Volkswagen (VW) ID.3 hatchback, được giới thiệu vào năm 2019, được coi là một trong những mẫu xe điện (EV) bán chạy nhất ở châu Âu, và đã mở ra một chương thú vị trên thị trường EV sẽ chứng kiến nhiều mẫu xe hơn nữa vào năm 2030. The ID.3 là chiếc xe chạy hoàn toàn bằng điện đầu tiên của VW được ra mắt trong “ID”. gia đình và đại diện cho “kỷ nguyên mới của di động điện cho tất cả mọi người.”
ID.3 nêu bật sự thay đổi do công ty Đức khởi xướng để chuyển đổi từ động cơ đốt trong sang EV chạy pin trên các thương hiệu của mình, đồng thời củng cố chiến lược nền tảng sản xuất của mình. ID. hạng xe được gọi là chương chính thứ ba của VW, sau Beetle và Golf rất thành công và mang tính biểu tượng. Tất nhiên, nền tảng của sự phát triển là sự cần thiết phải tuân thủ các quy định về khí thải toàn cầu.
Tập đoàn Volkswagen đã chuyển sang chiến lược nền tảng mô-đun cách đây vài năm cho phép công ty chia sẻ các mô-đun và hệ thống giữa các thương hiệu và mẫu xe. Một trong những nền tảng gần đây nhất là nền tảng mô-đun linh hoạt MBQ, được giới thiệu vào năm 2012, được thiết kế để chia sẻ càng nhiều thành phần càng tốt giữa các thương hiệu khác nhau trong khi vẫn để lại nhiều không gian tùy chỉnh và tương thích với nhiều loại động cơ. Nó cũng có thể thích ứng với kích thước của các mẫu xe khác nhau, nhờ khả năng thay đổi chiều dài cơ sở (khoảng cách giữa bánh trước và bánh sau) và chiều rộng của bệ. Hệ thống nền tảng nhắm mục tiêu đến các phương tiện dẫn động cầu ngang, động cơ cầu trước và dẫn động cầu trước.
Triết lý sản xuất này đã được chuyển sang sản xuất xe chạy hoàn toàn bằng điện với nền tảng MEB (ma trận truyền động điện mô-đun) mới, phù hợp với các yêu cầu thiết kế cho tính di động điện tử. Một số mẫu xe điện đầu tiên được xây dựng trên nền tảng MEB bao gồm ID.3 cho thị trường châu Âu và mẫu crossover ID.4, sẽ được bán ở Mỹ và châu Á.
Hình 1: Nền tảng MEB và MBQ của Volkswagen. Bấm vào hình trên để phóng to (Nguồn: System Plus Consulting)
Nền tảng MEB là một kiến trúc có thể mở rộng được tạo ra dành riêng cho xe điện và sẽ làm nền tảng cho tất cả các mẫu xe điện từ các thương hiệu khác của Tập đoàn VW. Nó cũng đã được cấp phép sử dụng bởi Ford. Thỏa thuận được xác nhận gần đây này rất quan trọng trong việc giúp VW thu hồi chi phí phát triển khổng lồ và sẽ cho phép VW giữ giá thấp thông qua quy mô kinh tế.
Một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến việc áp dụng xe điện là chi phí. Người tiêu dùng không muốn trả giá cao. Các yếu tố thiết kế được chia sẻ trong chiến lược nền tảng VW mang lại những lợi thế chính, bao gồm sức mua và tốc độ phát triển nhanh hơn, dẫn đến chi phí thấp hơn trong khi cung cấp một loạt các giải pháp kỹ thuật phong phú, tất cả đều cần thiết để thúc đẩy việc áp dụng xe điện.
Trong một cuộc phỏng vấn với EE Times, Romain Fraux, Giám đốc điều hành, System Plus Consulting, đã thảo luận về những cải tiến phần cứng quan trọng được triển khai trên ID.3 EV nhỏ gọn và tiết kiệm. Trên thế mạnh của các sáng tạo mô-đun, Tập đoàn Volkswagen đã tạo ra một số mẫu xe từ các thương hiệu khác nhau có chung cơ sở.
Từ Volkswagen Golf đến SEAT Leon đến Audi A3 Sportback và Škoda Octavia cùng nhiều mẫu xe khác, nền tảng MBQ là điểm tạo nên sự khác biệt của nó và giờ đây, triết lý xây dựng này đã được Tập đoàn Teutonic chuyển giao sang sản xuất ô tô điện với nền tảng mới Nền tảng MEB, đặc biệt là đối với phiên bản ID.3 và ID.4, Fraux cho biết. Một mục tiêu đầy tham vọng, đó là một thách thức thương mại khai thác một công nghệ Ông nói thêm: được thiết kế để cắt giảm chi phí và tạo ra các sản phẩm luôn cập nhật.
