探索Volkswagen ID.3電動車及其電氣化平台

作者 : Gina Roos、Maurizio Di Paolo Emilio,作者依序為EPS News執行編輯、Power Electronics News & EEWeb主編

Volkswagen ID.3掀開了電動車市場的有趣篇章,到2030年,將會出現更多的電動車型。ID.3是Volkswagen「ID.」系列的第一款全電動車,標示著「全民電動出行新時代」的到來。

ID.3電動車(EV)是Volkswagen (VW)提供的第一款普通民眾也買得起的全電動ID系列車型,是該公司的一個里程碑。

Volkswagen ID.3掀背車於2019年推出,是歐洲最暢銷的電動車之一。它掀開了電動車市場的有趣篇章,到2030年,將會出現更多的電動車型。ID.3是Volkswagen「ID.」系列的第一款全電動車,標示著「全民電動出行新時代」的到來。

ID.3為德國Volkswagen的轉型之旅畫上了濃重的一筆,在從內燃機車輛向電池電動車品牌轉變的同時,其製造平台戰略也得以強化。繼具指標性的Beetle與Golf大獲成功之後,ID.系列被稱為是Volkswagen的第三大篇章。當然,其發展需要遵守全球排放法規。

Volkswagen集團幾年前開始採用模組化平台,使公司能夠在各種品牌和型號之間共用模組和系統。其最新版本是2012年推出的靈活的MBQ模組化平台,該平台的設計初衷是在各品牌之間共用盡可能多的元件,同時仍然能夠充分客製和相容各種引擎類型。由於可以改變軸距(前後輪之間的距離)和平台寬度,MBQ可用於不同尺寸的車型,但僅限於橫向、前置引擎和前輪驅動車輛。

這種製造理念現在已經用於全電動車的生產了,全電動車採用全新的模組化電驅動矩陣(MEB)平台,符合電動出行(e-mobility)的設計要求。首批基於MEB平台打造的電動車包括針對歐洲市場的ID.3和將在美國和亞洲推出的ID.4跨界車,圖1顯示Volkswagen採用的MEB和MBQ平台的車型。

 

圖1:Volkswagen的MEB和MBQ平台。

(來源:System Plus Consulting)

 

MEB平台的可擴展架構是專為電動車設計,可支援Volkswagen集團其他品牌的所有電動車車型。福特(Ford)最近獲得授權使用該平台,這對於Volkswagen收回巨額開發成本至關重要,同時還能透過規模經濟來降低車輛售價。

影響電動車普及的一個關鍵因素是成本,而消費者可不想為溢價買單。Volkswagen平台的元件共用策略有幾大好處,包括提升購買力和快速開發,並且能夠在降低成本的同時提供豐富的技術解決方案,這些都是推動電動車普及的必要因素。

在接受筆者採訪時,System Plus Consulting執行長Romain Fraux介紹了這款外型小巧、價格便宜的ID.3電動車實現了哪些重要的硬體創新。利用模組化這一大創新,Volkswagen集團已經推出了不同品牌、共享相同基礎的多款車型。

Fraux指出,從Volkswagen Golf到SEAT Leon,再到奧迪(Audi) A3 Sportback和koda Octavia等,因為採用MBQ平台而讓它們與眾不同。而現在,Teutonic也採用了這種設計理念,將最新的MEB平台用於電動車的生產,尤其是ID.3和ID.4。Fraux補充,開發一種能夠設計尖端產品並降低成本的技術,這是一個宏偉的目標,也是一項商業挑戰。

Fraux說,模組化平台的最大好處是可以使某些元件標準化,使其可用於所有可能的車型。「這些元件包括結構部分、支撐元件,以及構成實際底板的模組,其中最重要的是機械、引擎、齒輪箱和傳動裝置。」

MEB平台的靈活性也適用於車身和車艙內部設計,車身和車艙內部設計決定了車輛的風格特徵(例如軸距)。它還提供可擴展的電池系統,具備多樣的電池佈局方案。電池包可採用5 × 2電芯或6 × 2電芯結構,並非每個電池包都必須包含電池模組。

