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基于整車工況的電動汽車動力總成系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計方法

2020-10-16 09:46:31·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
本文提出了一種由整車參數(shù)和工況要求的電動汽車動力總成設(shè)計方法，使電機(jī)、電控及減速器的高效區(qū)間與整車工況高度重合，有效地提升了動力總成系統(tǒng)的綜合效率。通
本文提出了一種由整車參數(shù)和工況要求的電動汽車動力總成設(shè)計方法，使電機(jī)、電控及減速器的高效區(qū)間與整車工況高度重合，有效地提升了動力總成系統(tǒng)的綜合效率。通過基于整車工況效率匹配，合理地優(yōu)化減速比和電機(jī)電磁方案，使整個動力總成在滿足整車動力性能要求和最高效率基本不變的情況下，達(dá)到基于整車NEDC 工況的動力總成效率提升和成本的最優(yōu)設(shè)計。
 
基于NEDC 工況能耗分析
 
1.整車參數(shù)要求
現(xiàn)以某一款車型為例，通過NEDC 工況來對電機(jī)進(jìn)行針對性的優(yōu)化設(shè)計，整車參數(shù)見表1。
表1 整車參數(shù)
 
2.NEDC 工 況介紹
NEDC 工況全稱為“新歐洲駕駛周期”，是中國目前現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)。NEDC 循環(huán)工況中，包含4個市區(qū)循環(huán)和1個市郊區(qū)循環(huán)（模擬），每個市區(qū)循環(huán)時長為195 s，包括怠速、起動、加速以及減速停車等幾個階段，最高車速為50 km/h，平均車速為18.35 km/h，最大加速度1.042m/s，平均加速度為0.599m/s。市郊區(qū)循環(huán)時間400 s，最高車速120 km/h,平均車速62 km/h，最大加速度0.833m/s，平均加速度0.354m/s，其中市區(qū)循環(huán)的車速較低，郊區(qū)循環(huán)的車速則較高一些。該工況下整車的時間速度如圖1 所示。
3.NEDC 能耗分析方法
如何通過NEDC 工況求得各工況點(diǎn)的電機(jī)運(yùn)動特性和能耗是該方法的核心，整車系統(tǒng)的能量傳輸模型如圖2 所示。動力總成系統(tǒng)效率η 總是電機(jī)控制器效率η 控制器總、電機(jī)效率η 電機(jī)和減速器效率η 減速器的乘積：
 
通過整車平衡方程和NEDC 工況，求得對應(yīng)的每個工況點(diǎn)所需的輪邊轉(zhuǎn)矩Tr、輪邊轉(zhuǎn)速Nr，再通過圖2的能量傳輸模型可求得對應(yīng)點(diǎn)的電機(jī)運(yùn)動特性和能耗。通過機(jī)車?yán)碚摽傻闷囆旭傊械妮嗊吰胶夥匠蹋?/div>
 
圖1 整車時間速度
 
圖2 能量傳輸模型
 
式中，F(xiàn)t 為驅(qū)動力；Ff 為滾動阻力；Fw 為空氣阻力；Fy 為坡度阻力；Fj為加速阻力；Ttq 為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；i 為整車轉(zhuǎn)速比；ηT 為減速器效率；r 為輪胎滾動半徑；G 為整車質(zhì)量；f 為滾動阻力系數(shù)；α 為整車行駛坡度；CD 為空氣阻力系數(shù)；A 為整車迎風(fēng)面積；μa 為整車行駛速度；δ 為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。
4.NEDC 能耗分布
根據(jù)能耗分析方法，結(jié)合整車參數(shù)和NEDC 工況，通過Matlab 仿真分析，得到整車能耗分布如圖3 所示，并得出結(jié)論：①有5個高能耗點(diǎn)（能耗占比＞1%），對應(yīng)的能耗之和占整個NEDC 工況的54.9%，見表2。結(jié)合圖1，可知這5個點(diǎn)為勻速點(diǎn)，所對應(yīng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩值都較小；②在全NEDC 工況轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，86% 的工況點(diǎn)落在輪邊轉(zhuǎn)矩50 ～200N·m 范圍內(nèi)。為了便于分析其他點(diǎn)的能耗詳細(xì)分布情況，剔除5個高能耗點(diǎn)，其余點(diǎn)能耗分布如圖4 所示。
結(jié)合能耗分析方法，從圖4中得出：①43%的工況點(diǎn)的輪邊轉(zhuǎn)矩落在100 ～200N·m 內(nèi)；②在車速25 ～50 km/h 內(nèi)，單個工況點(diǎn)能耗值較高；③在車速50 ～100 km/h 內(nèi)，雖然單個點(diǎn)的能耗值較25 ～50 km/h 中的區(qū)域小，但點(diǎn)分布更密，因此整個區(qū)域的能耗占比也較高。從上面的分析可以得出，要分析NEDC 工況的能耗集中區(qū)，要同時考慮能量占比和密集度?？紤]到整個NEDC 工況，勻速點(diǎn)只有6個點(diǎn)，而勻速點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值又相對較小，為進(jìn)一步精確分析能耗的分布，將區(qū)間進(jìn)一步簡化，將6個勻速點(diǎn)獨(dú)立出來，將車速平均分為10個區(qū)間，能耗占比見表3。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，僅基于NEDC 工況最佳效率匹配，對于本文給定整車參數(shù)，電機(jī)的高效區(qū)間分布有如下規(guī)律：①從輪邊轉(zhuǎn)矩來看，高效區(qū)間應(yīng)盡量靠近50 ～200N·m 區(qū) 間；②從車速來看，高效區(qū)間應(yīng)盡量落在40 ～100 km/h 區(qū)間。
表2 高能耗點(diǎn)
 