Lợi ích lớn nhất của nền tảng mô-đun là nó cho phép một số bộ phận được tiêu chuẩn hóa để chúng có thể được sử dụng cho tất cả các biến thể mô hình có thể có, Fraux nói. “Chúng ta đang nói về các bộ phận kết cấu, các bộ phận hỗ trợ và cả các mô-đun tạo nên khoảng sàn thực tế và trên hết là cơ khí, động cơ, hộp số, truyền động và thiết bị.”
Nền tảng MEB mang đến sự linh hoạt trong thiết kế thân xe và nội thất, những yếu tố quyết định đến đặc điểm phong cách của chiếc xe, chẳng hạn như chiều dài cơ sở. Nó cũng cung cấp một hệ thống pin có thể mở rộng với nhiều khả năng bố trí pin khác nhau. Bộ pin có thể có cấu trúc 5 × 2 cell hoặc 6 × 2 cell; không phải mọi tế bào đều nhất thiết phải chứa pin mô-đun.
Fraux đã kiểm tra hai hệ thống chính trong ID.3, mô hình đầu tiên được xây dựng trên nền tảng MEB: hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS) và điện khí hóa, như được hiển thị trong Hình 2.
“Đối với ADAS, chúng tôi đã phân tích hỗ trợ phía trước với máy ảnh thế hệ cuối cùng của Valeo và radar tầm trung & tầm ngắn của Continental,” ông nói. “Hệ thống cảnh báo va chạm phía trước [được bao gồm trong hỗ trợ phía trước] có thể giúp giám sát giao thông và có thể cảnh báo bạn bằng âm thanh và hình ảnh về một vụ va chạm từ phía sau có thể xảy ra với phương tiện đang di chuyển phía trước. Đối với ADAS, có Hella RS4 để giám sát điểm mù, hỗ trợ chuyển làn và cảnh báo phương tiện cắt ngang phía sau. "
Ông nói thêm: “Đối với điện khí hóa, chúng tôi đã phân tích biến tần, bộ sạc trên bo mạch và hệ thống quản lý pin [BMS].
Hình 2: Phân tích hệ thống ADAS & điện khí chính. Bấm vào hình trên để phóng to (Nguồn: System Plus Consulting)
Giải pháp ADAS
ID.3 được trang bị một loạt các hệ thống hỗ trợ người lái. Được coi là ADAS Cấp 2, ID.3 thúc đẩy các nhà cung cấp giống nhau và trong hầu hết các trường hợp, các thành phần tương tự như Golf 8, được System Plus Consulting đánh giá trước đây, được xây dựng trên nền tảng MBQ.
Fraux cho biết không có gì ngạc nhiên trong hệ thống camera. “Chúng ta có thể thấy rằng thiết kế của các thẻ có một chút khác biệt nhưng việc lựa chọn các thành phần thì tương tự nhau.”
Hệ thống cảnh báo va chạm phía trước (bao gồm trong hỗ trợ phía trước) có thể giúp giám sát giao thông và cảnh báo người lái bằng âm thanh và trực quan về một vụ va chạm tiềm ẩn từ phía sau với xe đang di chuyển phía trước. Nếu nhận thấy sắp xảy ra va chạm, phanh khẩn cấp tự động (có trong hệ thống hỗ trợ phía trước) có thể hỗ trợ người lái tăng áp lực phanh hoặc nếu người lái không phản ứng gì, nó có thể tự động phanh.
Tính năng giám sát người đi bộ (bao gồm trong hỗ trợ phía trước) có thể cảnh báo người đi bộ băng qua phía trước xe và trong một số trường hợp nhất định, có thể phanh tự động để giúp giảm thiểu hậu quả của va chạm với người đi bộ nếu người lái xe không phản ứng với các cảnh báo
Sử dụng camera tương tự như Golf 8, hỗ trợ camera trước bao gồm bảng camera trước thế hệ mới nhất của Valeo với Intel / Mobileye EyeQ4M, OV10642 CIS 1.3 megapixel (MP) của OmniVision cảm biếnvà bộ vi điều khiển 850 bit (MCU) RH1 / P32H-C Series của Renesas.
