一、背景

近年來(lái)我國(guó)對(duì)新能源汽車補(bǔ)貼的額度在逐年降低，預(yù)計(jì)在2022年底完全退出。而動(dòng)力總成作為新能源電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源，其性能好壞直接影響整車的品質(zhì)，在設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足越來(lái)越嚴(yán)格的性能、效率等要求，同時(shí)又面臨成本壓力，因此動(dòng)力總成設(shè)計(jì)將面臨更大的挑戰(zhàn)。以往進(jìn)行動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)，通常都是減速器廠家和電機(jī)廠家在基于滿足整車動(dòng)力性能要求基礎(chǔ)上進(jìn)行匹配集成設(shè)計(jì)，并不會(huì)對(duì)具體的整車工況進(jìn)行效率匹配設(shè)計(jì)。這就導(dǎo)致了電機(jī)廠商對(duì)于電機(jī)的設(shè)計(jì)脫離了整車工況，只是一味追求單電機(jī)的最高效率，而這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的電機(jī)的高效區(qū)間并不一定適合整車工況要求，不僅會(huì)導(dǎo)致整車?yán)m(xù)航性能的損失和成本的提高，而且可能會(huì)造成動(dòng)力總成的成本上升。針對(duì)目前的這種情況，本文提出了一種由整車參數(shù)和工況要求，計(jì)算得到每個(gè)工況點(diǎn)下電機(jī)對(duì)應(yīng)的輸出特性，進(jìn)而分析出整車工況的能耗分布，根據(jù)能耗分布針對(duì)電機(jī)高效區(qū)間進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，使電機(jī)的高效區(qū)間與NEDC工況能耗集中區(qū)域高度重合。從而，使整個(gè)動(dòng)力總成在滿足整車動(dòng)力性能要求和平均效率基本不變的情況下，達(dá)到動(dòng)力總成效率的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

二、案例分析

現(xiàn)以某一款車型為例通過(guò)NEDC和CLTC工況來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，整車主要參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)表

2.1 能耗分析方法

如何通過(guò)整車工況求得各工況點(diǎn)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)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1所示：

圖1能量傳輸模型

通過(guò)整車平衡方程和整車工況，求得對(duì)應(yīng)的每個(gè)工況點(diǎn)所需的輪邊扭矩[X]、輪邊轉(zhuǎn)速[X]，再通過(guò)圖1的能量傳輸模型可求得對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)特性和能耗。

汽車的行駛過(guò)程中輪邊平衡方程通過(guò)機(jī)車?yán)碚摽芍缡剑?）（2）所示。

2.2 能耗分布

根據(jù)能耗分析方法，結(jié)合整車參數(shù)要求和設(shè)定工況，通過(guò)Matlab仿真分析，得出了整車在NEDC和CLTC工況下的做功分布如圖2、3所示。

圖2 NEDC工況做功分布

圖3 CLTC工況做功分布

根據(jù)能耗分析方法，結(jié)合整車參數(shù)要求和設(shè)定工況，通過(guò)Matlab仿真分析，得出了整車在NEDC和CLTC工況下的能耗分布如圖4、5所示。

圖4 NEDC工況能耗占比分布圖

從圖4中可以看出：

（1）有3個(gè)高能耗點(diǎn)（能耗占比>5%）對(duì)應(yīng)的能耗之和占整個(gè)NEDC工況的46.5%，如圖4所示，結(jié)合圖2，可知這3個(gè)點(diǎn)為勻速點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的扭矩值都較小。

（2）在全NEDC工況轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，工況點(diǎn)都集中在4～40Nm之間；

（3）電機(jī)的高效區(qū)間應(yīng)分布在MAP圖的中高速低扭區(qū)。

圖5 CLTC工況能耗占比分布圖

從圖5中可以看出：

（1）有1個(gè)高能耗點(diǎn)（能耗占比>5%）對(duì)應(yīng)的能耗之和占整個(gè)CLTC工況的8.8%，結(jié)合圖5，可知這個(gè)點(diǎn)為速點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的扭矩值都較小。

（2）在全CLTC工況轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，95%以上的工況點(diǎn)都集中在0～44Nm之間；

（3）電機(jī)的高效區(qū)間應(yīng)分布在MAP圖的中高速低扭區(qū)。

2.3 動(dòng)力總成高效區(qū)間匹配特點(diǎn)

