מתחת למכסה המנוע: רכב חשמלי ID.3 של פולקסווגן

פולקסווגן (VW) ID.3 האצ'בק, שהוצגה בשנת 2019, נחשבת לאחד הרכבים החשמליים (EVs) הנמכרים ביותר באירופה, ופתחה פרק מעניין בשוק ה- EV שיראה עוד דגמים עד שנת 2030. ה- ID.3 הוא הרכב החשמלי הראשון של VW שהושק ב"זהות ". המשפחה ומייצג "עידן חדש של ניידות חשמלית לכולם".

ה- ID.3 מדגיש את המהפך שיזמה החברה הגרמנית למעבר ממנועי בעירה למכשירי חשמל סוללתיים בכל המותגים שלה, תוך חיזוק אסטרטגיית פלטפורמת הייצור שלה. תעודת הזהות. סוג הרכבים נקרא הפרק המרכזי השלישי של פולקסווגן, בעקבות החיפושית והגולף המוצלחת והאייקונית ביותר. בבסיס הפיתוח עומד כמובן הצורך לעמוד בתקנות הפליטה העולמיות.

קבוצת פולקסווגן עברה לאסטרטגיית פלטפורמה מודולרית לפני מספר שנים המאפשרת לחברה לשתף מודולים ומערכות על פני מותגים ודגמים. אחד האחרונים היא הפלטפורמה המודולרית הגמישה MBQ, שהוצגה בשנת 2012, אשר נועדה לחלוק כמה שיותר מרכיבים בין המותגים השונים ועדיין להשאיר הרבה מקום להתאמה אישית ותאימות עם מגוון רחב של סוגי מנועים. הוא גם יכול להתאים את עצמו למידות של דגמים שונים, הודות לאפשרות לשנות את בסיס הגלגלים (המרחק בין הגלגלים הקדמיים והאחוריים) ורוחב הרציף. מערכת הפלטפורמה מכוונת לרכבים רוחביים, מנועים קדמיים והנעה קדמית.

פילוסופיית ייצור זו הועברה לייצור רכבים חשמליים במלואם עם פלטפורמת MEB החדשה (מטריצת הנעה חשמלית מודולרית), התואמת את דרישות העיצוב לניידות אלקטרונית. חלק מהרכבים החשמליים הראשונים שנבנו על פלטפורמת MEB כוללים את ID.3 לשוק האירופי וקרוסאובר ID.4, שיימכר בארה"ב ובאסיה.

איור 1: פלטפורמות MEB ו- MBQ של פולקסווגן. לחץ על התמונה למעלה להגדלה (מקור: System Plus Consulting)

פלטפורמת MEB היא ארכיטקטורה ניתנת להרחבה שנוצרה אך ורק עבור רכבי EV ותתבסס על כל דגמי ה- EV של מותגים אחרים של קבוצת VW. הוא קיבל גם רישיון לשימוש על ידי פורד. הסכם זה שאושר לאחרונה הוא חיוני בכדי לסייע ל- VW להשיב את עלויות הפיתוח העצומות שלה ויאפשר לה לשמור על מחירים נמוכים באמצעות כלכלות גודל.

אחד הגורמים המרכזיים המשפיעים על אימוץ רכבי EV הוא העלות. הצרכנים לא רוצים לשלם פרמיה במחיר. מרכיבי העיצוב המשותפים באסטרטגיית הפלטפורמה של פולקסווגן מציעים יתרונות מרכזיים, לרבות כוח קנייה ופיתוח מהיר יותר, וכתוצאה מכך עלויות נמוכות יותר תוך מתן מערך עשיר של פתרונות טכניים, כל הדרוש בכדי להניע אימוץ רכבים.

בראיון ל- EE Times, רומיין פראוקס, מנכ"ל System Plus Consulting, דן בחידושים המרכזיים בחומרה המיושמים על ה- ID.3 EV הקומפקטי והחסכוני. מכוח היצירות המודולריות יצרה קבוצת פולקסווגן מספר דגמים של מותגים שונים החולקים את אותו בסיס.

מפולקסווגן גולף לסיאט לאון ועד לאודי A3 ספורטבק וסקודה אוקטביה ואחרות, פלטפורמת ה-MBQ היא המייחדת אותה, וכעת, פילוסופיית הבנייה הזו הועברה לייצור מכוניות חשמליות על ידי קבוצת Teutonic עם החדשות פלטפורמת MEB, במיוחד עבור גרסאות ID.3 ו-ID.4, אמר Fraux. מטרה שאפתנית, היא אתגר מסחרי המנצל את א טֶכנוֹלוֹגִיָה נועד לקצץ בעלויות וליצור מוצרים שתמיד מעודכנים, הוסיף.

