從概念到現實 奧迪e-tron電驅技術解析

　　【太平洋汽車網 技術頻道】2012年可以算是混合動力車型的崛起之年。7月底，由國務院頒布《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)》，明確指出要大力推廣普及混合動力車型。廣州8月30日晚上9時臨時實施限牌政策，以響應國家產業發展規劃，并為購買新能源汽車的車主提供1萬元的購車補貼。隨著混合動力車陣型的迅速擴張以及純電動車接連發布，新能源汽車浪潮一浪高過一浪。之前我們技術頻道介紹過一些主流的混合動力技術。今天我們要來了解一下奧迪品牌著名的e-tron電驅技術。

● 奧迪的未來汽車解決方案——hybrid向e-tron的過渡

　　在2012年，奧迪在一般民用車市場主推的是hybrid全混合動力的車型。通過在傳統發動機車型上整合了內置于變速箱的電動機、功率電子裝置以及鋰電池模塊，實現了提升車輛動力性及燃油經濟性的目的。

　　如大家比較熟悉的Q5 hybrid quattro車型就是一臺標準的全混合動力車型。其上搭載了一臺155kW的2.0L TFSI EA888渦輪增壓發動機以及40kW的永磁同步電機，當發動機和電動機同時輸出時能爆發180kW的最大功率及410Nm的最大扭矩。除此以外，Q5 hybrid quattro還帶有純電動模式，可以以60km/h保持勻速行駛3公里。hybrid混合動力車型縱使動力遠超傳統動力車型，燃油經濟性也更勝一籌，但依然無法做到零排放以及較長里程的純電動行駛。未來的奧迪e-tron車型將主要采用電動機驅動車輛，能夠實現較長里程地以純電動模式行駛。

● e-tron電動科技始于2009年法蘭克福車展

　　奧迪e-tron電動科技始于2009法蘭克福車展上展出的那臺奧迪e-tron概念車。在短短的三年間，奧迪把e-tron技術的應用范圍由概念車擴展至實際量產車型。下面我們來回顧一下奧迪e-tron技術的發展歷程。

　　奧迪e-tron概念車是一款純電動車，采用了四個電動機以及一組鋰電池。其純電動動力系統最大功率為230kW，最大扭矩達到驚人的4500Nm（傳統汽油發動機動力最多也就幾百Nm），0-100km/h加速時間僅為4.8s。

　　同是奧迪e-tron概念車，在2010北美車展上展出的是一臺采用兩個電動機驅動后輪的車型，外形與法蘭克福車展展出的車型類似。這臺后驅車型動力系統輸出的最大功率為150kW，最大扭矩為2650Nm，0-100km/h加速時間為5.9s。

　　奧迪A1 e-tron是一款增程型電動車，采用了一個45kW電動機（峰值輸出為75kW）驅動車輛前軸。同時此車還配置了一個254cc的轉子發動機用于驅動15kW的增程發電機。

　　奧迪e-tron spyder是一款增程型電動車。其后軸采用一臺3.0L V6 TDI雙渦輪增壓柴油發動機推動，最大功率為221kW，最大扭矩為650Nm；前軸采用兩臺電動機合起來可以產生64kW的最大功率以及352Nm最大扭矩。奧迪e-tron spyder 50:50的車身配重以及為操控優化的四驅系統，使得其操控性及動力性都極為出色。這種前置電動機、后置發動機的動力布置形式也被采用于奧迪e-tron R18耐力賽車上。

　　奧迪A6L BEV是一款純電動車，僅靠電力驅動，一次充電最大續航里程為130km，最高車速可達138km/h。電量用盡后，可以在家用外接充電器進行充電。由于此車尚未定型，因此并沒有公布更詳細的參數。

　　奧迪Q5 HFC（Hybrid Fuel Cell）是一款燃料電池車，應用了在2004年奧迪曾經推出過的A2H2概念車（以奧迪A2為基礎）上的核心技術。奧迪Q5 HFC的低溫氫燃料電池功率可達到98kW，而起輔助作用的鋰電池功率為37kW。兩臺電動機分別位于前后兩車軸，可產生90kW的最大功率以及420Nm的最大扭矩。奧迪Q5 HFC的0-100km/h加速時間為13.4秒，最高時速160km/h，可以實現500公里的續航里程。

