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基于NEDC循環(huán)工況的集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)匹配優(yōu)化
2020-04-03 17:41:53· 來源：EDC電驅(qū)未來 作者：李海波
1 前言本文以某款純電動(dòng)轎車的集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在歐洲循環(huán)工況（New Europe Driving Cycle,NEDC）標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下，通過對(duì)比分析集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的
1 前言
本文以某款純電動(dòng)轎車的集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在歐洲循環(huán)工況（New Europe Driving Cycle,NEDC）標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下，通過對(duì)比分析集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)械能占比與NEDC理論需求機(jī)械能占比來調(diào)整電機(jī)高效區(qū)，再結(jié)合線性插值和加權(quán)算法來優(yōu)化與電機(jī)匹配的減速器速比，從而增大了NEDC工況電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)集中區(qū)域與電機(jī)高效區(qū)的重合度，提升了集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率，有助于改善整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性。
2 集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率分析
集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由永磁電機(jī)和減速器耦合集成而成，其參數(shù)匹配方法是基于整車動(dòng)力性指標(biāo)（最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度）確定電機(jī)的峰值參數(shù)，再依據(jù)過載系數(shù)和基數(shù)比來確定電機(jī)額定參數(shù)，同時(shí)依據(jù)整車性能指標(biāo)選定減速器，并將其集成到驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端。
將該集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭載到某款電動(dòng)汽車車型上進(jìn)行NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)，并在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架上采集電機(jī)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)信息。根據(jù)優(yōu)化前電機(jī)效率圖（MAP1），將各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)繪制到效率MAP1上，如圖1所示。
由圖1可見，電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)主要集中覆蓋在電機(jī)效率較低區(qū)域，電機(jī)高效區(qū)未得到充分利用，根據(jù)實(shí)車NEDC試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算可知，集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率為78%，這使得整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都有一定下降。因此，為了提升集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，本文在已搭載集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車車型上，基于NEDC工況下試驗(yàn)實(shí)際機(jī)械能占比與NEDC理論需求機(jī)械能占比分析來優(yōu)化電機(jī)高效區(qū)，并基于優(yōu)化后的電機(jī)高效區(qū)來優(yōu)化與其匹配減速器速比。
圖1 NEDC工況電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)在效率MAP1上的點(diǎn)圖
3 電機(jī)高效區(qū)優(yōu)化及減速器速比優(yōu)化
3.1 NEDC工況需求和實(shí)際機(jī)械能占比對(duì)比分析
匹配集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 匹配集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車主要技術(shù)參數(shù)
將整車放置在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)，通過CANoe（CAN open environment,總線開發(fā)環(huán)境設(shè)備）采集試驗(yàn)過程中周期時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電池電流、電池電壓、SOC等相關(guān)信息，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，計(jì)算出試驗(yàn)過程中各轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)實(shí)際機(jī)械能占整個(gè)循環(huán)工況實(shí)際機(jī)械能的比例，得到試驗(yàn)機(jī)械能占比；同時(shí)結(jié)合表1整車參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況對(duì)應(yīng)車速計(jì)算電機(jī)需求驅(qū)動(dòng)力矩，再根據(jù)NEDC工況車速得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速信息計(jì)算電機(jī)需求機(jī)械能，從而計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況下各轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)需求機(jī)械能占整個(gè)循環(huán)工況機(jī)械能的比例，得到NEDC工況需求機(jī)械能占比，表達(dá)式如下：
式中
