Der 3 vorgestellte Volkswagen (VW) ID.2019 Schrägheck gilt als eines der meistverkauften Elektrofahrzeuge (EVs) in Europa und hat ein interessantes Kapitel auf dem EV-Markt aufgeschlagen, das bis 2030 viele weitere Modelle sehen wird ID.3 ist das erste vollelektrische Fahrzeug von VW, das im „ID.“ auf den Markt kommt. Familie und steht für „ein neues Zeitalter der Elektromobilität für alle“.
Der ID.3 unterstreicht die vom deutschen Unternehmen eingeleitete Trendwende beim Übergang von Verbrennungsmotoren zu Batterie-Elektrofahrzeugen markenübergreifend und stärkt gleichzeitig seine Fertigungsplattformstrategie. Die ID. Fahrzeugklasse heißt das dritte große Kapitel von VW, nach dem sehr erfolgreichen und ikonischen Käfer und Golf. Der Entwicklung liegt natürlich die Notwendigkeit zugrunde, die weltweiten Emissionsvorschriften einzuhalten.
Der Volkswagen Konzern hat vor einigen Jahren auf eine modulare Plattformstrategie umgestellt, die es dem Unternehmen ermöglicht, Module und Systeme marken- und modellübergreifend zu teilen. Eine der jüngsten ist die 2012 eingeführte flexible modulare Plattform MBQ, die darauf ausgelegt ist, so viele Komponenten wie möglich zwischen den verschiedenen Marken zu teilen und gleichzeitig viel Raum für Anpassung und Kompatibilität mit einer Vielzahl von Motortypen zu lassen. Dank der Möglichkeit, den Radstand (der Abstand zwischen den Vorder- und Hinterrädern) und die Breite der Plattform zu variieren, kann er sich auch an die Abmessungen verschiedener Modelle anpassen. Das Plattformsystem zielt auf Fahrzeuge mit Quer-, Frontmotor- und Frontantrieb ab.
Diese Fertigungsphilosophie wurde mit der neuen MEB-Plattform (Modular Electric Drive Matrix) auf die Produktion von vollelektrischen Fahrzeugen übertragen, die den Designanforderungen der E-Mobilität entsprechen. Zu den ersten auf der MEB-Plattform gebauten Elektrofahrzeugen gehören der ID.3 für den europäischen Markt und der ID.4 Crossover, der in den USA und Asien verkauft wird.
Abbildung 1: Die MEB- und MBQ-Plattformen von Volkswagen. Zum Vergrößern auf das obige Bild klicken (Quelle: System Plus Consulting)
Die MEB-Plattform ist eine skalierbare Architektur, die exklusiv für EVs entwickelt wurde und alle EV-Modelle anderer Marken des VW-Konzerns untermauern wird. Es wurde auch von Ford lizenziert. Diese kürzlich bestätigte Vereinbarung ist entscheidend, um VW dabei zu helfen, seine enormen Entwicklungskosten zu decken, und wird es ihm ermöglichen, die Preise durch Skaleneffekte niedrig zu halten.
Einer der Schlüsselfaktoren für die Einführung von Elektrofahrzeugen sind die Kosten. Verbraucher wollen keinen Preisaufschlag zahlen. Die gemeinsamen Designelemente der VW-Plattformstrategie bieten entscheidende Vorteile, darunter Kaufkraft und schnellere Entwicklung, was zu niedrigeren Kosten führt und gleichzeitig eine Vielzahl technischer Lösungen bietet, die alle für die Einführung von Elektrofahrzeugen erforderlich sind.
Im Interview mit der EE Times erläuterte Romain Fraux, CEO von System Plus Consulting, die wichtigsten Hardware-Innovationen des kompakten und sparsamen ID.3 EV. Aufgrund modularer Kreationen hat der Volkswagen Konzern mehrere Modelle unterschiedlicher Marken geschaffen, die dieselbe Basis haben.
Vom Volkswagen Golf über den SEAT Leon bis hin zum Audi A3 Sportback und Škoda Octavia und anderen zeichnet sich die MBQ-Plattform aus, und diese Konstruktionsphilosophie wurde nun von der Teutonic Group mit dem neuen auf die Produktion von Elektroautos übertragen MEB-Plattform, insbesondere für die Versionen ID.3 und ID.4, sagte Fraux. Ein ehrgeiziges Ziel, es ist eine kommerzielle Herausforderung, die a ausnutzt Technologie „Entwickelt, um Kosten zu senken und Produkte zu schaffen, die immer auf dem neuesten Stand sind“, fügte er hinzu.
