Audi и напредъкът чрез техника: Premium Platform Combustion vs. Premium Platform Electric (Част II)

16 May 2025

В предишната част на това технологично сравнение разказахме за еволюцията и платформените решения на моделите на Audi през последните две десетилетия, материализирани в използваните от компанията актуални платформи MQB Evo, MEB, MLB Evo, J1, PPC и PPE. Компанията постепенно ще разширява гамата си от базирани на последните две платформи модели.

Унифицираните платформени технологии се възприемат основно като реализация на решения, касаещи каросерията на автомобила с общи модулни системи. На практика обаче платформената философия обобщава много повече технологични аспекти от това и включва компонентите на задвижването, хардуерното и софтуерното електронни управления, спирачната система, окачването и множество обвързани с тях технологии.

Въпреки стремителното навлизане на електрическата мобилност, въпросът пред конструкторите все още включва дилемата дали да създадат универсална платформа с модификации за задвижване от двигател с вътрешно горене (и хибридно задвижване) и чисто електрическо или отделни платформи за съответните нужди с добре известните вече специфики за тях.

Такъв е бил и въпросът пред конструкторите на Audi и Porsche Engineering. Като част от Volkswagen Group, Audi вече използва за по-малкия си модел Q4 e-tron платформата MЕB, решението за чието създаване бе взето още през 2015 година. Volkswagen инвестира много пари за разработката и преоборудването на завода в Цвикау, но обемите на продажбите през тези години не оправдаха необходимостта от подобни разходи.

Засега. В хода на развитието на пазарните тенденции, създадената специално за електрически автомобили MEB постепенно ще започне да амортизира въпросните разходи, а наскоро към нея се присъедини и платформата PPE, която се ползва от гамата по-големи модели на Audi и новите модели на Porsche и също е основа само на електрически автомобили. Последните така или иначе не са използвали и нямат намерения да създават модели на базата на MEB.

Audi постепенно разширява гамата от модели базирани на PPE, част от които вече описахме в първата част на тази поредица. На базата на платформата ще бъдат създавани модели от B до D сегменти, като при по-малките ще има припокриване с MEB – стандартните модели ще са базирани на MEB, а мощните на PPE. Главна роля за подобряване на ефективността на автомобилите ще са новите високоефективни електрически мотори.

Модулен подход и при електромоторите

Преди да ви разкажем за новите решения в тази област ви препоръчваме да прочетете статията ни за видовете електрически машини. Там в голяма степен са изяснени принципите на работа и технологичните решения при различните типове електрически мотори, предимствата и недостатъците им (https://dizzyriders.bg/post/14365/svetyt-na-elektricheskite-mashini).

Въпреки че електрическите мотори изначално имат висок коефициент на полезно действие, при въпросните различни видове можете за откриете съществени разлики. И това се отнася не само за максималната, но и за цялостната ефективност и динамика при различни работни режими, както и способността за запазването на тези параметри, например при продължително натоварване. Асинхронните мотори например, които Tesla използваше за задвижване на по-ранните версии на Model S (от 2019 година задният е синхронен, а за Plaid се използват дори два), и Audi за произвеждания до февруари Q8 e-tron (e-tron до 2023 година, два или три асинхронни мотора) не използват за ротора нито постоянни магнити, нито захранвани намотки. Роторът на изобретените от Никола Тесла машини се състои от ламелни метални пакети, в които се индуцира протичане на ток чрез магнитното поле на статора и създаване на резултантно магнитно поле, което си взаимодейства със създалото го статорно. Тези агрегати имат най-ниска себестойност, но по-нисък максимален и среден КПД, а заради наличието на, създадени чрез индукция, протичане на ток и магнитно поле, загуби от нагряване и необходимост от ограничаване на мощността за известен период от време при продължително натоварване.