　　奧迪A3 e-tron是一臺純電動車，在車輛前軸放置了一臺最大功率為60kW（峰值功率可達100kW）、最大扭矩為279Nm的永磁同步電機。

　　奧迪A3 e-tron concept是一臺插電式混合動力汽車。車上裝有一臺155kW的1.4TFSI發動機以及一臺20kW的電動機，兩種動力系統協同作用產生175kW的最大功率。

　　奧迪A6L e-tron是一款插電式混合動力車型，其驅動結構與上面提到的奧迪A3 e-tron concept類似。不同的是，奧迪A6L e-tron采用了一臺155kW的2.0L TFSI發動機以及一臺70kW的電動機作為動力。在純電動模式，奧迪A6L e-tron能夠以60km/h的巡航速度行駛80km。

　　今年年底在歐洲上市的R8 e-tron車型是一款純電動超級跑車采用了四臺電動機分別驅動四個車輪。四臺電動機總共可以產生230kW的最大功率以及4500Nm的最大扭矩。R8 e-tron的上市意味著全輪電驅技術的成熟以及e-quattro電動四輪驅動技術的民用化。

　　2012年，奧迪R18 e-tron quattro首次將e-tron電驅動技術帶上勒芒24小時耐力賽的賽場進行試煉，這是對系統和整車可靠性、高效性和耐久性的超高級測試。奧迪R18 e-tron quattro賽車后軸采用最大功率為375kW的3.7L TDI渦輪增壓發動機驅動，前軸采用51kW的電動機驅動。兩種動力共同構建出“混合式”四驅系統。除此以外，奧迪R18 e-tron quattro還采用了來自于F1威廉姆斯車隊的飛輪式KERS動能回收系統（KERS：Kinetic Energy Recovery Systems）。

● e-tron的核心技術

　　奧迪e-tron的核心技術包括以下四項：電動機、功率電子裝置、充電系統以及鋰電池技術。

● 電池能量密度制約電動車續航里程

　　在奧迪e-tron系列車型上，廣泛地運用了鋰電池技術。為獲得較長的行駛里程以及盡可能降低車輛的重量，車用電池必須要有較高的能量密度。各種常見電池類型的能量密度可參看下圖。從下圖中我們可以了解到，車用鋰電池的能量密度比電子消費產品上使用的鋰電池要低，這是因為車用鋰電池需要承受大電流充放電而在能量密度上做出了妥協。

● 電池充放電控制影響電池壽命

　　車用鋰電池一般為鋰離子電池（下稱“鋰電池”），鋰電池使用壽命是影響電動車發展的重要因素。而對鋰電池充放電時間、電流及溫度的控制技術是影響鋰電池壽命的關鍵。對于單個鋰電池來說，過度放電以及過度充電都會縮短電池壽命。對于大部分鋰電池來說，其中止放電電壓為2.5V～2.75V（視生產商而定）。低于終止放電電壓繼續放電稱為過放，過放對電池會有損害。過度充電會使電池升溫，同樣會縮短電池壽命。

　　對于車用鋰電池來說，其合適的工作溫度為45℃~60℃。溫度過高會導致電池退化，縮短電池壽命；溫度過低則導致電池停電，無法輸出足夠的電流。

　　鋰離子電池不適合用作大電流放電，過大電流放電時會降低放電時間（內部會產生較高的溫度而損耗能量），這或許是現在鋰電池技術的一個弱點。因而在電動車上，都會采用由眾多小塊鋰電池組成的鋰電池組，這樣能夠使電池組輸出較大的電流。像奧迪A1 e-tron上的電池組就由96塊鋰電池組成，每一塊鋰電池的溫度、電壓、充放電電流等狀態信息都受到功率電子系統的監控，從而保證鋰電池組工作在合適的狀態。

