前言

2020年奧迪第三季度E-TRON SUV的季度交付量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1983(同比增長(zhǎng)16%)。

第三季度，奧迪全電動(dòng)系列總共銷售了2296輛(增長(zhǎng)34.7%)，占奧迪總銷量的4.8%，創(chuàng)歷史新高?？梢哉f奧迪E-TRON當(dāng)之無愧的稱得上最受歡迎的豪華純電動(dòng)SUV了。

E-TRON源于英文單詞ELECTRONIC，最早始于2009年法蘭克福國(guó)際車展上與大家見面。當(dāng)時(shí)以E-TRON命名的概念車，定位類似R8車型，綜合輸出功率230kW，4500Nm。雖然此時(shí)的純電動(dòng)力系統(tǒng)不能很快投入量產(chǎn)，但"E-TRON"概念長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景得以展現(xiàn)，為后續(xù)的產(chǎn)品應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

為滿足前后軸不同布置要求，E-TRON電驅(qū)系統(tǒng)可分為前軸電驅(qū)和后軸電驅(qū)。其中前軸采用平行軸設(shè)計(jì)，速比9.205，代號(hào)APA250、APA320；后軸采用同軸設(shè)計(jì)，速度9.08，代號(hào)AKA320、AKA250。

對(duì)于E-TRON系列而言，不同代號(hào)電驅(qū)系統(tǒng)電機(jī)主體設(shè)計(jì)相同，不同的只是定子有效長(zhǎng)度（120和210 mm）?？刂破髟O(shè)計(jì)也是基本相同，只是根據(jù)不同的軟件版本和DC連接自適應(yīng)調(diào)整。前橋上的標(biāo)準(zhǔn)變速箱，后橋齒輪中的各個(gè)相同零件以及其他相同零件（滾動(dòng)軸承，密封件，旋變等）的使用構(gòu)成了模塊化系統(tǒng)。

新能源汽車技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟且豐富，因此針對(duì)不同電驅(qū)系統(tǒng)，我們不去談不同技術(shù)路線的優(yōu)劣，而是更多的關(guān)注在相同技術(shù)路線的差異和創(chuàng)新。

1. 電機(jī)類型

E-TRON采用的是交流異步電機(jī)，此次重點(diǎn)關(guān)注的是作為交流異步電機(jī)的核心組件—轉(zhuǎn)子。關(guān)注轉(zhuǎn)子的原因也是因?yàn)楫惒诫姍C(jī)的特性導(dǎo)致，也是不同異步電機(jī)能產(chǎn)生差異和創(chuàng)新的地方之一。

在工業(yè)感應(yīng)電機(jī)的生產(chǎn)制造中，鼠籠轉(zhuǎn)子通常都是用鋁鑄造而成。首先鋁具有良好的電阻率，其次鑄鋁轉(zhuǎn)子可通過鑄造成型，成本相對(duì)較低（熔點(diǎn)660℃），因而鑄鋁轉(zhuǎn)子成為了感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的主流。

但是實(shí)際上，銅的電阻率只有鋁的62.5%，這意味著銅轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子損耗比鋁轉(zhuǎn)子的低很多，那么為什么不用銅轉(zhuǎn)子呢？原因是銅轉(zhuǎn)子對(duì)制造工藝要求較高。

• E-TRON鋁轉(zhuǎn)子采用鑄造工藝。假如材質(zhì)由鋁換成銅，那么首先鑄造工藝就行不通了。因?yàn)榧冦~的熔點(diǎn)是1083攝氏度，其澆鑄溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)熔點(diǎn)，澆鑄溫度已經(jīng)接近熔點(diǎn)，從而導(dǎo)致模具壽命低；加之銅的流動(dòng)性差，鑄造過程的氣孔問題也無法避免。

• 除了鑄造還有什么工藝可以采用呢？目前主流的是焊接，制造過程如下:

1. 先將銅條插在轉(zhuǎn)子槽中

b. 再在兩側(cè)焊上端環(huán)（端環(huán)通常使用離心鑄造法制造，離心鑄造的工藝可以排出其中的雜質(zhì)和氣泡）。

c. 制造銅芯轉(zhuǎn)子的焊接工藝通常采用感應(yīng)釬焊，銅條末端與短路聯(lián)結(jié)環(huán)的接觸面積決定著整個(gè)鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電性能，即運(yùn)行效率，短路聯(lián)結(jié)環(huán)的自身強(qiáng)度與焊接點(diǎn)強(qiáng)度決定著電機(jī)的可靠性。如果焊接點(diǎn)出現(xiàn)損壞，輕則影響整個(gè)電機(jī)的性能，重則造成轉(zhuǎn)子損毀。

