De Volkswagen (VW) ID.3 hatchback, geïntroduceerd in 2019, wordt beschouwd als een van de best verkochte elektrische voertuigen (EV's) in Europa en heeft een interessant hoofdstuk geopend in de EV-markt, die tegen 2030 veel meer modellen zal zien. ID.3 is VW's eerste volledig elektrische voertuig gelanceerd in de "ID." familie en staat voor "een nieuw tijdperk van elektrische mobiliteit voor iedereen".
De ID.3 benadrukt de ommekeer die door het Duitse bedrijf is geïnitieerd om over te stappen van verbrandingsmotoren naar elektrische voertuigen op batterijen voor al zijn merken, terwijl het zijn productieplatformstrategie versterkt. Het ID. voertuigklasse wordt het derde grote hoofdstuk van VW genoemd, na de zeer succesvolle en iconische Kever en Golf. Aan de basis van de ontwikkeling ligt natuurlijk de noodzaak om te voldoen aan de wereldwijde emissieregelgeving.
De Volkswagen Group is enkele jaren geleden overgestapt op een modulaire platformstrategie, waardoor het bedrijf modules en systemen kan delen tussen merken en modellen. Een van de meest recente is het MBQ flexibele modulaire platform, geïntroduceerd in 2012, dat is ontworpen om zoveel mogelijk componenten tussen de verschillende merken te delen, terwijl er toch voldoende ruimte overblijft voor maatwerk en compatibiliteit met een breed scala aan motortypes. Het kan zich ook aanpassen aan de afmetingen van verschillende modellen, dankzij de mogelijkheid om de wielbasis (de afstand tussen de voor- en achterwielen) en de breedte van het platform te variëren. Het platformsysteem is gericht op voertuigen met dwarsaandrijving, motor voorin en voorwielaandrijving.
Deze productiefilosofie is overgebracht naar de productie van volledig elektrische voertuigen met het nieuwe MEB-platform (modulaire elektrische aandrijfmatrix), passend bij de ontwerpvereisten voor e-mobiliteit. Enkele van de eerste elektrische voertuigen die op het MEB-platform zijn gebouwd, zijn de ID.3 voor de Europese markt en de ID.4 crossover, die in de VS en Azië zal worden verkocht.
Figuur 1: De MEB- en MBQ-platforms van Volkswagen. Klik op de afbeelding hierboven om te vergroten (Bron: System Plus Consulting)
Het MEB-platform is een schaalbare architectuur die exclusief voor EV's is gemaakt en die alle EV-modellen van andere VW Group-merken zal ondersteunen. Het is ook goedgekeurd voor gebruik door Ford. Deze onlangs bevestigde overeenkomst is cruciaal om VW te helpen zijn enorme ontwikkelingskosten terug te verdienen en zal het bedrijf in staat stellen de prijzen laag te houden door schaalvoordelen.
Een van de belangrijkste factoren die de adoptie van EV's beïnvloeden, zijn de kosten. Consumenten willen geen prijspremie betalen. De gedeelde ontwerpelementen in de VW-platformstrategie bieden belangrijke voordelen, waaronder koopkracht en snellere ontwikkeling, wat resulteert in lagere kosten en een rijke reeks technische oplossingen die allemaal nodig zijn om de adoptie van EV's te stimuleren.
In een interview met EE Times besprak Romain Fraux, CEO van System Plus Consulting, de belangrijkste hardware-innovaties die zijn geïmplementeerd op de compacte en voordelige ID.3 EV. Op basis van modulaire creaties heeft de Volkswagen-groep verschillende modellen gemaakt van verschillende merken die dezelfde basis delen.
Van de Volkswagen Golf tot de SEAT Leon tot de Audi A3 Sportback en Škoda Octavia en anderen, het MBQ-platform is wat het onderscheidt, en nu is deze constructiefilosofie door de Duitse Groep overgebracht naar de productie van elektrische auto’s met de nieuwe CBG-platform, vooral voor de ID.3- en ID.4-versies, aldus Fraux. Een ambitieuze doelstelling, het is een commerciële uitdaging die gebruik maakt van een technologie ontworpen om kosten te besparen en producten te creëren die altijd up-to-date zijn, voegde hij eraan toe.