За Герхард Фрьолих и неговият екип, отговорен за развойната работа по проектирането на новите задвижващи агрегати за моделите базирани на PPE, високата и консистентна ефективност са основни цели при създаването на един модерен електрически автомобил. Не бива да забравяме факта че германците са новаторите не само в областта на двигателите с вътрешно горене, но имат съществен принос за развитието на електрическите машини. Достатъчно е да споменем имената на Роберт Бош и Ернст Вернер фон Сименс.

В името на снижаването на себестойността на агрегатите и PPE подходът е използването на модулен принцип на конструиране. Това разбира се е компромис, но създаването на отделни мотори и задвижване със самостоятелна конструкция за всички модели би било много скъпо начинание. Ако обаче, още от ниво чертожна маса са използвани подходящият принцип на работа и интелигентна техническата реализация и компановка модулният подход може да проработи доста добре. Тъй като това звучи мъгляво, ето какво точно имаме предвид: моделите, базирани на PPE включват различни конфигурации на преден и заден електрически мотор, като тези на предния мотор са с един и същ външен корпус. В последния може да бъде интегриран както асинхронен (ASM), така и синхронен с постоянни магнити (PSM) мотор. Различните PSM мотори са с различни аксиални дължини, в зависимост от изискваните динамични качества на модела. Задният мост има две разновидности на компановката, една с разположен пред диференциала и една зад диференциала електрически мотор. Това означава че като цяло за моделите базирани на PPE се използват три базови модулни корпуса, включващи две технологични решения по отношение на вида на мотора, три варианта на аксиални дължини, освен това се предлагат две схеми на конфигуриране на намотките на статора, два типа електронно управление и два типа трансмисия. Така общи брой на възможностите теоретично е 60.

Вариантът с най-малка мощност включва преден ASM мотор с мощност от 140 кВт, а най-мощният заден задвижващ агрегат е с 280 кВт, всичките с един и същ диаметър на статора. Изборът на комбинацията на агрегати се основава на съответния приоритет и баланс по отношение динамика, ефективност и цена. Например, когато предният мост се използва само за “boost”, тоест допълнение при ускоряване, ASM агрегатът е напълно достатъчен. По-високата цялостна и средна ефективност на PSM в този случай не са нужни, а малкото съпротивление при неактивно (паразитно) въртене на двигателя, тоест когато към него не се подава ток и по-ниската му себестойност са важни предимства. За моделите, към които се предявяват по-високи изисквания за динамика за задвижването, както на предния, така и на задния мост се използват синхронни мотори с постоянни магнити PSM.

High Tech електрически машини Made in Germany

Роторът на PSM е с разположени по оста охлаждащи канали, за да се подобни в максимална степен отвеждането на топлина и използва три слоя магнити за намаляването на загубите. Силата на магнитите обаче не е равномерна по дължината на ротора. В зоните с по-високи изисквания по отношение на магнитния материал, например в местата, където се формират по-големи вихрови токове и има риск от повишаване на температурата се използват магнитни материали с по-високи магнитни качества. Така параметрите по отношение на магнитните свойства на материалите са различни в зависимост от нуждите, а с това се подобрява ефективността, намалява се количеството скъпи редкоземни материали и се редуцира себестойността. Според Фрьолих конфигурацията с трислойно магнитно разполагане позволява комбиниране на качествата по отношение на ефективност и разпределение на въртящия момент, генериран на принципа на синхронен мотор с постоянни магнити и този създаден от така наречения релуктантен ефект, при който магнитното поле от статора се стреми да завърти механично ротора, търсейки най-краткия път през материалите с по-ниско магнитно съпротивление, в случая чрез създаване на геометрия на ротора с магнитни джобове (принцип също описан в гореспоменатата статия).

Модулният принцип е следван при формирането на намотките на статора, с различен брой статорни „слотове“, две различни конфигурации, и различна дължина на статора, определяща различна мощност на двигателя. Последната определя и вида на инверторите (силовата електроника), монтирани върху всеки от електромоторите – с различни типове полупроводникови прибори (Si или SiC транзистори с изолиран гейт). Най-мощният електромотор на задния мост, например, използва шест SiC чипа за своя силов модул, който може да управлява токове с големина от до 480 ампера. Инверторът е разработен съвместно с BorgWarner, при което инженерите от Audi са създали софтуера отговорен директно за управлението на мотора, а той от своя страна кореспондира с останалото софтуерно обезпечаване, дело на инженерите от BorgWarner. Цялата конфигурация на силова електроника и електромагнитни взаимодействия използва прецизен баланс на работни честоти.