Der größte Vorteil einer modularen Plattform besteht darin, dass bestimmte Teile standardisiert werden können, um sie für alle möglichen Modellvarianten verwenden zu können, so Fraux. „Die Rede ist von Strukturteilen, Trägerelementen, aber auch den Modulen, die den eigentlichen Boden bilden und vor allem Mechanik, Motoren, Getriebe, Getriebe und Ausrüstung.“
Die MEB-Plattform bietet Flexibilität bei Karosserie- und Innenraumdesigns, die für den stilistischen Charakter des Fahrzeugs entscheidend sind, beispielsweise beim Radstand. Es liefert außerdem ein skalierbares Batteriesystem mit verschiedenen Möglichkeiten für das Batterielayout. Der Akku kann entweder eine 5 × 2-Zellen- oder eine 6 × 2-Zellen-Struktur haben; Nicht jede Zelle muss unbedingt eine Batterie enthalten Modulen.
Fraux hat im ID.3, dem ersten Modell auf der MEB-Plattform, zwei Schlüsselsysteme untersucht: die Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und die Elektrifizierung, wie in Figure 2.
„Für ADAS haben wir den Frontassistenten mit der letzten Kamerageneration von Valeo und dem Mittel- und Nahbereichsradar von Continental analysiert“, sagte er. „Das Frontkollisionswarnsystem [im Front Assist enthalten] kann helfen, den Verkehr zu überwachen und Sie akustisch und optisch auf einen möglichen Auffahrunfall mit dem vorausfahrenden Fahrzeug aufmerksam zu machen. Für ADAS gibt es den Hella RS4 für Toter-Winkel-Überwachung, Spurwechselassistent und Querverkehrswarnung hinten.“
„Für die Elektrifizierung haben wir den Wechselrichter, das On-Board-Ladegerät und das Batteriemanagementsystem [BMS] analysiert“, fügte er hinzu.
Abbildung 2: Analyse der wichtigsten ADAS- und Elektrifizierungssysteme. Zum Vergrößern auf das obige Bild klicken (Quelle: System Plus Consulting)
ADAS-Lösungen
Der ID.3 ist mit einer Vielzahl von Fahrerassistenzsystemen ausgestattet. Der ID.2 gilt als Level-3-ADAS und nutzt die gleichen Lieferanten und in den meisten Fällen die gleichen Komponenten wie der Golf 8, der zuvor von System Plus Consulting bewertet wurde und auf der MBQ-Plattform basiert.
Bei den Kamerasystemen habe es keine Überraschungen gegeben, sagte Fraux. „Wir sehen, dass das Design der Karten etwas anders ist, aber die Auswahl der Komponenten ist ähnlich.“
Die Frontkollisionswarnung (im Front Assist enthalten) kann helfen, den Verkehr zu überwachen und den Fahrer akustisch und optisch auf einen möglichen Auffahrunfall mit dem vorausfahrenden Fahrzeug aufmerksam zu machen. Bei drohender Kollision kann eine autonome Notbremsung (inklusive Front Assist) den Fahrer mit erhöhtem Bremsdruck unterstützen oder, falls der Fahrer gar nicht reagiert, automatisch bremsen.
Die Fußgängerüberwachung (im Front Assist enthalten) kann vor querenden Fußgängern warnen und unter Umständen automatisch bremsen, um eine Kollision mit einem Fußgänger zu mildern, wenn der Fahrer nicht auf die Warnungen reagiert
Mit der gleichen Kamera wie beim Golf 8 besteht der Frontkamera-Assistent aus Valeo's Frontkamera-Board der neuesten Generation mit Intel/Mobileye EyeQ4M, OmniVisions OV10642 CIS 1.3 Megapixel (MP) Sensor, und der 850-Bit-Mikrocontroller (MCU) der RH1/P32H-C-Serie von Renesas.
Der 1.3-MP-Sensor unterstützt ein aktives Array von 1280 × 1080 Pixeln und eine RAW-Bildausgabe von bis zu 60 Bildern pro Sekunde. Die RH850/P1H-C-Serie bietet 32-Bit mit Dual-Core-CPUs, Sicherheitstechnologie, Code-Flash, Daten-Flash, RAM-Module, DMA-Controller, viele Kommunikationsschnittstellen, die in Automobilanwendungen verwendet werden, A/D-Wandler, Timer-Einheiten, usw.