Cảm biến 1.3 MP hỗ trợ một mảng hoạt động 1280 × 1080 pixel và đầu ra hình ảnh RAW lên đến 60 khung hình / giây. Dòng RH850 / P1H-C có 32-bit với CPU lõi kép, công nghệ bảo mật, flash mã, flash dữ liệu, mô-đun RAM, bộ điều khiển DMA, nhiều giao diện truyền thông được sử dụng trong các ứng dụng ô tô, bộ chuyển đổi A / D, bộ hẹn giờ, Vân vân.
Hình 3: Bo mạch camera trước của Valeo. Bấm vào hình trên để phóng to (Nguồn: System Plus Consulting)
Radar phía trước trang bị công nghệ 77 GHz thế hệ thứ năm của Continental với thiết kế hai bo mạch. Nó bao gồm chip đơn MMIC 3Tx4Rx của NXP trong WLCSP và MCU 32 bit. Một bảng được sử dụng để điều khiển máy tính và bảng còn lại để cảm biến.
Hình 4: Hệ thống radar hỗ trợ phía trước của Continental. Bấm vào hình trên để phóng to (Nguồn: System Plus Consulting)
Tương tự như Golf 8, Hella RS4 có tính năng giám sát điểm mù, hỗ trợ chuyển làn và cảnh báo phương tiện cắt ngang phía sau. Bo mạch bao gồm TC26x TriCore MCU của Infineon và STRADA431 MMIC của STMicroelectronics. STRADA431 là một bộ thu phát chip đơn dành cho radar ô tô có dải tần từ 24 đến 24.25 GHz để tương thích với các ứng dụng băng tần ISM.
Hệ thống điện khí hóa
Hệ thống truyền động của EV bao gồm một số giải pháp, từ bộ sạc trên bo mạch đến pin và hệ thống quản lý của nó. Pin ngày nay làm tăng chi phí tổng thể và điều này chủ yếu được xác định bởi chi phí trên mỗi cell và vỏ bảo vệ cơ học của nó.
Bốn bộ phận chính của hệ thống điện của ID.3 là bộ chuyển đổi DC / DC của Bosch, hệ thống quản lý pin (BMS) từ Huber Automotive, bộ biến tần của Valeo-Siemens và bộ sạc trên bo mạch của Kostal (Hình 5). ID.3 được trang bị một động cơ gắn ngay phía trước trục sau và hộp số một tốc độ và sử dụng động cơ điện nam châm vĩnh cửu không chổi than APP 310. Chữ viết tắt “APP” có nghĩa là động cơ và hộp số được bố trí song song với trục xe, trong khi con số biểu thị mô-men xoắn cực đại, có khả năng tạo ra 310 Nm. Con số này cho ta một ý tưởng về khả năng tăng tốc.
Hình 5: Các hệ thống điện khí chính. Bấm vào hình trên để phóng to (Nguồn: System Plus Consulting)
Trung tâm của ID.3 là pin. Ba kích cỡ pin có sẵn: 45 kWh (với phạm vi lên đến 330 km), 58 kWh (với phạm vi lên đến 420 km) và lớn nhất, 77 kWh với phạm vi 550 km. Sau này có 12 mô-đun, mỗi mô-đun bao gồm 24 tế bào lithium-ion. Nó hoạt động ở 408 V và cũng có thể được sạc lại bằng dòng điện một chiều, lên đến 125 kW.
Pin có hệ thống làm mát bằng chất lỏng chuyên dụng để quản lý nhiệt độ tối ưu và được đặt trong một vỏ nhôm cũng có khung hấp thụ sốc tích hợp để duy trì tính toàn vẹn của các thành phần bên trong.
Biến tần, như được hiển thị trong Hình 6, được thiết kế bởi Valeo Siemens và sử dụng công nghệ của Infineon IGBT và công nghệ MCU với CPLD của Intel. IGBT của Infineon là FS820R08A6P2B (820 A/750 V): mô-đun sáu gói được tối ưu hóa cho bộ biến tần 150 kW. Mô-đun nguồn triển khai thế hệ chip EDT2 IGBT, đây là một thiết kế tế bào dừng trường rãnh-trường có mô hình vi mô dành cho ô tô. Chipset có mật độ dòng chuẩn kết hợp với thời gian ngắnmạch độ chắc chắn và tăng khả năng chặn Vôn cho khả năng hoạt động của biến tần đáng tin cậy trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Hình 6: Tháo rời biến tần. Bấm vào hình trên để phóng to (Nguồn: System Plus Consulting)
Biến tần bao gồm ba giai đoạn. Đầu tiên là giai đoạn đầu vào tạo ra điện áp DC từ bộ pin và bao gồm một số tụ điện và bộ lọc EMI. Giai đoạn thứ hai là chuyển đổi DC/DC bằng liên kết DC tụ, giúp lọc và làm mịn điện áp DC trong đường ray xe buýt DC. Giai đoạn cuối cùng bắt đầu chuyển đổi thông qua chuyển mạch tần số cao và cung cấp năng lượng ngược cho tải (động cơ điện).