היתרון הגדול ביותר של פלטפורמה מודולרית הוא בכך שהיא מאפשרת לתקנן חלקים מסוימים כך שניתן יהיה להשתמש בהם בכל גרסאות הדגמים האפשריים, אמר Fraux. "אנחנו מדברים על חלקים מבניים, אלמנטים תומכים וגם על המודולים המרכיבים את משטח הרצפה בפועל ובעיקר את המכניקה, המנועים, תיבות ההילוכים, ההילוכים והציוד."

פלטפורמת ה-MEB מספקת גמישות בעיצובי הגוף והפנים שמכריעים לאופי הסגנוני של הרכב, כמו בסיס הגלגלים. הוא גם מספק מערכת סוללות ניתנת להרחבה עם אפשרויות שונות לפריסת הסוללה. ערכת הסוללות יכולה להיות בעלת מבנה של 5 × 2 תאים או מבנה של 6 × 2 תאים; לא כל תא בהכרח חייב להכיל סוללה מודול.

Fraux בחנה שתי מערכות מפתח ב- ID.3, המודל הראשון שנבנה על פלטפורמת MEB: מערכות המתקדמות לסיוע לנהג (ADAS) וחשמול, כפי שמוצג איור 2.

"עבור ADAS, ניתחנו את הסיוע הקדמי עם המצלמה מהדור האחרון של וליאו ומכ"ם לטווח בינוני וקצר על ידי קונטיננטל", אמר. "מערכת האזהרה מפני התנגשות קדימה [כלולה בסיוע קדמי] יכולה לסייע בניטור התנועה ויכולה להתריע בפניך אקוסטית וויזואלית על התנגשות אפשרית של הקצה האחורי כשהרכב זז קדימה. עבור ADAS, יש את הלה RS4 לניטור כתמים עיוורים, סיוע להחלפת נתיבים והתראה חוצה תנועה חוצה. "

"לצורך חישמול ניתחנו את המהפך, המטען המשולב ומערכת ניהול הסוללות [BMS]", הוסיף.

איור 2: ניתחו מערכות ADAS וחשמול ראשיות. לחץ על התמונה למעלה להגדלה (מקור: System Plus Consulting)

פתרונות ADAS

ה- ID.3 מצויד במגוון רחב של מערכות סיוע לנהגים. ה- ID.2 נחשב ADAS ברמה 3, וממנף את אותם ספקים וברוב המקרים את אותם רכיבים כמו הגולף 8, שהוערך בעבר על ידי System Plus Consulting, שנבנה על פלטפורמת MBQ.

לא היו הפתעות במערכות המצלמות, אמר Fraux. "אנו יכולים לראות כי עיצוב הכרטיסים מעט שונה אך מבחר הרכיבים דומה".

מערכת האזהרה מפני התנגשות קדימה (כלולה בסיוע קדמי) יכולה לסייע בניטור התנועה ולהתריע לנהג באופן אקוסטי וויזואלי מפני התנגשות אפשרית של החלק האחורי כשהרכב זז קדימה. אם הוא מרגיש שהתנגשות קרובה, בלימת חירום אוטונומית (כלולה בסיוע קדמי) יכולה לתמוך בנהג בלחץ בלמים מוגבר או אם הנהג אינו מגיב כלל, הוא יכול להפעיל את הבלמים באופן אוטומטי.

תכונת הניטור להולכי רגל (כלולה בסיוע קדמי) יכולה להזהיר מפני הולכי רגל שחוצים מול הרכב ובנסיבות מסוימות היא יכולה לבלום באופן אוטומטי כדי לסייע בהפחתת התוצאה של התנגשות עם הולך רגל אם הנהג אינו מגיב לאזהרות

בעזרת אותה מצלמה כמו הגולף 8, עזר המצלמה הקדמית מורכב מלוח המצלמות הקדמיות מהדור האחרון של Valeo עם Intel/Mobileye EyeQ4M, OV10642 CIS 1.3 מגה פיקסל (MP) של OmniVision. חיישן, ו- 850H-bit מיקרו-בקר (MCU) מסדרת RH1/P32H-C של Renesas.