Abbildung 3: Die Frontkameraplatine von Valeo. Zum Vergrößern auf das obige Bild klicken (Quelle: System Plus Consulting)
Das Frontradar verfügt über die 77-GHz-Technologie der fünften Generation von Continental mit einem Zwei-Board-Design. Es besteht aus dem Single-Chip-MMIC 3Tx4Rx von NXP in einem WLCSP und einer 32-Bit-MCU. Eine Platine wird für die Rechensteuerung und die andere für die Erfassung verwendet.
Abbildung 4: Das Front-Assist-Radarsystem von Continental. Zum Vergrößern auf das obige Bild klicken (Quelle: System Plus Consulting)
Ähnlich wie der Golf 8 verfügt der Hella RS4 über Toter-Winkel-Überwachung, Spurwechselassistent und Querverkehrswarnung hinten. Das Board besteht aus der TC26x TriCore MCU von Infineon und dem STRADA431 MMIC von STMicroelectronics. Der STRADA431 ist ein Single-Chip-Transceiver für Automotive-Radar, der das Frequenzband von 24 bis 24.25 GHz abdeckt, um mit ISM-Bandanwendungen kompatibel zu sein.
Elektrifizierungssysteme
Das Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs umfasst mehrere Lösungen, vom On-Board-Ladegerät bis zur Batterie und ihrem Managementsystem. Die heutige Batterie treibt die Gesamtkosten an, die hauptsächlich von den Kosten pro Zelle und ihrem mechanischen Schutzgehäuse bestimmt werden.
Die vier Hauptteile des Bordnetzes des ID.3 sind der DC/DC-Wandler von Bosch, das Batteriemanagementsystem (BMS) von Huber Automotive, der Wechselrichter von Valeo-Siemens und das Bordladegerät von Kostal (Figure 5). Der ID.3 ist mit einem direkt vor der Hinterachse montierten Motor und einem Single-Speed-Getriebe ausgestattet und verwendet einen bürstenlosen Permanentmagnet-Elektromotor APP 310. Die Abkürzung „APP“ bedeutet, dass Motor und Getriebe parallel zu den Achsen angeordnet sind, während die Zahl das maximale Drehmoment von 310 Nm darstellt. Diese Zahl gibt eine Vorstellung von der Beschleunigung.
Abbildung 5: Wichtigste Elektrifizierungssysteme. Zum Vergrößern auf das obige Bild klicken (Quelle: System Plus Consulting)
Das Herzstück des ID.3 ist der Akku. Drei Batteriegrößen stehen zur Verfügung: 45 kWh (mit einer Reichweite von bis zu 330 km), 58 kWh (mit einer Reichweite von bis zu 420 km) und die größte, 77 kWh mit einer Reichweite von 550 km. Letztere verfügt über 12 Module, die jeweils aus 24 Lithium-Ionen-Zellen bestehen. Er arbeitet mit 408 V und kann auch mit Gleichstrom bis 125 kW aufgeladen werden.
Der Akku verfügt über ein spezielles Flüssigkeitskühlsystem für ein optimales Temperaturmanagement und ist in einem Aluminiumgehäuse untergebracht, das auch über einen integrierten stoßdämpfenden Rahmen verfügt, um die Integrität der Komponenten im Inneren zu erhalten.
Der Wechselrichter, wie in gezeigt Figure 6, wurde von Valeo Siemens entwickelt und nutzt Infineons IGBT und MCU-Technologien mit Intels CPLD. Der IGBT von Infineon ist FS820R08A6P2B (820 A/750 V): ein Sixpack-Modul, das für 150-kW-Wechselrichter optimiert ist. Das Leistungsmodul implementiert die EDT2-IGBT-Chipgeneration, bei der es sich um ein Mikromuster-Trench-Field-Stop-Zellendesign für die Automobilindustrie handelt. Der Chipsatz verfügt über eine Benchmark-Stromdichte in Kombination mit Kurzschluss-Schaltung Robustheit und erhöhte Blockierung Spannung für zuverlässigen Wechselrichterbetrieb unter rauen Umgebungsbedingungen.