Het grootste voordeel van een modulair platform is dat bepaalde onderdelen kunnen worden gestandaardiseerd, zodat ze voor alle mogelijke modelvarianten kunnen worden gebruikt, aldus Fraux. "We hebben het over structurele onderdelen, ondersteunende elementen en ook de modules die de eigenlijke bodem vormen en vooral de mechanica, motoren, versnellingsbakken, transmissie en uitrusting."
Het MEB-platform biedt flexibiliteit in carrosserie- en interieurontwerpen die bepalend zijn voor het stilistische karakter van het voertuig, zoals de wielbasis. Tevens levert het een schaalbaar accusysteem met diverse mogelijkheden voor de accu-indeling. Het batterijpakket kan een structuur van 5 × 2 cellen of 6 × 2 cellen hebben; niet elke cel hoeft noodzakelijkerwijs een batterij te bevatten module.
Fraux onderzocht twee belangrijke systemen in de ID.3, het eerste model dat op het MEB-platform werd gebouwd: de geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS) en elektrificatie, zoals weergegeven in Figuur 2.
"Voor ADAS hebben we de front assist geanalyseerd met Valeo's laatste generatie camera en mid- en korteafstandsradar van Continental," zei hij. “Het waarschuwingssysteem voor aanrijdingen [inbegrepen in front assist] kan helpen om het verkeer in de gaten te houden en kan u akoestisch en visueel waarschuwen voor een mogelijke kop-staartbotsing met een voorligger. Voor ADAS is er de Hella RS4 voor dodehoekbewaking, rijstrookwisselhulp en waarschuwing voor kruisend verkeer achter.”
"Voor elektrificatie hebben we de omvormer, de ingebouwde lader en het batterijbeheersysteem [BMS] geanalyseerd", voegde hij eraan toe.
Figuur 2: Belangrijkste ADAS- en elektrificatiesystemen geanalyseerd. Klik op de afbeelding hierboven om te vergroten (Bron: System Plus Consulting)
ADAS-oplossingen
De ID.3 is uitgerust met een breed scala aan rijhulpsystemen. De ID.2 wordt beschouwd als een ADAS van niveau 3 en maakt gebruik van dezelfde leveranciers en, in de meeste gevallen, dezelfde componenten als de Golf 8, eerder geëvalueerd door System Plus Consulting, gebouwd op het MBQ-platform.
Er waren geen verrassingen in de camerasystemen, zei Fraux. "We kunnen zien dat het ontwerp van de kaarten een beetje anders is, maar de keuze van componenten is vergelijkbaar."
Het Forward Collision Warning (inbegrepen in Front Assist) systeem kan helpen om het verkeer in de gaten te houden en de bestuurder akoestisch en visueel te waarschuwen voor een mogelijke kop-staartbotsing met een voorligger. Als het merkt dat er een aanrijding dreigt, kan een autonoom noodremsysteem (inbegrepen in front assist) de bestuurder ondersteunen met verhoogde remdruk of, als de bestuurder helemaal niet reageert, kan het automatisch remmen.
De functie voetgangersbewaking (inbegrepen in front assist) kan waarschuwen voor voetgangers die voor het voertuig oversteken en kan onder bepaalde omstandigheden automatisch remmen om de gevolgen van een aanrijding met een voetganger te beperken als de bestuurder niet op de waarschuwingen reageert
Met dezelfde camera als de Golf 8, bestaat de camerahulp aan de voorkant uit Valeo's nieuwste generatie camerabord aan de voorkant met Intel/Mobileye EyeQ4M, OmniVision's OV10642 CIS 1.3 megapixel (MP) sensor, en Renesas's RH850/P1H-C Series 32-bit microcontroller (MCU).
De 1.3-MP sensor ondersteunt een actieve array van 1280 × 1080 pixels en RAW-beelduitvoer tot 60 frames per seconde. De RH850/P1H-C-serie beschikt over 32-bits met dual-core CPU's, beveiligingstechnologie, code flash, data flash, RAM-modules, DMA-controllers, veel communicatie-interfaces die worden gebruikt in automobieltoepassingen, A/D-converters, timer-units, enzovoort.