是不是所有的銅轉(zhuǎn)子都是上述工藝呢？這里我們對(duì)比Tesla的銅轉(zhuǎn)子和蔚來銅轉(zhuǎn)子制造工藝。

Tesla的銅轉(zhuǎn)子制造工藝

Tesla異步電機(jī)銅轉(zhuǎn)子制造工藝已有專利保護(hù)（Rotor Design for An Electric Motor），這項(xiàng)技術(shù)與焊接鼠籠技術(shù)方案前半段相同，將銅條插入了轉(zhuǎn)子槽中。

區(qū)別在于，制造了一組表面鍍銀的銅質(zhì)楔子，將這些楔子插入了銅條端部的間隙之中，這樣一個(gè)銅質(zhì)的“端環(huán)”就通過機(jī)械配合制造完成了。嵌塊安裝完畢后，需要對(duì)接觸面進(jìn)行釬焊加工，由于釬焊材料事先涂覆，在此僅需要加熱即可，這個(gè)焊接要求比焊接方案中端環(huán)的感應(yīng)釬焊成本、難度都低多了。

焊接之后，再在兩端箍上禁錮環(huán)：禁錮環(huán)的配合有效保證了轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度。

蔚來銅轉(zhuǎn)子制造工藝

蔚來的銅轉(zhuǎn)子采用了激光冷焊的工藝技術(shù)，提高轉(zhuǎn)子強(qiáng)度，但是量產(chǎn)工藝一致性挑戰(zhàn)難度高，蔚來目前能解決這個(gè)問題實(shí)屬不易。

小結(jié)：奧迪E-Tron的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)在普通的不能再普通，選擇的是相對(duì)效率更低的鑄鋁轉(zhuǎn)子。與Tesla、蔚來相比，稍遜一籌。但真的是這樣嗎？請(qǐng)繼續(xù)往下看

2. 電機(jī)軸承設(shè)計(jì)

電機(jī)從結(jié)構(gòu)來說，就是一個(gè)轉(zhuǎn)子架上兩個(gè)軸承上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，外表套一個(gè)定子。因?yàn)檩S承方案的設(shè)計(jì)十分重要，不僅影響電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢與否，更影響電機(jī)NVH以及壽命。

2.1 軸承防蠕變方案

從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)后軸承（非輸出端）外圈帶有雙O型圈（槽開在軸承外圈），功能是防蠕變。

軸承蠕變是客觀存在的，并不是所有的電驅(qū)系統(tǒng)都會(huì)遇到因軸承蠕變帶來的失效問題。軸承蠕變可分為靜止載荷引起的蠕變和旋轉(zhuǎn)載荷引起的蠕變。其中電機(jī)軸承蠕變的主要原因來自后者（靜止載荷的影響也存在）。

通過分析機(jī)理，我們很容易得出蠕變的關(guān)鍵因素：旋轉(zhuǎn)載荷、配合間隙、電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)軸承蠕變的問題解決可以從以下幾個(gè)方面入手：

• 減小間隙的手段是提高配合零件的加工精度，而軸承配合現(xiàn)有的要求已經(jīng)很高，因此減少配合間隙所帶來的收益是不大的。
• 減少旋轉(zhuǎn)載荷是主要的方向，當(dāng)電機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)定型后，主動(dòng)減少旋轉(zhuǎn)載荷的可能性不大。增加外部阻力，相當(dāng)于間接的減少了旋轉(zhuǎn)載荷，E-TRON選擇的是上述O型圈方案。
• 蠕變的表征是磨損，因此提高配合零件的耐磨性也是有效的方法。E-TRON鋼制襯套選用的是耐磨的42CrMo4。

2.1 軸承防電腐蝕方案

E-TRON電機(jī)轉(zhuǎn)子具有特殊的軸接地，以避免可能的軸承電流流過滾動(dòng)軸承或齒輪。同時(shí)，兩個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)子軸承設(shè)計(jì)為陶瓷軸承，以避免軸電流通過。功能是防軸承電腐蝕。

在正常情況下，電動(dòng)機(jī)的軸電壓較低，軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油膜能起到絕緣作用，不會(huì)產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸電壓較高，或電機(jī)起動(dòng)瞬間油膜未穩(wěn)定形成時(shí)，軸電壓將使?jié)櫥湍し烹姄舸┬纬苫芈樊a(chǎn)生軸電流。軸電流局部放電能量產(chǎn)生的高溫，可以融化軸承內(nèi)圈、外圈或滾珠上許多微小區(qū)域，并形成凹槽。從而產(chǎn)生噪聲，振動(dòng)。若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理將導(dǎo)致軸承失效，對(duì)生產(chǎn)帶來極大的影響。