Abbildung 6: Demontage des Wechselrichters. Zum Vergrößern auf das obige Bild klicken (Quelle: System Plus Consulting)
Der Wechselrichter besteht aus drei Stufen. Die erste ist die Eingangsstufe, die eine Gleichspannung vom Akku ausgibt und aus mehreren Kondensatoren und EMI-Filtern besteht. Die zweite Stufe ist die DC/DC-Wandlung mittels Zwischenkreis Kondensator, der die Gleichspannung in den DC-Busschienen filtert und glättet. Die letzte Stufe leitet die Umwandlung durch Hochfrequenzschaltung ein und liefert die umgekehrte Leistung an die Last (Elektromotor).
Der Zwischenkreis muss die schwankende Momentanleistung ausgleichen, die als „Welligkeit“ von den IGBT-Stufen erzeugt wird. Eine Lösung kann verschiedene Kondensatortechnologien wie Aluminiumelektrolyt, Film und Keramik verwenden. Die Welligkeit an den DC-Link-Knoten beeinflusst die Leistung, da jeder Kondensator eine bestimmte Impedanz (und Selbstinduktivität) hat. Die Kosten für diesen Wechselrichter betragen, wie Fraux betonte, etwa 335 US-Dollar, hauptsächlich aufgrund der elektronischen Komponenten. Die IGBTs und MCUs von Infineon machen fast 30 % der gesamten Wechselrichterkosten aus. (Figure 7).
Abbildung 7: Blockschaltbild des Wechselrichters. Zum Vergrößern auf das obige Bild klicken (Quelle: System Plus Consulting)
Das On-Board-Ladegerät wird von Kostal in China hergestellt, mit Abmessungen von 480 × 313 × 102 mm und einem Gewicht von 10.48 kg (Figure 8). Die Hardware-Auswahl wurde auf Renesas MCU und Infineons IGBT/MOSFET, wie im Blockschaltbild in Figure 9.
Abbildung 8: Demontage des On-Board-Ladegeräts. Zum Vergrößern auf das obige Bild klicken (Quelle: System Plus Consulting)
Abbildung 9: Blockschaltbild des On-Board-Ladegeräts. Zum Vergrößern auf das obige Bild klicken (Quelle: System Plus Consulting)
Auf Elektrofahrzeugen montierte Batteriepacks bestehen aus mehreren Zellmodulen, die sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet sind. Die zum Management der Zellmodule benötigte elektronische Schaltung wird als Batteriemanagementsystem bezeichnet. Ein BMS umfasst eine oder mehrere Leistungsumwandlungsstufen und ein MCU-basiertes eingebettetes System zur Handhabung aller Aspekte in Bezug auf das Leistungsteilsystem. Während eines Lade- oder Entladevorgangs von EV-Batterien ist es zwingend erforderlich, den Status jeder Zelle des Batteriepacks zu überwachen. Das BMS von ID.3 besteht aus vier Slaves und einem Master mit Lösungen von STMicroelectronics und NXP, wie in . gezeigt Figure 10.
Abbildung 10: NXP ist der Hauptanbieter für das BMS. Zum Vergrößern auf das obige Bild klicken (Quelle: System Plus Consulting)
Das BMS verwaltet das gesamte Array von Lithiumzellen (Einzelzellen oder ganze Batteriepacks) und bestimmt einen sicheren Betriebsbereich, dh in dem der Batteriepack die beste technische und energetische Leistung garantiert. Das BMS ist in der Praxis ein elektronisches System zur vollständigen Steuerung aller Diagnose- und Sicherheitsfunktionen für das Hochspannungsmanagement an Bord des Fahrzeugs und den Ausgleich der elektrischen Ladung.
Mit der zunehmenden Einführung von Elektrofahrzeugen werden die Auswirkungen auf den BMS-Sektor beträchtlich sein, da Elektrofahrzeuge mit Dutzenden oder Hunderten von Zellen betrieben werden. Jedes Missmanagement könnte große elektrische Probleme auslösen. Ein BMS optimiert die Leistung des Elektroautos und sorgt für die Sicherheit des Akkupacks.
Der Originalartikel wurde in der Schwesterpublikation EE Times veröffentlicht.
Es gibt viele, viele Vorschläge für eine alternative Terminologie zu „Master/Slave“, aber keiner wurde allgemein anerkannt. Bei der Festlegung der Branchenterminologie wird häufig auf das IEEE zurückgegriffen; die Organisation ist dabei. Bis auf einen neuen Standard oder einen sich abzeichnenden Konsens verwendet die EE Times vorerst weiterhin Standardterminologie. Lesen: Es ist an der Zeit, dass IEEE 'Master / Slave' in den Ruhestand versetzt