Afbeelding 3: Valeo's frontcamerabord. Klik op de afbeelding hierboven om te vergroten (Bron: System Plus Consulting)
Frontradar is voorzien van Continental's vijfde generatie 77-GHz-technologie met een ontwerp met twee kaarten. Het bestaat uit de single-chip MMIC 3Tx4Rx van de NXP in een WLCSP en 32-bits MCU. Het ene bord wordt gebruikt voor computerbesturing en het andere voor de detectie.
Afbeelding 4: Continental's front assist radarsysteem. Klik op de afbeelding hierboven om te vergroten (Bron: System Plus Consulting)
Net als de Golf 8 beschikt de Hella RS4 over dodehoekbewaking, rijstrookwisselassistent en waarschuwing voor kruisend achterverkeer. Het bord bestaat uit de TC26x TriCore MCU van Infineon en de STRADA431 MMIC van STMicroelectronics. De STRADA431 is een transceiver met één chip voor autoradar die de frequentieband van 24 tot 24.25 GHz bestrijkt om te voldoen aan ISM-bandtoepassingen.
Elektrificatiesystemen
Het aandrijflijnsysteem van een EV omvat verschillende oplossingen, van de ingebouwde lader tot de batterij en het beheersysteem. De batterij van vandaag bepaalt de totale kosten, en dit wordt voornamelijk bepaald door de kosten per cel en de mechanische beschermingsbehuizing.
De vier belangrijkste onderdelen van de elektrische systemen van de ID.3 zijn de DC/DC-converter van Bosch, het batterijbeheersysteem (BMS) van Huber Automotive, de omvormer van Valeo-Siemens en de ingebouwde lader van Kostal (Figuur 5). De ID.3 is uitgerust met een motor die net voor de achteras is gemonteerd en een transmissie met één versnelling en maakt gebruik van een APP 310 borstelloze elektromotor met permanente magneet. De afkorting "APP" betekent dat de motor en transmissie parallel aan de assen zijn opgesteld, terwijl het getal het maximale koppel vertegenwoordigt, dat 310 Nm kan genereren. Dit getal geeft een idee van versnelling.
Figuur 5: Belangrijkste elektrificatiesystemen. Klik op de afbeelding hierboven om te vergroten (Bron: System Plus Consulting)
Het hart van de ID.3 is de batterij. Er zijn drie batterijformaten beschikbaar: 45 kWh (met een bereik tot 330 km), 58 kWh (met een bereik tot 420 km), en de grootste, 77 kWh met een bereik van 550 km. Die laatste heeft 12 modules die elk uit 24 lithium-ioncellen bestaan. Hij werkt op 408 V en kan ook worden opgeladen met gelijkstroom, tot 125 kW.
De batterij heeft een speciaal vloeistofkoelsysteem voor optimaal temperatuurbeheer en is ondergebracht in een aluminium behuizing die ook een geïntegreerd schokabsorberend frame heeft om de integriteit van de componenten binnenin te behouden.
De omvormer, zoals weergegeven in Figuur 6, is ontworpen door Valeo Siemens en maakt gebruik van Infineon IGBT en MCU-technologieën met Intel's CPLD. De IGBT van Infineon is FS820R08A6P2B (820 A/750 V): een sixpack-module die is geoptimaliseerd voor 150 kW-omvormers. De voedingsmodule implementeert de EDT2 IGBT-chipgeneratie, een micropatroon-geulveld-stopcelontwerp voor auto's. De chipset heeft een benchmark-stroomdichtheid gecombineerd met korte-circuit robuustheid en verhoogde blokkering spanning voor een betrouwbare werking van de omvormer onder zware omgevingsomstandigheden.