根據(jù)理論要求，本文最終目的需達(dá)到如下圖6所示效果，根據(jù)整車工況需求，調(diào)整電機(jī)，電控，減速器高效區(qū)間與整車工況需求區(qū)間高度重合，但實(shí)際設(shè)計(jì)中電控和減速器的高效區(qū)間平移很困難，電機(jī)高效區(qū)間平移從設(shè)計(jì)角度是可以進(jìn)行調(diào)整，接下來(lái)我們主要討論電機(jī)高效區(qū)間的系統(tǒng)匹配。

圖6

2.4 電機(jī)高效區(qū)間分布特點(diǎn)

從常規(guī)電機(jī)的效率MAP圖中可以看出，電機(jī)效率會(huì)有一個(gè)集中的高效區(qū)間，而這個(gè)高效點(diǎn)的中心一般是電機(jī)的額定點(diǎn)。以這個(gè)高效區(qū)間為中心往四周，效率呈現(xiàn)下降。通過(guò)對(duì)銅耗、鐵耗分析，如圖7所示：在高扭矩區(qū)，銅耗占主要部分，且扭矩越大，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。

圖7 電機(jī)損耗分布趨勢(shì)圖

2.5 電機(jī)高效區(qū)間平移的設(shè)計(jì)方法

從以上的分析中可以得出，在滿足整車動(dòng)力性要求的基礎(chǔ)上，要使得電機(jī)的高效區(qū)間平移，實(shí)際上就是通過(guò)改變電機(jī)的繞組、磁路參數(shù)來(lái)調(diào)整銅耗和鐵耗的占比。

如果需要高效區(qū)間在低速高扭段，即需要將銅耗設(shè)計(jì)的較低，根據(jù)銅耗理論計(jì)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(chǎng)來(lái)減小繞組電流，具體方法如下：

（1）采用集中繞組設(shè)計(jì)，縮短電機(jī)繞組端部長(zhǎng)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(jì)，能夠放置更多的導(dǎo)體數(shù)，電機(jī)定子繞組電阻R更??；

（4）對(duì)于永磁電機(jī)適當(dāng)提高永磁體牌號(hào)，或者增加極弧系數(shù)，都可以使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)增加，定子繞組需要的電流I減小。

如果需要高效區(qū)間在高速低扭段，即需要將鐵耗設(shè)計(jì)的較低，根據(jù)鐵耗理論計(jì)算公式[X]可知需要更低的損耗系數(shù)、磁密和頻率，具體方法如下：

（1）采用扁線繞組方案，或者其他提高槽滿率的工藝，使得相同繞組銅截面積需要的定子槽更小，定子磁密B可以減??；

（2）對(duì)于永磁電機(jī)適當(dāng)降低永磁體牌號(hào)，或者減小極弧系數(shù)，都可以使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)降低，轉(zhuǎn)子磁密B更??；

（3）采用更低極對(duì)數(shù)的極槽配合，使得頻率f更小；

（4）采用更薄的沖片或者損耗系數(shù)更小的沖片牌號(hào)，使得K更小。

2.6 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(jì)

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(jì)方案，電機(jī)參數(shù)要求如表2所示：

表2 電機(jī)參數(shù)表

通過(guò)仿真分析得到兩個(gè)方案的電機(jī)效率MAP圖分別如圖8、9、10、11所示：

NEDC工況：

圖8方案一電機(jī)效率MAP圖分布圖

圖9方案二電機(jī)效率MAP圖分布

圖10方案一電機(jī)效率MAP圖分布圖（CLTC工況）            

圖11方案二電機(jī)效率MAP圖分布

根據(jù)能耗分析方法，我們計(jì)算出NEDC工況下方案一和方案二電機(jī)的平均效率分別如表3所示：

表3

通過(guò)對(duì)比分析NEDC、CLTC工況各點(diǎn)能耗在MAP中的投影，如圖8、9、10、11（藍(lán)色點(diǎn)所示，點(diǎn)越大越密代表能耗占比越高），可知方案一的高效區(qū)間與NEDC、CLTC工況能耗分部區(qū)吻合的較好，因此在NEDC、CLTC工況下電機(jī)的平均效率更高，這說(shuō)明了由整車參數(shù)和設(shè)定工況推導(dǎo)出電機(jī)高效區(qū)間的分布的方法是準(zhǔn)確的，為基于設(shè)定工況效率優(yōu)化匹配的動(dòng)力總成設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和方法。