חיישן 1.3 מגה פיקסל תומך במערך פעיל של 1280 × 1080 פיקסלים ופלט תמונות RAW עד 60 פריימים לשנייה. סדרת RH850/P1H-C כוללת 32 סיביות עם מעבדי ליבה כפולה, טכנולוגיית אבטחה, פלאש קוד, פלאש נתונים, מודולי זיכרון RAM, בקרי DMA, ממשקי תקשורת רבים המשמשים ביישומי רכב, ממירים A/D, יחידות טיימר, וכו '

איור 3: לוח המצלמות הקדמי של וליאו. לחץ על התמונה למעלה להגדלה (מקור: System Plus Consulting)

המכ"ם הקדמי כולל את הדור החמישי של קונטיננטל 77 ג'יגה הרץ עם עיצוב דו לוחות. הוא מורכב מה- NICP של שבב יחיד MMIC 3Tx4Rx ב- WLCSP ו- 32-bit MCU. לוח אחד משמש לבקרת מחשוב והשני לחישה.

איור 4: מערכת המכ"מים הקדמיים של קונטיננטל. לחץ על התמונה למעלה להגדלה (מקור: System Plus Consulting)

בדומה לגולף 8, ה- Hella RS4 כולל ניטור נקודה עיוורת, עוזר להחלפת נתיבים והתראה חוצה תנועה אחורית. הלוח מורכב מ- TC26x TriCore MCU של Infineon ו- STRADA431 MMIC מ- STMicroelectronics. STRADA431 הוא משדר חד שבב לרדאר לרכב המכסה את פס התדרים מ 24 עד 24.25 GHz כדי להיות תואם ליישומי פס ISM.

מערכות חשמול

מערכת ההנעה של EV כוללת מספר פתרונות, החל מהמטען המשולב ועד הסוללה ומערכת הניהול שלה. הסוללה של היום מניעה את העלות הכוללת, והדבר נקבע בעיקר מהעלות לכל תא ומעטפת ההגנה המכאנית שלו.

ארבעת החלקים העיקריים במערכות החשמל של ID.3 הם ממיר DC/DC של בוש, מערכת ניהול הסוללות (BMS) מבית הובר רכב, המהפך מוואליאו סימנס והמטען המשולב של קוסטל (איור 5). ה- ID.3 מצויד במנוע המותקן ממש מול הציר האחורי ובתיבת הילוכים חד-פעמית ומשתמש במנוע חשמלי מגנט קבוע APP 310 ללא מברשת. פירוש הקיצור "APP" הוא שהמנוע והשידור מסודרים במקביל לצירים, בעוד שהמספר מייצג את המומנט המרבי המסוגל לייצר 310 ננומטר. מספר זה נותן מושג על האצה.

איור 5: מערכות חשמול ראשיות. לחץ על התמונה למעלה להגדלה (מקור: System Plus Consulting)

בלב ה- ID.3 נמצאת הסוללה. קיימים שלושה גדלים של סוללות: 45 קוט"ש (עם טווח של עד 330 ק"מ), 58 קוט"ש (עם טווח של עד 420 ק"מ), והגדול ביותר, 77 קוט"ש עם טווח של 550 ק"מ. האחרון כולל 12 מודולים, שכל אחד מהם מורכב מ -24 תאי ליתיום-יון. הוא פועל על 408 וולט וניתן לטעון אותו גם באמצעות זרם ישר, עד 125 קילוואט.

לסוללה מערכת קירור נוזלית ייעודית לניהול טמפרטורות אופטימלי והיא שוכנת בתוך מעטפת אלומיניום בעלת מסגרת משולבת בולמת זעזועים לשמירה על תקינות הרכיבים בפנים.

המהפך, כפי שמוצג ב איור 6, עוצב על ידי Valeo Siemens ומשתמש ב-Infineon's IGBT וטכנולוגיות MCU עם CPLD של אינטל. ה-IGBT של Infineon הוא FS820R08A6P2B (820 A/750 V): מודול שישה חבילות מותאם לממירי 150 קילוואט. מודול הכוח מיישם את ייצור השבבים EDT2 IGBT, שהוא עיצוב תא עצירת תעלה-שדה-תעלה במיקרו-דפוס רכב. לערכת השבבים יש צפיפות זרם בנצ'מרק בשילוב עם קצר-מעגל עמידות וחסימה מוגברת מתח לפעולת מהפך אמין בתנאים סביבתיים קשים.