ID.3是首款基於MEB平台打造的車型,Fraux重點分析了ID.3的兩個關鍵系統:先進駕駛輔助系統(ADAS)和電氣系統,如圖2所示。

 

圖2:主要分析的部分包括ADAS和電氣系統。

(來源:System Plus Consulting)

 

「在ADAS方面,我們分析了配備Valeo上一代攝影機和Continental中短距雷達的前方安全輔助系統,」Fraux說,「前方碰撞預警系統(包含在前方安全輔助系統中)可以協助監測交通狀況,並在可能與前方車輛發生碰撞時,透過聲音和圖示發出預警。ID.3的ADAS系統利用Hella RS4提供盲點監測、變換車道輔助和後方橫向來車警報。」

「在電氣化方面,我們分析了逆變器、車載充電器和電池管理系統(BMS),」Fraux補充。

ADAS解決方案

ID.3配備了豐富的駕駛輔助系統,被認為是L2 ADAS車輛。其供應商與基於MBQ平台建構的Golf 8相同(之前System Plus Consulting評估過Golf 8),在大多數情況下元件也相同。

Fraux指出,攝影機系統並沒什麼特別。「我們可以看到,板卡的設計稍有不同,但使用的元件類似。」

前方碰撞預警系統(包含在前方安全輔助系統中)可以協助監控交通狀況,並在可能與前方車輛發生追尾碰撞時,透過聲音和圖示發出預警。如果檢測到即將發生碰撞,自動緊急剎車(包含在前方安全輔助系統中)將利用增加剎車壓力來輔助駕駛;或者在駕駛完全沒有回應時,自動剎車。

行人監控(包含在前方安全輔助系統中)功能可以在行人穿過車輛前方時發出警告。在某些情況下,如果駕駛未對警告做出回應,車輛可自動剎車,避免撞到行人。

ID.3採用的攝影機與Golf 8相同,其前置攝影機輔助系統包含搭載Intel/Mobileye EyeQ4M的Valeo最新一代前置攝影機電路板、Omnivision OV10642 CIS 1.3百萬畫素(MP)感測器和瑞薩電子(Renesas)的RH850/P1H-C系列32位元微控制器(MCU)。

其中1.3MP感測器支援1,280 × 1,080畫素的主動陣列和高達60影格/秒的RAW影像輸出。RH850/P1H-C系列則具備32位元雙核心CPU、安全技術、程式碼快閃記憶體、資料快閃記憶體、RAM模組、DMA控制器、針對汽車應用的多種通訊介面、A/D轉換器、計時器單元等等。

 

圖3:Valeo前置攝影機電路板。

(來源:System Plus Consulting)

 

前置雷達採用Continental的第五代77GHz技術,雙板設計,由採用晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)的NXP單晶片MMIC 3Tx4Rx,以及32位元MCU組成。兩塊板子一塊用於運算控制,另一塊用於感測。

 

圖4:Continental的前置輔助雷達系統。

(來源:System Plus Consulting)

 

與Golf 8類似,Hella RS4具有盲點監控、變道輔助和後方橫向來車警報功能。電路板上包含英飛凌(Infineon)的TC26x TriCore MCU和意法半導體(STMicroelectronics)的STRADA431 MMIC。STRADA431是一款用於汽車雷達的單晶片收發器,覆蓋24~24.25GHz頻段,符合ISM頻段應用。

電氣系統

電動車的動力傳動系統涉及多種解決方案,從車載充電器到電池及其管理系統。目前的電池技術決定了整車成本,其中最主要的決定因素是電芯及其機械保護外殼的成本。

ID.3電氣系統的四個主要部分是博世(Bosch)的DC/DC轉換器、Huber Automotive的BMS、Valeo-Siemens的逆變器和Kostal車載充電器(圖5)。ID.3有一個安裝在後軸正前方的馬達,還有一個單速變速箱,採用APP 310無刷永磁馬達。縮寫「APP」表示馬達和變速箱平行於車軸安裝,數字則代表最大扭矩——310Nm——可以想見其強勁的加速度。

