大眾汽車的 ID.3 和電動汽車市場電氣化平臺

作為歐洲最暢銷的電動汽車 (EV) 之一，大眾 (VW) ID.3 掀背車于 2019 年首次亮相，它為電動汽車行業(yè)開啟了一個引人入勝的新篇章，到 2030 年將出現(xiàn)更多車型. “人人共享電動交通的新時代”是大眾的目標(biāo)，ID.3 是該公司首款全電動汽車。

這一切都是為了在其所有品牌中從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電池驅(qū)動的電動汽車，同時加強(qiáng)公司的制造平臺戰(zhàn)略。大眾汽車?yán)^甲殼蟲和高爾夫之后的第三個主要章節(jié)是 ID。汽車類。幾年前，大眾汽車集團(tuán)采用了模塊化平臺方法，使其能夠在公司內(nèi)跨品牌和模型共享模塊和系統(tǒng)。?

該平臺旨在在各個品牌之間共享盡可能多的組件，同時允許大量定制和與各種發(fā)動機(jī)類型的兼容性。MBQ模塊化平臺于2012年發(fā)布。由于軸距（前后輪之間的距離）和平臺寬度可以改變，它也可以定制以適應(yīng)不同的車型。橫向、前置發(fā)動機(jī)和前輪驅(qū)動汽車是平臺系統(tǒng)的目標(biāo)。MEB（模塊化電驅(qū)動矩陣）平臺符合電動汽車的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用這種制造理念生產(chǎn)完全電動汽車。在 MEB 平臺上開發(fā)的首批電動汽車中有一些是面向歐洲市場的 ID.3 和 ID.4 跨界車，它們將在美國和亞洲市場銷售。

圖 1：大眾汽車的 MEB 和 MBQ 平臺。點(diǎn)擊上圖放大（來源：System Plus Consulting）

MEB 平臺是專為電動汽車設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展架構(gòu)，將成為大眾集團(tuán)其他品牌的其他電動汽車的基礎(chǔ)。福特還獲得了使用它的許可證。最近宣布的這項(xiàng)交易對于幫助大眾收回其巨額開發(fā)支出并使其通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)保持低價定價至關(guān)重要。電動汽車的成本是影響其采用的主要因素。消費(fèi)者不愿意支付溢價。大眾平臺方法中的共享設(shè)計(jì)功能提供了顯著的好處，包括購買力和更快的開發(fā)，從而降低成本。

System Plus Consulting 首席執(zhí)行官 Rom ain Fraux 在接受 EEWeb 采訪時討論了在緊湊且經(jīng)濟(jì)的 ID.3 EV 上實(shí)施的關(guān)鍵硬件創(chuàng)新。憑借模塊化創(chuàng)作的力量，大眾汽車集團(tuán)創(chuàng)造了來自不同品牌的多款車型，這些車型擁有相同的基礎(chǔ)。

“從大眾高爾夫到西雅特 Leon，再到奧迪 A3 Sportback 和 ?KODA Octavia 等，MBQ 平臺是它與眾不同的地方，而現(xiàn)在，這種建造理念已被條頓集團(tuán)轉(zhuǎn)移到電動汽車的生產(chǎn)中。新的 MEB 平臺，尤其是 ID.3 和 ID.4 版本”，F(xiàn)raux 說?！斑@是一個雄心勃勃的目標(biāo)，它是一項(xiàng)商業(yè)挑戰(zhàn)，它利用旨在降低成本和創(chuàng)造始終保持最新產(chǎn)品的技術(shù)，”他補(bǔ)充說。

“模塊化平臺的最大好處是它允許某些部件標(biāo)準(zhǔn)化，以便它們可以用于所有可能的模型變體”，F(xiàn)raux 說?！拔覀冋?wù)摰氖墙Y(jié)構(gòu)部件、支撐元件，以及構(gòu)成實(shí)際底板的模塊，最重要的是，機(jī)械、發(fā)動機(jī)、變速箱、變速箱和設(shè)備。”

MEB 平臺為車身和內(nèi)部設(shè)計(jì)提供了靈活性，這些設(shè)計(jì)對車輛的類別和風(fēng)格特征（例如軸距）具有決定性意義。它還提供了一個可擴(kuò)展的電池系統(tǒng)，為電池布局提供了各種可能性。電池組可以有 5 × 2-cell 或 6 × 2-cell 結(jié)構(gòu)；并非每個電池都必須包含電池模塊。