 
圖3 NEDC 全工況能耗分布
 
圖 4 剔除NEDC 高能耗工況點(diǎn)的能耗分布
基于整車NEDC工況效率最優(yōu)的電機(jī)電磁方案設(shè)計
電機(jī)高效區(qū)間分布特點(diǎn)
表3 NEDC 能耗占比分布
 
從常規(guī)電機(jī)的效率MAP 圖中可以看出，電機(jī)效率會有一個集中的高效區(qū)間，而這個高效區(qū)間的中心一般是電機(jī)的額定點(diǎn)。以該高效區(qū)間為中心向四周擴(kuò)展，效率呈現(xiàn)下降。電機(jī)損耗分布趨勢如圖5 所示：在高轉(zhuǎn)矩區(qū)銅耗占主要部分，且轉(zhuǎn)矩越大銅耗占比越大；在高速區(qū)鐵耗占主要部分，且速度越高鐵耗占比越大。
2.電機(jī)高效區(qū)間平移設(shè)計方法
在滿足整車動力性要求的基礎(chǔ)上，要使電機(jī)的高效區(qū)間平移，實際上就是通過改變電機(jī)的繞組、磁路參數(shù)來調(diào)整銅耗和鐵耗的占比。如果需要高效區(qū)間在低速高矩段，即需要將銅耗設(shè)計得較低，根據(jù)銅耗理論計算公式I2R 可知需要更低的繞組電阻值，或者提高轉(zhuǎn)子磁場來減小繞組電流，具體方法如下：
1）采用集中繞組設(shè)計，縮短電機(jī)繞組端部長度，電機(jī)繞組電阻R 更小。
2）采用扁線繞組方案，或者其他提高槽滿率的工藝，使得繞組銅截面積更大，電機(jī)繞組電阻R 更小。
3）采用更大的定子槽設(shè)計，能夠放置更多的導(dǎo)體數(shù)，電機(jī)定子繞組電阻R 更小。
4）對于永磁電機(jī)，適當(dāng)提高永磁體牌號，或者增加極弧系數(shù)，都可以使轉(zhuǎn)子磁場增加，定子繞組需要的電流I 減小。
如果需要高效區(qū)間在高速低矩段，即需要將鐵耗設(shè)計得較低，根據(jù)鐵耗理論計算公式P=KB2f2可知需要更低的損耗系數(shù)、磁通密度和頻率，具體方法如下：
1）對于永磁電機(jī)適當(dāng)降低永磁體牌號，或減小極弧系數(shù)，都可以使轉(zhuǎn)子磁場強(qiáng)度降低，轉(zhuǎn)子磁通密度B 更小。
2）采用更低極對數(shù)的極槽配合，使得頻率f 更小。
3）采用更薄的沖片或者損耗系數(shù)更小的沖片牌號，使得K更小。
3.基于整車NEDC 工況效率最優(yōu)的電機(jī)電磁方案優(yōu)化設(shè)計
根據(jù)前面的整車要求，結(jié)合電機(jī)效率高效區(qū)間的分布及平移方法，我們提出了兩種電機(jī)設(shè)計方案，電機(jī)參數(shù)要求見表4。通過仿真分析得到兩個方案的電機(jī)效率，分別如圖6、圖7 所示。
表4 電機(jī)參數(shù)
 