Конструкторите на компания като Audi, която има сериозен опит с топлинни машини са фокусирани върху създаване на подходящи условия за отвеждането на топлината и при електрическите машини. За целта се използва система за маслено охлаждане със сух картер и контур включващ циркулация през ротора, статора и трансмисията. Последната е с едно фиксирано предавателно число, но по подобие на решението при MEB, използва двустепенна последователна конфигурация на зъбните предавки и се определя от вида на автомобила. Маслото се впръсква върху зъбните колела, а оттам се отвежда до канали в роторните ламинати. След като премине пред контура на ротора, то се връща и се впръсква върху главите на статорните намотки. По този начин се постига изключително ефективно охлаждане на последния. Освен това паралелно на роторния контур е формиран втори, с канали за охлаждане на външната част на статора. След като премине през тях, по подобие на решението в роторния кръг маслото се връща в камера и се впръсква върху статорните глави, но този път в задната страна на статора. След това маслото се събира от маслена помпа и се връща в резервоара. Подобна сложна система за охлаждане е гарант че електрическият мотор е равномерно нагрят. Това създава условия за по-добра предвидимост на магнитните взаимодействия и намалява значително количеството на постоянните магнити. Освен това, в сравнение с традиционната система за охлаждане с водна риза, вътрешното маслено охлаждане на статора позволява увеличаване с 20 процента на големината на протичащия ток.

Акумулаторната батерия

Audi вече натрупа достатъчно опит в работата с акумулаторни пакети, още със създаването на базирания на модифицираната версия на MLB evo платформа e-tron. В момента тя е единствената част от концерна Volkswagen, която произвежда спектър от модели базирани на MEB, на създадената съвместно с Porsche за Taycan и e-tron GT платформа J1 и новата PPE. Още първоначалното задание при последната включва 800-волтова архитектура с капацитет за зареждане с мощност от до 450 кВт, но в нова по-компактна структура. Като резултат от това акумулаторната батерия с капацитет от 100 кВтч е конфигурирана по коренно различен начин от тази на големия Q8 e-tron и спортния e-tron GT. Те са с капацитет от 93 кВтч бруто, с по 36 модула с общо 432 клетки, докато батерията на моделите базирани на PPE с капацитет от 100 кВтч бруто използва 12 модула с общо 180 призматични клетки с по-голям капацитет на всяка от тях. Клетките пак са от типа NMC, но ако за e-tron GT се използват клетки тип „торбичка“ на LG Energy Solutions, големите призматични клетки за PPE се доставят от CATL. Разпределение в пропорция 8:1:1, между компонентите никел, кобалт и манган за материала означава че нивото на кобалт и сравнително ниско.

Намаляването на броя на модулите за PPE предлага редица предимства. Акумулаторната батерия може да се използва, както за SUV модели с висок под като Q6 e-tron, така и за такива с по-нисък като A6 e-tron, изисква по-малко място, по-лека е и по-добре може да бъде интегрирана в структурата за пасивна безопасност на каросерията. Както видяхме в предишната част на тази поредица, модели като e-tron и e-tron GT са базирани на модифицирани версии на съществуващи платформи за автомобили със задвижване от ДВГ (съответно MLB Evo и MSB). Новата конфигурация, изначално създадена за електрическо задвижване дава възможност и за използване на по-малко на брой и по-къси кабели. Корпусът на батерията включва интегрирана в долната част охлаждаща плоча, а интелигентната система за охлаждане, освен всичко друга взима в предвид поведението на водача и вида на маршрута – ако предстои зареждане с голяма мощност или продължително изкачване батерията предварително се охлажда. В зависимост от напрежението на зареждане – 400V или 800V два основни блока от клетки се свързват последователно или паралелно, а електрическите мотори работят на 800V с което също се намалява изискването на големината на тока и дебелината на проводниците в тях.