Liên kết DC phải cân bằng công suất tức thời dao động dẫn đến "gợn sóng" được tạo ra bởi các giai đoạn IGBT. Một giải pháp có thể sử dụng các công nghệ tụ điện khác nhau như điện phân nhôm, phim và gốm. Các gợn sóng ở các nút liên kết DC ảnh hưởng đến hiệu suất vì mỗi tụ điện có một lượng trở kháng (và độ tự cảm) nhất định. Chi phí của biến tần này, như Fraux đã chỉ ra, vào khoảng $ 335, chủ yếu là do các thành phần điện tử. IGBT và MCU của Infineon chiếm gần 30% tổng chi phí biến tần. (Hình 7).
Hình 7: Sơ đồ khối của biến tần. Bấm vào hình trên để phóng to (Nguồn: System Plus Consulting)
Bộ sạc trên bo mạch do Kostal sản xuất tại Trung Quốc, với kích thước 480 × 313 × 102 mm và trọng lượng 10.48 kg (Hình 8). Lựa chọn phần cứng hướng đến MCU của Renesas và IGBT / của Infineon /mosfet, như được hiển thị trong sơ đồ khối trong Hình 9.
Hình 8: Tháo rời bộ sạc trên bo mạch. Bấm vào hình trên để phóng to (Nguồn: System Plus Consulting)
Hình 9: Sơ đồ khối của bộ sạc trên bo mạch. Bấm vào hình trên để phóng to (Nguồn: System Plus Consulting)
Bộ pin gắn trên xe điện được tạo thành từ một số mô-đun di động được kết nối song song và nối tiếp. Mạch điện tử cần thiết để quản lý các mô-đun tế bào được gọi là hệ thống quản lý pin. BMS bao gồm một hoặc nhiều giai đoạn chuyển đổi nguồn và hệ thống nhúng dựa trên MCU để xử lý tất cả các khía cạnh liên quan đến hệ thống phụ nguồn. Trong quá trình sạc hoặc xả pin EV, bắt buộc phải theo dõi trạng thái của từng ô trong bộ pin. BMS của ID.3 bao gồm bốn nô lệ và một tổng thể với các giải pháp từ STMicroelectronics và NXP, như được hiển thị trong Hình 10.
Hình 10: NXP là nhà cung cấp chính cho BMS. Bấm vào hình trên để phóng to (Nguồn: System Plus Consulting)
BMS quản lý toàn bộ mảng tế bào lithium (tế bào đơn lẻ hoặc toàn bộ bộ pin), xác định khu vực hoạt động an toàn, nghĩa là trong đó bộ pin đảm bảo hiệu suất kỹ thuật và năng lượng tốt nhất. Trên thực tế, BMS là một hệ thống điện tử để kiểm soát hoàn toàn tất cả các chức năng chẩn đoán và an toàn để quản lý điện áp cao trên xe và cân bằng điện tích.
Với việc ngày càng áp dụng EVs, tác động đến lĩnh vực BMS sẽ là đáng kể, vì EVs được cung cấp bởi hàng chục hoặc hàng trăm cell. Bất kỳ sự quản lý yếu kém nào cũng có thể gây ra các sự cố điện rất lớn. BMS tối ưu hóa hiệu suất của xe điện và đảm bảo an toàn cho bộ pin.
Bài báo gốc được đăng trên EE Times ấn phẩm của chị em.
Có rất nhiều đề xuất về thuật ngữ thay thế cho “chủ / nô lệ”, không được đồng ý rộng rãi. IEEE thường được dựa vào để xác định thuật ngữ ngành; tổ chức đang trong quá trình làm như vậy. Hiện tại, trong khi chờ một tiêu chuẩn mới hoặc sự đồng thuận mới nổi, EE Times tiếp tục sử dụng thuật ngữ tiêu chuẩn. Đọc: Đã đến lúc IEEE giải nghệ 'Master / Slave'