● 奧迪采用的兩種電動機

　　奧迪e-tron技術采用了兩種不同類型的電機——ASM電機（異步電動機）以及PSM電機（永磁同步電動機）。沒有采用永久磁鐵的ASM電機結構簡單便于維護；采用永久磁鐵的而PSM電機扭矩范圍寬、能效高且在高速時能夠輸出高功率，但需要復雜的傳感器系統。在奧迪Q5 hybrid混合動力車型上采用的就是PSM電機。而對于未來的純電動車來說，高轉速的ASM電機以及PSM電機都是合適的。

　　奧迪e-tron技術采用的電動機根據安裝位置及用途的不同具有不同的形式。對于安裝在變速箱內部的高扭矩電動機，其外形是盤型的（如奧迪Q5 hybrid變速箱上的電動機）。對于安裝在車軸上的高轉速電動機，其外形是柱形的（如奧迪A3 e-tron前軸上的）。

● 功率電子裝置——電動機與電池之間的橋梁

　　奧迪e-tron系列車型上必然會有鋰電池以及電動機（發電機），而搭配了傳統動力的車型還會配置一個傳統的12V蓄電池。功率電子裝置是用于綜合控制電池、電動機及發電機之間的能量轉換，同時監控各部件的工作狀態。

● 三種充電方式

　　對于電動車來說，充電系統是必備配置。奧迪e-tron根據車型的不同安裝有三種不同的充電方式。三種不同充電方式的特點可參看下圖。

● 能量回收系統

　　對于使用傳統動力的汽車，其能量回收方式最多也就只能在制動或者下坡時利用發電機給蓄電池充電，能量回收效果相對較弱（奔馳、寶馬、奧迪的傳統動力車型均采用此方式回收發動機能量）。

　　電動機是個好東西，你給它供電，它就會轉；你轉動它，它便會產生電能。正是利用這個簡單的電磁轉換原理，安裝了電動機的奧迪e-tron車型便能根據實際車輛工況以及駕駛員意圖，在功率電子裝置的統一管理下實現高效的能量回收。

　　奧迪R18 e-tron賽車所采用的能量回收系統有點特別。對于能量的存儲，大家慣性思維會想到電池和電容這種以電能形式的儲能元件。而除此以外，能量還可以以另外一種形式被存儲起來——高速旋轉的大慣性飛輪。奧迪R18 e-tron賽車采用的是威廉姆斯車隊在F1賽車上采用的慣性飛輪能量回收系統，簡稱KERS。通過位于前軸的電動機回收回來的能量被轉化為動能被存儲于大慣性飛輪上。當車輛需要加速時，大慣性飛輪上的動能通過無級變速箱輸出并轉化為電能驅動前軸電動機驅動車輛。

● 窺見未來的電動四驅系統——e-quattro

　　說道四驅系統，過去廠商們一直在探索如何能盡可能大地擴大扭矩分配范圍。從奧迪享譽國際的扭矩感應式機械差速器（Torsen差速器）到最近各廠商都在使用的電子離合式差速器（如寶馬DPC、三菱AYC、謳歌SH-AWD等），技術的一次又一次的進步都在逐漸逼近前軸與后軸、左右側車輪間0-100%全范圍扭矩分配。但無論如何，在奧迪e-quattro出現之前，還沒有哪家廠商能夠單獨對車輛每一個車輪實現0-100%的單獨扭矩分配。

　　正因為拋棄了傳統的動力系統，而使用了純電動驅動方式，所以奧迪e-quattro能夠根據實際駕駛情況分配每一個車輪上的扭矩輸出。配置有e-quattro技術的車型在通過性以及操控上都會比史上任何一款電動車要高得多。而電動機比傳統發動機強大得多的扭矩輸出帶來的迅猛加速性能更是以往任何一款車型所無法比擬的。

　　總結：從概念車到耐力賽車，從耐力賽車到民用車，奧迪e-tron技術的發展可謂一日千里。今年底在歐洲上市的純電動四驅奧迪R8 e-tron將首次讓我們有機會感受到純電動超級跑車強大扭矩輸出帶來的強大推背感以及e-quattro電子四驅系統所帶來的優越操控性能。奧迪R8 e-tron的正式上市，標志著奧迪純電動四驅系統已經成熟，意味著在不久的將來會有更多民用車采用這種新技術，讓我們拭目以待吧！

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