Изключително внимание конструкторите са обърнали на физическата защита на батерията. Страничните прагове например, изработени от горещо формована стомана, не са част от батерията, а са интегрирани в каросерията. Визуално модел като A6 e-tron се отличава от подобния като размери A5 с двигател с вътрешно горене не само по затворената решетка, но и по различната композиция на страничните контури. Повдигнатата каросерия заради интегрираната в пода батерия е „прикрита“ с по-високите прагове и врати, за да може визуално да запази компановката си на седан или комби. Това е било истинско предизвикателство за дизайнерите предвид гореспоменатите конструктивни особености. Под батерията се монтира облицовка от леки композитни материали, които освен физическа защита имат роля и за намаляване на шума и като топлинна изолация и подобряване на аеродинамиката.

PPE е изключително голям залог за Audi и Porsche, имайки предвид репутацията на компаниите като производители на качествени премиум модели и е голяма стъпка към бъдещата електрификация на марките.

Усъвършенствано поколение двигатели с вътрешно горене

PPC може би ще остане последната платформа за автомобили, задвижвани от двигатели с вътрешно горене за моделите на Audi. Може би…

Предметът на тази статия обаче не е да обсъжда въпроса с каква динамика ще се извършва преходът към електрическа мобилност, а да опише решенията, които Audi ще използва в средносрочен план за своите автомобили. Факт, е че PPC на практика е силно модифицирана MLB Evo, която вече е доказала своите качества платформа и чиито обхват включва модели от Audi A4 до Q8. За да отговаря на нуждите на времето си PPC трябва да използва двигатели с вътрешно горене, чиито нива на емисии да могат да покриват стриктните актуални емисии на газове. Бензиновата гама на моделите базирани на PPC първите от които са A5/S5 и Q5/SQ5 използва новите поколения на познатите агрегати EA 888 с четири цилиндъра и работен обем от два литра, който се появи за първи път през 2006 година и V6 мотора с кодово име EA 839 и трилитров работен обем, представен през 2015 година. В най-новия си вариант първият се нарича ЕA 888 evo5, а вторият EA 839 evo. И двата ще включват както конвенционално задвижване, така и mild и plug-in хибридни решения.

Горивният процес на четирицилиндровия агрегат е променен така че да не се налага обогатяване на сместа в нито един режим на работа (стойността на λ не превишава 1). Освен това агрегатът е адаптиран за работа с различни хибридни системи.

За да се подобрят динамичните качества и ефективността на двигателя геометричната степен на сгъстяване е увеличена от 12,2:1 на 12,5:1 за версиите с по-висока мощност, категоризирани като Performance Class 2 (PC2). Това в съчетание с принудителното пълнене с високо налягане води до изключително висока крайна ефективна степен на сгъстяване. При вариантите с по-ниска мощност, повишението е още по-драстично, от 9,5:1 до 10,5:1. За да се намалят шума и вибрациите при увеличената степен на сгъстяване, системата за промяна на фазите и хода на отваряне на клапаните, регулира последния така че при стартиране на автомобила компресията се намалява. За да се гарантира надеждността на мотора при промените диаметърът на мотовилковите шийки е увеличен, буталото е с по-голяма дебелина на челото, а мотовилката е скъсена. Турбокомпресорът е с променлива геометрия, а налягането на впръскване е от нараснало от 350 на 500 бара. За подобряване на ефективността на пълненето от турбокомпресора, се използва водно охлаждан топлообменник. Той е интегриран във всмукателния тракт, и според конструкторите на Audi, предлага изключителни качества по отношение на капацитета на охлаждане – важен фактор предвид предизвикателствата създавани при работата на двигателя по цикъла на Милър и консистентна температура дори и при високите нива на налягане на въздуха. Благодарение на електрическата система за управление на отварянето на клапаните, компановката е опростена, но въпреки това позволява по-голям ъгъл на дефазиране и по-компактни размери.