為NEDC工況試驗(yàn)中電機(jī)轉(zhuǎn)速間隔1 000 r/min 的機(jī)械能；Tj、Ti為j和 i點(diǎn)對(duì)應(yīng)電機(jī)扭矩；nj、ni為j和i點(diǎn)對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速；Δt為CAN網(wǎng)絡(luò)上扭矩及轉(zhuǎn)速發(fā)送周期；μe為實(shí)車循環(huán)工況試驗(yàn)中各轉(zhuǎn)速區(qū)間機(jī)械能占比；Tt為理論計(jì)算電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；nt為NEDC工況車速計(jì)算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速；ig為減速器速比；r為車輪半徑；ηt為傳動(dòng)效率；G為整車重力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為坡道角度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua為車速；VNEDC為循環(huán)工況車速；μt為NEDC循環(huán)工況需求機(jī)械能占比；x、y為電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)數(shù)。
為NEDC工況試驗(yàn)中電機(jī)轉(zhuǎn)速間隔1 000 r/min 的機(jī)械能；Tj、Ti為j和 i點(diǎn)對(duì)應(yīng)電機(jī)扭矩；nj、ni為j和i點(diǎn)對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速；Δt為CAN網(wǎng)絡(luò)上扭矩及轉(zhuǎn)速發(fā)送周期；μe為實(shí)車循環(huán)工況試驗(yàn)中各轉(zhuǎn)速區(qū)間機(jī)械能占比；Tt為理論計(jì)算電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；nt為NEDC工況車速計(jì)算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速；ig為減速器速比；r為車輪半徑；ηt為傳動(dòng)效率；G為整車重力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為坡道角度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua為車速；VNEDC為循環(huán)工況車速；μt為NEDC循環(huán)工況需求機(jī)械能占比；x、y為電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)數(shù)。通過對(duì)循環(huán)工況分析，根據(jù)上述公式可計(jì)算出實(shí)車NEDC試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況下各電機(jī)轉(zhuǎn)速間隔區(qū)間需求機(jī)械能占比，結(jié)果如表2所示。
表2 NEDC需求和實(shí)車試驗(yàn)下不同轉(zhuǎn)速區(qū)間機(jī)械能占比
表2中NEDC需求機(jī)械能占比和試驗(yàn)實(shí)際機(jī)械能占比相差在2%以內(nèi)。試驗(yàn)實(shí)際機(jī)械能占比和需求計(jì)算機(jī)械能占比數(shù)據(jù)的誤差是因?yàn)樵囼?yàn)過程中駕駛員操作油門及制動(dòng)踏板存在隨機(jī)性誤差，這種由于操作引起的2%以內(nèi)的誤差是允許的，因此可以采用NEDC需求機(jī)械能占比分布來調(diào)整電機(jī)高效區(qū)，提升集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。
3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效區(qū)優(yōu)化
根據(jù)上述機(jī)械能占比分析法，在NEDC循環(huán)工況下，依據(jù)當(dāng)前整車阻力曲線和NEDC工況對(duì)應(yīng)車速，計(jì)算輪邊驅(qū)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速，從而得到電機(jī)需求機(jī)械能，再將電機(jī)轉(zhuǎn)速間隔范圍細(xì)分至500 r/min，計(jì)算各個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間電機(jī)機(jī)械能占比，如圖2所示。
圖2 電機(jī)恒轉(zhuǎn)速間隔區(qū)間機(jī)械能占比分布
由圖2可知，在NEDC循環(huán)工況下，電機(jī)在4 500~5 000 r/min時(shí)需求機(jī)械能占比最高，即在該轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功最多，能耗最大。因此為了提升集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，將電機(jī)高效區(qū)定在4 500~5 000 r/min范圍內(nèi)，同時(shí)根據(jù)循環(huán)工況下電機(jī)需求輸出最大扭矩及電機(jī)過載系數(shù)，結(jié)合車輛行駛過程驅(qū)動(dòng)工況覆蓋率及驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能，將電機(jī)高效中心點(diǎn)設(shè)置為轉(zhuǎn)速4 750 r/min、扭矩100 N·m點(diǎn)（4 750,100）。根據(jù)上述確定的高效區(qū)中心點(diǎn)，通過二維線性平移調(diào)整電機(jī)高效區(qū)并繪制新的效率MAP，如圖3所示。
圖3 優(yōu)化電機(jī)高效區(qū)后的電機(jī)效率MAP2
從圖3可知，優(yōu)化后電機(jī)效率MAP2在低轉(zhuǎn)速和低扭矩區(qū)域內(nèi)電機(jī)效率高于優(yōu)化前的電機(jī)效率，這使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)集中區(qū)域與電機(jī)高效區(qū)的重合度大大提升[4]，從而提升了集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體效率。
3.3 基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)新MAP優(yōu)化減速器速比
本車目前匹配的減速器為單級(jí)減速器，其傳動(dòng)效率受到轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及油溫等因素的影響，但是減速器整體效率變化不大，在97%-98%之間。由于減速器和電機(jī)集成，減速器速比的大小將影響電機(jī)工作的平均效率，因此在電機(jī)效率MAP2上基于線性插值計(jì)算及加權(quán)算法來優(yōu)化減速器速比。
計(jì)算電機(jī)瞬時(shí)效率采用線性插值法，即：