Fraux 研究了 ID.3 中的兩個關(guān)鍵系統(tǒng)，這是在 MEB 平臺上構(gòu)建的第一個模型：高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 和電氣化，如圖 2所示。

“對于 ADAS，我們使用法雷奧的上一代攝像頭和大陸集團(tuán)的中短程雷達(dá)分析了前部輔助系統(tǒng)，”他說?！扒跋蚺鲎簿嫦到y(tǒng)[包含在前向輔助系統(tǒng)中]可以幫助監(jiān)控交通狀況，并可以在聲音和視覺上提醒您與前方行駛的車輛可能發(fā)生的追尾碰撞。對于 ADAS，有用于盲點(diǎn)監(jiān)控、車道變換輔助和后方交叉路口警報(bào)的 Hella RS4?！?/p>

“對于電氣化，我們分析了逆變器、車載充電器和電池管理系統(tǒng) [BMS]，”他補(bǔ)充道。

圖 2：分析的主要 ADAS 和電氣化系統(tǒng)。點(diǎn)擊上圖放大（來源：System Plus Consulting）

ADAS 解決方案

ID.3 配備了廣泛的駕駛員輔助系統(tǒng)。ID.3 被認(rèn)為是 2 級 ADAS，利用相同的供應(yīng)商，在大多數(shù)情況下，使用與 Golf 8 相同的組件，之前由 System Plus Consulting評估，建立在 MBQ 平臺上。

Fraux 說，攝像頭系統(tǒng)沒有任何意外。“我們可以看到卡片的設(shè)計(jì)略有不同，但組件的選擇是相似的?！?/p>

前方碰撞警告（包括在前方輔助系統(tǒng)中）系統(tǒng)可以幫助監(jiān)控交通情況，并在聽覺和視覺上提醒駕駛員注意與前方車輛可能發(fā)生的追尾碰撞。如果它感知到即將發(fā)生碰撞，自動緊急制動（包括在前輔助系統(tǒng)中）可以通過增加制動壓力來支持駕駛員，或者，如果駕駛員根本沒有反應(yīng)，它可以自動施加制動。

行人監(jiān)控（包括在前方輔助系統(tǒng)中）功能可以警告行人在車輛前方橫穿，并且在某些情況下，如果駕駛員沒有響應(yīng)警告，可以自動制動以幫助減輕與行人發(fā)生碰撞的后果

使用與 Golf 8 相同的攝像頭，前置攝像頭輔助系統(tǒng)包括 Valeo 最新一代前置攝像頭板和 Intel/Mobileye EyeQ4M、Omnivision 的 OV10642 CIS 1.3 兆像素 (MP) 傳感器和 Renesas 的 RH850/P1H-C 系列 32 位微控制器 (MCU) ）。

1.3-MP 傳感器支持 1280 × 1080 像素的有源陣列和高達(dá)每秒 60 幀的 RAW 圖像輸出。RH850/P1H-C 系列具有 32 位雙核 CPU、安全技術(shù)、代碼閃存、數(shù)據(jù)閃存、RAM 模塊、DMA 控制器、許多用于汽車應(yīng)用的通信接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、定時器單元、等等

圖 3：法雷奧的前置攝像頭板。點(diǎn)擊上圖放大（來源：System Plus Consulting）

前置雷達(dá)采用大陸第五代 77-GHz 技術(shù)，采用兩板設(shè)計(jì)。它由 NXP 在 WLCSP 中的單芯片 MMIC 3Tx4Rx 和 32 位 MCU 組成。一塊板用于計(jì)算控制，另一塊板用于傳感。

圖 4：大陸集團(tuán)的前置輔助雷達(dá)系統(tǒng)。點(diǎn)擊上圖放大（來源：System Plus Consulting）

與 Golf 8 類似，Hella RS4 具有盲點(diǎn)監(jiān)控、變道輔助和后方交叉路口警報(bào)。該板由英飛凌的 TC26x Tricore MCU 和意法半導(dǎo)體的 STRADA431 MMIC 組成。STRADA431 是一款用于汽車?yán)走_(dá)的單芯片收發(fā)器，能夠覆蓋 24 至 24.25 GHz 的頻段，以符合 ISM 頻段應(yīng)用。

電氣化系統(tǒng)