Afbeelding 6: Demontage van de omvormer. Klik op de afbeelding hierboven om te vergroten (Bron: System Plus Consulting)
De omvormer bestaat uit drie fasen. De eerste is de ingangstrap die een gelijkspanning uit het accupakket afgeeft en bestaat uit verschillende condensatoren en EMI-filters. De tweede fase is de DC/DC-conversie met behulp van een DC-tussenkring condensator, dat de gelijkspanning in de DC-busrails filtert en afvlakt. De laatste fase initieert de conversie via hoogfrequente schakeling en levert het omgekeerde vermogen aan de belasting (elektromotor).
De DC-link moet het fluctuerende momentane vermogen in evenwicht brengen dat resulteert als een "rimpel" die wordt gegenereerd door de IGBT-trappen. Een oplossing kan verschillende condensatortechnologieën gebruiken, zoals elektrolytisch aluminium, film en keramiek. De rimpelingen op de DC-link-knooppunten beïnvloeden de prestaties omdat elke condensator een bepaalde hoeveelheid impedantie (en zelfinductie) heeft. De kosten van deze omvormer bedragen, zoals Fraux opmerkte, ongeveer $ 335, voornamelijk vanwege de elektronische componenten. De IGBT's en MCU's van Infineon zijn goed voor bijna 30% van de totale kosten van de omvormer. (Figuur 7).
Figuur 7: Blokschema omvormer. Klik op de afbeelding hierboven om te vergroten (Bron: System Plus Consulting)
De ingebouwde lader is vervaardigd door Kostal in China, met afmetingen van 480 × 313 × 102 mm en een gewicht van 10.48 kg (Figuur 8). De hardwarekeuze was gericht op Renesas' MCU en Infineon's IGBT/mosfet, zoals weergegeven in het blokschema in Figuur 9.
Afbeelding 8: Demontage van de ingebouwde lader. Klik op de afbeelding hierboven om te vergroten (Bron: System Plus Consulting)
Figuur 9: Blokschema van ingebouwde lader. Klik op de afbeelding hierboven om te vergroten (Bron: System Plus Consulting)
Batterijpakketten die op EV's zijn gemonteerd, bestaan uit verschillende celmodules die zowel in serie als parallel zijn geschakeld. Het elektronische circuit dat nodig is voor het beheer van de celmodules wordt het batterijbeheersysteem genoemd. Een GBS omvat een of meer stroomconversiefasen en een op MCU gebaseerd ingebed systeem voor het afhandelen van alle aspecten die verband houden met het stroomsubsysteem. Tijdens een laad- of ontlaadproces van een EV-batterij is het verplicht om de status van elke cel die bij het batterijpakket hoort te controleren. ID.3's BMS bestaat uit vier slaves en een master met oplossingen van STMicroelectronics en NXP, zoals weergegeven in Figuur 10.
Afbeelding 10: NXP is de belangrijkste aanbieder van het BMS. Klik op de afbeelding hierboven om te vergroten (Bron: System Plus Consulting)
Het BMS beheert het hele scala aan lithiumcellen (enkele cellen of hele batterijpakketten) en bepaalt een veilig werkgebied, dwz waarin het batterijpakket de beste technische en energieprestaties garandeert. Het GBS is in de praktijk een elektronisch systeem voor de volledige besturing van alle diagnose- en veiligheidsfuncties voor het beheer van de hoogspanning aan boord van het voertuig en het balanceren van de elektrische lading.
Met de toenemende acceptatie van EV's, zal de impact op de BMS-sector aanzienlijk zijn, aangezien EV's worden aangedreven door tientallen of honderden cellen. Elk wanbeheer kan enorme elektrische problemen veroorzaken. Een GBS optimaliseert de prestaties van de elektrische auto en zorgt voor de veiligheid van het batterijpakket.
Het originele artikel is gepost op zusterpublicatie EE Times.
Er zijn vele, vele voorstellen voor alternatieve terminologie voor 'meester/slaaf', waarover geen brede overeenstemming bestaat. De IEEE wordt vaak gebruikt om industrieterminologie te bepalen; de organisatie is hiermee bezig. Voorlopig blijft EE Times, in afwachting van een nieuwe standaard of opkomende consensus, standaardterminologie gebruiken. Lezen: Het is tijd voor IEEE om 'Master / Slave' met pensioen te gaan