通過線性插值公式（6），根據(jù)優(yōu)化后電機(jī)效率三維圖（圖4），將NEDC循環(huán)工況下不同速比對(duì)應(yīng)的各個(gè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩點(diǎn)工作效率進(jìn)行插值計(jì)算，從而輸出NEDC工況各個(gè)工作點(diǎn)電機(jī)的瞬時(shí)效率。基于各工作點(diǎn)瞬時(shí)效率，采用加權(quán)分析法來計(jì)算不同速比對(duì)應(yīng)的電機(jī)總平均效率：
式中，μm為電機(jī)總平均效率；Qoutput為電機(jī)輸出機(jī)械能；Qmotor為電機(jī)輸入機(jī)械能；Qi為各電機(jī)轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)機(jī)械能（i=1~1 180）；Qk為k（k=1~1 180）點(diǎn)對(duì)應(yīng)瞬時(shí)機(jī)械能；ηk為k點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)效率。
圖4 優(yōu)化后的電機(jī)效率三維圖
根據(jù)上述計(jì)算可得到不同速比對(duì)應(yīng)的電機(jī)平均工作效率，采用多項(xiàng)式擬合方式，找出電機(jī)平均工作效率最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)減速比，具體如圖5所示。
從圖5可知，通過對(duì)9組速比參數(shù)進(jìn)行插值加權(quán)計(jì)算，經(jīng)曲線擬合后可知速比在7.5左右電機(jī)平均效率最高，因?yàn)樵贜EDC循環(huán)工況下，優(yōu)化后的電機(jī)匹配7.5速比減速器形成新的集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種新的集成方案使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)在效率MAP2圖上高效區(qū)域包絡(luò)面積增大，從而使電機(jī)各個(gè)工作點(diǎn)瞬時(shí)工作效率提升。
4 仿真計(jì)算對(duì)比驗(yàn)證
基于上述計(jì)算分析，為了驗(yàn)證優(yōu)化后電機(jī)平均工作效率提升結(jié)果，在優(yōu)化前、后的效率MAP上進(jìn)行線性插值，并基于Simulink模型計(jì)算電機(jī)各個(gè)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)效率[5]，通過加權(quán)算法計(jì)算優(yōu)化前、后電機(jī)平均工作效率，從而驗(yàn)證集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化前、后電機(jī)平均工作效率提升結(jié)果。
圖5 電機(jī)平均效率擬合曲線
在效率MAP圖中存在低轉(zhuǎn)速及低扭矩區(qū)域不能插值計(jì)算效率的工作點(diǎn)，因此將無法插值計(jì)算的點(diǎn)取消，篩選出NEDC循環(huán)工況下驅(qū)動(dòng)部分有效工作點(diǎn)，通過Simulink模型仿真計(jì)算出集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化前、后電機(jī)瞬時(shí)效率曲線，如圖6所示。
圖6 優(yōu)化前、后電機(jī)瞬時(shí)效率
通過圖6電機(jī)瞬時(shí)效率，基于公式（7）和公式（8）加權(quán)計(jì)算有效工作點(diǎn)效率可得優(yōu)化前電機(jī)平均工作效率為85.2%；電機(jī)優(yōu)化后匹配優(yōu)化前減速器平均工作效率為90.9%；電機(jī)優(yōu)化后匹配優(yōu)化后的減速器平均工作效率再次提升0.11%，具體效率如表3所示。
表3 不同集成方案電機(jī)平均工作效率對(duì)比
由于集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率等于電機(jī)平均工作效率乘以減速器傳動(dòng)效率，而單級(jí)減速器傳動(dòng)效率都在97%以上且變化不大，因此對(duì)集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化，不但提升了電機(jī)平均工作效率，而且使集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率顯著提升，從而改善整車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性。
5 試驗(yàn)結(jié)果
仿真計(jì)算結(jié)束后，將優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配速比7.5的減速器搭載到整車上，并在轉(zhuǎn)轂臺(tái)架上進(jìn)行NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)。
NEDC工況試驗(yàn)后導(dǎo)出試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)新集成方案對(duì)應(yīng)的電機(jī)效率MAP2，將各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)繪制到效率MAP2圖上，如圖7所示。
圖7 優(yōu)化后循環(huán)工況電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)圖
由圖7可見，優(yōu)化后電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作點(diǎn)集中覆蓋在效率較高區(qū)域內(nèi)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算可知，優(yōu)化后的集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率為88.9%，而優(yōu)化前試驗(yàn)得到的集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率78%，系統(tǒng)效率提升10.9%，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性，為后續(xù)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)匹配優(yōu)化提供了有力支撐。
6 結(jié)束語(yǔ)
通過對(duì)集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NEDC循環(huán)工況試驗(yàn)和理論需求計(jì)算分析，提出了利用集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求機(jī)械能占比、線性插值及加權(quán)計(jì)算來優(yōu)化電機(jī)高效區(qū)和減速比的方法。通過模型仿真和實(shí)車試驗(yàn)表明，集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化后系統(tǒng)效率提升10.9%，對(duì)改善整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有顯著效果。
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