小結(jié)：無論是軸承蠕變還是軸承電腐蝕，E-TRON對(duì)軸承的重視程度不言而喻。這些解決方案目前來說是都是現(xiàn)階段的主流方案。雖無新意，卻誠(chéng)意滿滿。關(guān)于電機(jī)軸承問題，未完待續(xù)，請(qǐng)繼續(xù)往下看

3. 冷卻

談到奧迪E-TRON，就不得不談到它的獨(dú)特、大膽的的冷卻系統(tǒng)。前面說到奧迪不同電驅(qū)系統(tǒng)大同小異，我們以后驅(qū)AKA320電驅(qū)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析。

E-TRON采用水冷方案，冷卻對(duì)象包括控制器、前軸承座、后軸承座、電機(jī)定子、電機(jī)轉(zhuǎn)子。

什么？聽過定子冷卻和轉(zhuǎn)子冷卻，怎么還有軸承座冷卻？

先進(jìn)的電機(jī)的熱管理基本上都包含定轉(zhuǎn)子冷卻，比如Model 3、Nidec、Prius等，但需要注意的是上述電驅(qū)系統(tǒng)都是油冷方案。水冷電驅(qū)系統(tǒng)的定子冷卻雖已經(jīng)十分成熟，但是轉(zhuǎn)子冷卻卻十分困難，這涉及到的是冷卻水的泄露問題。油冷方案中，油液泄露的失效后果產(chǎn)生的嚴(yán)重度是相對(duì)較低的（電機(jī)發(fā)熱限功率），而水冷方案中冷卻水泄漏產(chǎn)生失效后果確是不能接受的，電機(jī)高壓絕緣失效，甚至燒毀，影響整車的安全運(yùn)行。需要注意的是：E-TRAN的轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)采用的是水冷。

軸承潤(rùn)滑分為油潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑，一般來說油潤(rùn)滑軸的軸承通過變速箱可實(shí)現(xiàn)冷卻，脂潤(rùn)滑軸承的冷卻很少看見。E-TRON承均為脂潤(rùn)滑，并實(shí)現(xiàn)了冷卻，實(shí)現(xiàn)方式同電機(jī)定子。

帶著眾多疑惑，我們往下看，E-TRON冷卻系統(tǒng)冷卻路徑如下所示：

冷卻結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的就是實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸水冷的后端蓋和雙層導(dǎo)水管。導(dǎo)水管前后均布置有一個(gè)密封圈，前密封圈用于電機(jī)軸與導(dǎo)水管的密封，廠家為KACO，后密封圈用于電機(jī)軸與后端蓋的密封，均為動(dòng)密封。

導(dǎo)水管內(nèi)外兩層空心管，夾層中的冷卻水進(jìn)入電機(jī)軸，且出水口分為兩段，中間被支撐結(jié)構(gòu)隔開，一 段出水口對(duì)應(yīng)導(dǎo)水管底座的一個(gè)進(jìn)水口1，另一段 出水口對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)水口2。來自后軸承座的冷卻水 一部分直接從導(dǎo)水管進(jìn)水口2進(jìn)入導(dǎo)水管，另一部 分進(jìn)入水罐（自帶有進(jìn)水和出水后），之后再?gòu)膶?dǎo) 水管進(jìn)水口1進(jìn)入導(dǎo)水管，最后從導(dǎo)水管出水槽再 進(jìn)入后端蓋，最后流出。

同樣，我們對(duì)比蔚來和Tesla異步電機(jī)冷卻。其中，蔚來采用的是典型的機(jī)殼水冷定子鐵芯方案，無轉(zhuǎn)子冷卻。Model S/X的前驅(qū)，各零部件冷卻方式：

• 電機(jī)轉(zhuǎn)子：導(dǎo)油管主動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子前后端部噴淋
• 電機(jī)定子鐵芯：導(dǎo)油管主動(dòng)噴淋；
• 定子繞組：繞組端部通過集油盤主動(dòng)噴淋冷卻；
• 減速器：飛濺潤(rùn)滑。

導(dǎo)油管結(jié)構(gòu)