EA 888 evo5 използва още по-екстремна форма на цикъл на Милър, при това с работа λ=1, независимо от режима на натоварване. За да се постигне това е необходимо понижаване на работната температура, което в случая е постигнато с помощта на пренасяне на основната тежест на сгъстяването на въздуха в частта преди цилиндъра, където той може да се охлажда ефективно. Другояче казано, се увеличава налягането на пълнене от турбокомпресора, а при работата по цикъла на Милър всмукателните клапани се затварят по-рано (early intake valve closure) и се намалява реалната степен на сгъстяване. Въпросът е в това че сгъстеният от турбокомпресора въздух може да бъде охладен, докато веднъж навлязъл в цилиндъра това вече е невъзможно. По този начин се намаляват предпоставките за детонации, въпреки работата с високо налягане и висока ефективност. Към това се добавя нова конфигурация на формата на горивната камера с увеличено вихрово движение. Резултатът от всичко това е изключителен максимален коефициент на полезно действие от 38 процента, който с помощта на хибридните системи може да се задържа в широк диапазон от работа.

V6 агрегатът EA 839 се появи за първи път през 2015 година и замени тогавашния EA 837. Много от технологичните промени при EA 888 evo5, като работата със стоихиометрични смеси при всякакви условия са приложени и тук. Основната архитектура на алуминиевия блок е запазена, алуминиевите бутала са с нова геометрия за да осигурят увеличена от 11,2:1 до 12:1 степен на сгъстяване, а в името на намаляването на триенето буталните пръстени са с нова конструкция с намалени танценциални сили на натиск. Както при EA 888 двигателят работи по цикъл на Милър в по-широк диапазон от предшественика си, с един турбокомпресор с променлива геометрия и двойка водни междинни охладители, а налягането на впръскване е увеличено от 250 на 350 бара. Агрегатът също е адаптиран за работа с mild и plug-in хибридни системи, включително новата 48 волтова mild хибридна система с допълнителен 48-волтов електрически мотор, монтиран на изхода на седемстепенната DSG трансмисия. Мощността му от 18 кВт и позиционирането му позволяват, както по-продължително чисто електрическо задвижване, така и по-ефективна рекуперация (с мощност до 24 кВт за зареждане на LFP батерията) директно, без да се налага преминаване на механичната енергия през трансмисията. Поради големия брой интензивни разреждания и зареждания, в името на запазването на живота на LFP батерията електрониката не позволява нивото и на заряд да превиши 60 процента. Управлението на mild хибридната система е базирано на сложен алгоритъм, като в позиция D на трансмисията електрическата машина се активира само при натискане на педала за газта над ниво от 80 процента. В останалите случаи стартирането и подпомагането на двигателя се извършва от предния ремъчен стартер-генератор. При спортен режим електрическата машина зад трансмисията се активира по-рано. Освен това системата зарежда и разрежда литиево-йонната батерия на базата на данните от навигацията. При излизане от завой батерията може да бъде разредена в по-голяма степен и да осигури ускоряване, тъй като в следващия завой ще бъде заредена.

Същата система, носеща името MHEV plus използват и вариантите с дизелов двигател с работен обем от два литра от поколението EA 288 Evo (204 к.с. 400 Нм), чиято работа и емисии са подобрени с помощта на сензори измерващи налягането в цилиндрите, двукратно впръскване на системата SCR (Twin Dosing), двуконтурна система за охлаждане, намалено вътрешно триене и два балансиращи вала.

Plug-in вариантите на A5 включват електрически мотор с мощност от 105 кВт, който вече е интегриран в корпуса на седемстепенната DSG трансмисия между нея и двулитровия агрегат EA 888 evo5 и се отцепва при чисто електрическо задвижване и рекуперация от него със съединител.

Текст: Георги Колев