全控制所有诊断和安全功能,以管理车内高压并平衡电荷.
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随着电动汽车的日益普及,BMS也越来越重要.对一辆由数十个或数百个电池供电的电动汽车来说,任何管理不当都可能引发严重的电气问题.BMS对优化电动汽车性能并确保电池包安全至关重要.
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(原文刊登于EDN姐妹网站EETimes美国版,参考链接:

,由Jenny Liao编译.)