 

圖5:電氣系統的主要組成部分。

(來源:System Plus Consulting)

ID.3的核心是電池。電池有三種規格:45kWh (續航里程達330公里)、58kWh (續航里程達420公里)和最大的77kWh (續航里程可達550公里)。最後一種包含12個電池模組,每個模組由24個鋰離子電芯組成。電池工作電壓為408V,也可以使用高達125kW的直流電進行充電。

電池具有專用的液體冷卻系統,可實現最佳溫度管理。它安裝在採用減震框設計的鋁製外殼中,以便保持內部元件完整。

如圖6所示,逆變器由Valeo-Siemens設計,採用英飛凌的IGBT和MCU,以及Intel的CPLD。英飛凌的IGBT型號為FS820R08A6P2B (820A/750V),是專門針對150kW逆變器進行最佳化的六單元模組。電源模組則採用了EDT2 IGBT晶片技術——一種汽車微圖案溝槽場截止(micro-pattern trench-field-stop)電芯設計方法。其晶片組具有基準電流密度、短路耐受性和更高的阻斷電壓,可在惡劣的環境條件下保證逆變器的可靠運作。

 

圖6:逆變器拆解圖。

(來源:System Plus Consulting)

 

逆變器包括三個等級。第一級是輸入級,其功能是從電池包輸出直流電壓,由多個電容和EMI濾波器組成;第二級使用DC-Link電容完成DC/DC轉換,可過濾和平滑直流母線中的直流電壓;最後一級透過高頻開關啟動轉換,並將反向功率傳遞到負載(馬達)。

DC-link必須平衡波動的暫態功率,否則將導致IGBT級產生「波紋」。採用不同的電容技術可以解決這個問題,例如採用鋁電解電容、薄膜電容和陶瓷電容等。DC-link節點處的波紋會影響性能,因為每個電容都有一定的阻抗(和自感)。Fraux指出,這種逆變器的成本高達335美元,主要是電子元件的成本。英飛凌的IGBT和MCU僅佔逆變器總成本的大約30%(圖7)。

 

圖7:逆變器的功能框架圖。

(來源:System Plus Consulting)

 

車載充電器尺寸為480 × 313 × 102mm,重量為10.48kg(圖8),由中國Kostal製造。硬體選擇瑞薩電子的MCU和英飛凌的IGBT/MOSFET,如圖9所示。

 

圖8:車載充電器的拆解圖。

(來源:System Plus Consulting)

 

圖9:車載充電器功能框架圖。

(來源:System Plus Consulting)

 

電動車的電池包由多個串聯和並聯的電池模組組成。管理電池模組的電子電路稱為BMS,BMS包含一個或多個功率轉換級和一個基於MCU的嵌入式系統,用於處理與電源子系統相關的所有事件。在電動車電池充電或放電過程中,必須監測電池包中每個電芯的狀態。ID.3的BMS由一個主系統(master)和四個從系統(slave)組成,其中包含意法半導體和恩智浦的解決方案,如圖10所示。

 

圖10:BMS的主要供應商為恩智浦。

(來源:System Plus Consulting)

 

BMS管理整個鋰電芯陣列(單個電芯或整個電池包),它確定了一個安全的工作區域,在這個區域中,電池包可以保證最佳的技術和能源性能。實際使用的BMS是一個電子系統,可以完全控制所有診斷和安全功能,以管理車內高壓並平衡電荷。

隨著電動車的日益普及,BMS也越來越重要。對一輛由數十個或數百個電池供電的電動車來說,任何管理不當都可能引發嚴重的電氣問題,BMS對最佳化電動車性能並確保電池包安全至關重要。

(參考原文:Under the Hood: the ID.3 and VW’s electrification platform,by Gina Roos、Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年11月號

 

 

 

 

 

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