 
圖5 電機(jī)損耗分布趨勢
 
圖6 方案一電機(jī)效率MAP 圖分布
根據(jù)NEDC 能耗分析方法，我們計算出NEDC 工況下方案一和方案二電機(jī)的平均效率分別為0.88 和0.91，通過對比分析NEDC 工況各點(diǎn)能耗在MAP中的投影，如圖6、圖7（藍(lán)色點(diǎn)所示，點(diǎn)越大代表能耗占比越高），可知方案二的高效區(qū)間與NEDC 工況能耗分布區(qū)吻合得較好，因此在NEDC 工況下電機(jī)的效率更高，這說明了由整車參數(shù)和NEDC 工況推導(dǎo)出電機(jī)高效區(qū)間的分布的方法是準(zhǔn)確的，為后面基于整車工況效率匹配的動力總成設(shè)計提供了依據(jù)。
 
圖7 方案二電機(jī)效率MAP 圖分布
基于整車NEDC 工況效率最優(yōu)動力總成成本優(yōu)化設(shè)計
參考電機(jī)設(shè)計，在電機(jī)的主要尺寸、功率、轉(zhuǎn)速和電磁負(fù)荷之間存在著一定的關(guān)系，即滿足：
 
式中，P'為計算功率（W）；n為額定轉(zhuǎn)速（r/min)；K φ 為氣隙磁密波形系數(shù)；K dp 為繞組系數(shù)，由極槽配合和繞組形式?jīng)Q定；D a為電樞直徑（mm）；B av 為平均氣隙磁密（T）；A 為定子電負(fù)荷有效值（A/mm）；lef 為鐵心計算長度（mm）。
由于受整車廠的安裝尺寸及定轉(zhuǎn)子沖片模具的限制，一般D a 不會改變，并且在一定功率范圍內(nèi)，對于相同系列的電機(jī)，Bav、K φ、Kdp 及A 變化不大，且T ∝P'/n，所以Lef ∝ T。
對同樣輪邊轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的要求，速比越大，所需要的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T 越小，因此尺寸越小，即電機(jī)體積越小。正是就基于此，我們在減速器原中心距不變的情況下，將減速比由6.736 提高到9.28，電機(jī)鐵心長由110mm 縮短到80mm，其效率如圖8 所示，并可得出以下結(jié)論：
1）電機(jī)的最高效率略有降低，這是因為電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，目前的電機(jī)長徑比并不是最佳值。如果同時改變長徑比，電機(jī)的最高效率會跟方案二相當(dāng)，但是在實際設(shè)計中，這可能會導(dǎo)致需要重新制作定轉(zhuǎn)子沖片模具，而導(dǎo)致模具費(fèi)用增加，經(jīng)濟(jì)性不佳。
2）電機(jī)的高效區(qū)間與NEDC 工況能耗分布區(qū)吻合度進(jìn)一步提升，通過計算可得方案三電機(jī)的平均效率為0.91，因此NEDC 工況的平均效率基本與方案二一致。在基于NEDC 工況平均效率基本不變的情況下，電機(jī)成本下降約20%左右，為以后實際工作中的動力總成成本的優(yōu)化設(shè)計提供了設(shè)計方法。
 
圖8 方案三電機(jī)效率MAP 圖分布
針對整車工況和參數(shù)要求，根據(jù)汽車?yán)碚撝R，利用MATLAB程序，編制了一個流程化的小軟件（圖9），能夠快速計算整車工況的能耗分布和平均效率，指導(dǎo)我們進(jìn)行動力總成的優(yōu)化設(shè)計。
 
圖9 軟件運(yùn)行界面
 
結(jié)論
本文基于整車參數(shù)要求和整車工況要求，結(jié)合汽車?yán)碚撝R，提出了一種電動汽車動力總成匹配整車NEDC 工況效率最優(yōu)的正向設(shè)計方法。通過匹配設(shè)計使得NEDC 工況下動力總成的平均效率提高了3%，通過對減速器速比的合理優(yōu)化增大，使得動力總成的成本下降20%，且無需提高減速器、電機(jī)及電控等零部件的最高效率。
 
最后，基于這種方法編制設(shè)計軟件，該軟件可以針對不同整車及工況，快速獲得動力系統(tǒng)效率最優(yōu)的組件參數(shù)。
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