集油盤

小結(jié)：平平無奇的奧迪E-Tran電機(jī)終于通過其獨(dú)特、大膽的冷卻系統(tǒng)揚(yáng)眉吐氣。創(chuàng)新分為“想他人所不敢想”和“做他們所不敢做”，奧迪E-Tran無疑屬于后者。如果這種創(chuàng)新經(jīng)得住市場(chǎng)的考驗(yàn)(筆者對(duì)水冷動(dòng)密封心有余悸），那么它將會(huì)為傳奇。另外，特殊的軸承座設(shè)計(jì)，采用和定子鐵芯同樣的水冷方式，讓電機(jī)前后軸承的地位達(dá)到一個(gè)高度。E-Tran對(duì)軸承的重視，讓我們深思，難道真的是有錢任性嗎？

4. 雙電機(jī)系統(tǒng)

接下來我們看下奧迪E-TRON系統(tǒng)有什么特別之處。如果細(xì)心的話，前面的產(chǎn)品介紹，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)其中ATA250有點(diǎn)不一樣。最近很火熱的E-TRON雙電機(jī)說的就是它。奧迪E-TRONS車型的后驅(qū)電驅(qū)系統(tǒng)ATA250采用雙同軸電機(jī)，不需要差速器。每個(gè)輪子由兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)提供，它們通過螺栓連接在一起，但在扭矩傳遞路徑上沒有實(shí)現(xiàn)機(jī)械耦合。通過使用兩個(gè)緊湊的同軸齒輪機(jī)構(gòu)，與兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的電機(jī)相連。

后軸上的兩個(gè)電機(jī)可以在兩個(gè)后輪之間施加不同的扭矩，從而改善各種工況下的操控性。該雙同軸電機(jī)可在幾毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)2100Nm左右的瞬態(tài)扭矩分配。這會(huì)在車輛的垂直軸上產(chǎn)生一個(gè)偏置力矩，從而大大提高了汽車的自轉(zhuǎn)向性能。在典型的牽引情況下，比如μ-split加速模式，可以分配高達(dá)3000 Nm的差動(dòng)扭矩。與傳統(tǒng)機(jī)電式差速器相比，左右車輪的機(jī)械耦合可以在扭矩分配方面實(shí)現(xiàn)全新的自由度。當(dāng)然，這也對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制提出了更高的挑戰(zhàn)。

與奧迪E-TRON相比，Tesla似乎慢了一步，2021年Model S后驅(qū)將會(huì)搭載類似雙電機(jī)系統(tǒng)。

小結(jié)：差速器的誕生是一個(gè)偉大的發(fā)明。作為一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，它能夠使左、右（或前、后）驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。但隨著電氣化的加速，整車動(dòng)態(tài)化控制的進(jìn)步將會(huì)促使差速器的退出。就如新能源的發(fā)展，將會(huì)促使傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的退出。

5. 電機(jī)性能

最后我們來看下奧迪E-TRON的電機(jī)性能，奧迪e-tron S車型的電機(jī)功率和扭矩曲線如圖所示（需要注意的是要將后驅(qū)動(dòng)的值相加，才能看到雙同軸電機(jī)的全部性能）。由于異步電機(jī)的過載能力和有效的冷卻系統(tǒng)，兩個(gè)軸上都有大量的功率儲(chǔ)備，用于提升峰值功率或?qū)崿F(xiàn)電驅(qū)扭矩矢量控制。

在車速50km/h到200km/h，60s峰值功率達(dá)到320kW，結(jié)合電池的最大性能以及整合eTV/升壓系統(tǒng)功率，10s峰值功率可以達(dá)到370 kW，且在車速60km/h到170km/h的范圍內(nèi)適用。對(duì)于peak模式（60s峰值功率）到eTV/boost模式（10s峰值功率），在車速0到70km/h的速度帶下，e-tron S的綜合扭矩處于800Nm（60s）到近1000Nm的高水平。特別值得注意的是，得益于良好的冷卻系統(tǒng)，即使在室外溫度較高的情況下，該異步電機(jī)滿載30分鐘后仍能提供2×70 kW（后驅(qū)動(dòng)）和95 kW（前驅(qū)動(dòng)）的高性能輸出。即使在高負(fù)荷駕駛期間（賽道），電機(jī)過熱和隨后的功率降額也微乎其微。此外，關(guān)于能量回收性能，由于三個(gè)電機(jī)的布局，與e-tron基礎(chǔ)款相比，回收功率可以從220kW增加到270kW。

總結(jié)

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針對(duì)不同電驅(qū)系統(tǒng)，我們不去談不同技術(shù)路線的優(yōu)劣，更多的要關(guān)注在相同技術(shù)路線的差異和創(chuàng)新。任何一種技術(shù)路線，做到極致就是傳奇。