電動汽車的動力總成系統(tǒng)涉及多種解決方案，從車載充電器到電池及其管理系統(tǒng)。今天的電池驅(qū)動了整體成本，這主要取決于每個電池的成本及其機(jī)械保護(hù)外殼。

ID.3 電氣系統(tǒng)的四個主要部分是博世的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、Huber Automotive 的電池管理系統(tǒng) (BMS)、法雷奧-西門子的逆變器和 Kostal 的車載充電器（圖 5） . ID.3 配備了一個安裝在后橋前面的電機(jī)和一個單速變速器，并使用 APP 310 無刷永磁電機(jī)?？s寫“APP”表示電機(jī)和變速箱平行于車軸布置，數(shù)字代表最大扭矩，可產(chǎn)生310?！っ?。這個數(shù)字給出了加速度的概念。

圖 5：主要電氣化系統(tǒng)。點(diǎn)擊上圖放大（來源：System Plus Consulting）

ID.3 的核心是電池。三種電池尺寸可供選擇：45 kWh（續(xù)航里程高達(dá) 330 公里）、58 kWh（續(xù)航里程高達(dá) 420 公里）和最大的 77 kWh 續(xù)航里程 550 公里。后者有12個模塊，每個模塊由24個鋰離子電池組成。它的工作電壓為 408 V，也可以使用高達(dá) 125 kW 的直流電進(jìn)行充電。

電池具有專用的液體冷卻系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)最佳溫度管理，并安裝在鋁制外殼中，該外殼還具有集成的減震框架，以保持內(nèi)部組件的完整性。

如圖 6所示，逆變器由法雷奧西門子設(shè)計(jì)，采用英飛凌的 IGBT 和 MCU 技術(shù)以及英特爾的 CPLD。英飛凌的 IGBT 是 FS820R08A6P2B (820 A/750 V)：針對 150 kW 逆變器優(yōu)化的六組模塊。電源模塊實(shí)現(xiàn)了EDT2 IGBT芯片代，這是一種汽車微圖案溝槽場終止單元設(shè)計(jì)。該芯片組具有基準(zhǔn)電流密度、短路耐用性和更高的阻斷電壓，可在惡劣的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)可靠的逆變器運(yùn)行。

圖 6：逆變器拆卸。點(diǎn)擊上圖放大（來源：System Plus Consulting）

逆變器由三個階段組成。第一個是輸入級，從電池組輸出直流電壓，由多個電容器和 EMI 濾波器組成。第二階段是使用直流母線電容器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換，它過濾和平滑直流母線中的直流電壓。最后一級通過高頻開關(guān)啟動轉(zhuǎn)換，并將逆變電源提供給負(fù)載（電動機(jī)）。

直流鏈路必須平衡由 IGBT 級產(chǎn)生的“紋波”導(dǎo)致的波動瞬時功率。解決方案可以使用不同的電容器技術(shù)，例如鋁電解、薄膜和陶瓷。直流鏈路節(jié)點(diǎn)處的紋波會影響性能，因?yàn)槊總€電容器都有一定的阻抗（和自感）。正如 Fraux 指出的那樣，這種逆變器的成本約為 335 美元，主要是由于電子元件。英飛凌的 IGBT 和 MCU 占逆變器總成本的近 30%。（圖 7）。

圖 7：逆變器框圖。點(diǎn)擊上圖放大（來源：System Plus Consulting）

車載充電器由中國科世達(dá)制造，尺寸為480×313×102毫米，重量為10.48公斤（圖8）。硬件選擇主要針對瑞薩的 MCU 和英飛凌的 IGBT/MOSFET，如圖 9中的框圖所示。

圖 8：車載充電器拆卸。點(diǎn)擊上圖放大（來源：System Plus Consulting）

圖 9：車載充電器框圖。點(diǎn)擊上圖放大（來源：System Plus Consulting）

安裝在電動汽車上的電池組由多個串聯(lián)和并聯(lián)連接的電池模塊組成。電池模塊管理所需的電子電路是電池管理系統(tǒng)。BMS 包括一個或多個電源轉(zhuǎn)換級和一個基于 MCU 的嵌入式系統(tǒng)，用于處理與電源子系統(tǒng)相關(guān)的所有方面。在電動汽車電池充電或放電過程中，必須監(jiān)控屬于電池組的每個電池的狀態(tài)。ID.3 的 BMS 由四個從機(jī)和一個主機(jī)組成，采用 STMicroelectronics 和 NXP 的解決方案，如圖 9所示。