איור 6: פירוק מהפך. לחץ על התמונה למעלה להגדלה (מקור: System Plus Consulting)

המהפך מורכב משלושה שלבים. הראשון הוא שלב הקלט שמוציא מתח DC מאריזת הסוללות ומורכב ממספר קבלים ומסנני EMI. השלב השני הוא המרת DC/DC באמצעות קישור DC קבל, המסנן ומחליק את מתח ה-DC במסילות האוטובוס DC. השלב האחרון יוזם המרה באמצעות מיתוג בתדר גבוה ומספק את הכוח ההפוך לעומס (מנוע חשמלי).

קישור ה- DC חייב לאזן את העוצמה המיידית המשתנה הנובעת כ"אדוה "שנוצרת בשלבי ה- IGBT. פתרון יכול להשתמש בטכנולוגיות קבלים שונות כגון אלומיניום אלקטרוליטי, סרט וקרמיקה. האדוות בצמתים של קישור DC משפיעים על הביצועים מכיוון שלכל קבל יש כמות מסוימת של עכבה (והשראה עצמית). עלות המהפך הזה, כפי שציין Fraux, היא כ -335 $, בעיקר בשל הרכיבים האלקטרוניים. IGBTs ו- MCU של Infineon מהווים כמעט 30% מסך עלות המהפך. (איור 7).

איור 7: תרשים בלוק של מהפך. לחץ על התמונה למעלה להגדלה (מקור: System Plus Consulting)

המטען המשולב מיוצר על ידי קוסטל בסין, במידותיו 480 × 313 × 102 מ"מ ומשקלו של 10.48 ק"ג (איור 8). בחירת החומרה הופנתה כלפי MCU של Renesas ו- IGBT/ של InfineonMOSFET, כפי שמוצג בתרשים הבלוקים ב- איור 9.

איור 8: פירוק מטען משולב. לחץ על התמונה למעלה להגדלה (מקור: System Plus Consulting)

איור 9: תרשים בלוקים של המטען המשולב. לחץ על התמונה למעלה להגדלה (מקור: System Plus Consulting)

מארזי סוללות המותקנים על רכבי EV מורכבים מכמה מודולים של תאים המחוברים הן בסדרה והן במקביל. המעגל האלקטרוני הדרוש לניהול מודולי התא נקרא מערכת ניהול הסוללות. BMS כולל שלב אחד או יותר של המרת חשמל ומערכת משובצת מבוססת MCU לטיפול בכל ההיבטים הקשורים לתת מערכת החשמל. במהלך תהליך טעינה או פריקה של סוללת EV, חובה לעקוב אחר מצב כל תא השייך לחבילת הסוללה. ה- BMS של ID.3 מורכב מארבעה עבדים ומאסטר עם פתרונות מ- STMicroelectronics ו- NXP, כפי שמוצג ב איור 10.

איור 10: NXP הוא הספק העיקרי ל- BMS. לחץ על התמונה למעלה להגדלה (מקור: System Plus Consulting)

ה- BMS מנהל את כל מערך תאי הליתיום (תאים בודדים או סוללות שלמות), וקובע אזור הפעלה בטוח, כלומר, בו ערכת הסוללות מבטיחה את הביצועים הטכניים והאנרגטיים הטובים ביותר. ה- BMS היא, בפועל, מערכת אלקטרונית לבקרה מלאה של כל פונקציות האבחון והבטיחות לניהול מתח גבוה על הרכב ואיזון המטען החשמלי.

עם האימוץ ההולך וגדל של רכבי EV, ההשפעה על תחום ה- BMS תהיה ניכרת, מכיוון שרכבי הנע מופעלים על ידי עשרות או מאות תאים. כל ניהול לא נכון עלול לגרום לבעיות חשמל אדירות. BMS מייעל את ביצועי המכונית החשמלית ומבטיח את בטיחות מארז הסוללות.

המאמר המקורי פורסם בפרסום האחות EE Times.

יש הרבה מאוד הצעות למינוח אלטרנטיבי ל"אדון/עבד ", שאף אחד לא הסכים עליהם. לעתים קרובות מסתמכים על IEEE כדי לקבוע את המינוח בתעשייה; הארגון נמצא בתהליך זה. לעת עתה, בהמתנה לתקן חדש או לקונצנזוס המתגבש, EE Times ממשיכה להשתמש במינוח סטנדרטי. לקרוא: הגיע הזמן ש- IEEE יפרוש מ'מאסטר / עבד '