Part.1

基于驅(qū)動循環(huán)的電機(jī)設(shè)計和優(yōu)化  

機(jī)器的效率、功率輸出、瞬態(tài)響應(yīng)、可靠性和其他方面對車輛的性能有很大影響。這就是現(xiàn)在電機(jī)最大的困難也是下一代牽引電機(jī)面臨非常重大的設(shè)計挑戰(zhàn)：

• 效率極高 （~95%）

• 速度范圍廣（II 級車輛高達(dá) ~14，000 rpm）

• 與電流選項相比具有高功率密度

• 減少或不使用稀土永磁材料

• 堅固耐用，適用于制造工藝

•  低 NVH 特性等...

同時，根據(jù)汽車的不同使用場景，電機(jī)會根據(jù)不同的工作場景有不同的工作特征。這些工作特征是車輛特性和典型駕駛周期的函數(shù)。因此，將驅(qū)動循環(huán)的影響納入牽引電機(jī)的設(shè)計過程是一種新興趨勢。

下面介紹的設(shè)計流程非常適合應(yīng)對這些挑戰(zhàn)：

• 在第一步中，通常進(jìn)行系統(tǒng)級仿真以確定要設(shè)計的機(jī)器的所需性能要求。這些分析的結(jié)果是下一步的輸入

•  進(jìn)行設(shè)計啟動和迭代。在此階段，將考慮多種設(shè)計拓?fù)浜瓦x項，并縮小選擇范圍以進(jìn)行進(jìn)一步分析。在此階段結(jié)束時獲得的機(jī)器選項將滿足前一階段確定的性能要求。

•  接下來，執(zhí)行額外的3D分析，以進(jìn)一步驗證設(shè)計性能或進(jìn)行器件故障分析。

  
  

•  最后，對機(jī)器的驅(qū)動和冷卻系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行多物理場和其他類型的分析或仿真。

對于這些步驟中的每一個環(huán)節(jié)，都可以使用西門子 Simcenter 產(chǎn)品組合的解決方案來整合驅(qū)動循環(huán)的影響。本文中，我們將重點(diǎn)介紹電機(jī)建模和系統(tǒng)集成的系統(tǒng)級仿真。如果您對完整的 1D 到 3D 方法感興趣，請查看研討會。

Part.

2

從車輛要求到電機(jī)規(guī)格

從車輛的主要特性和車輛性能要求出發(fā)，目標(biāo)是獲得電動機(jī)的性能要求。例如，車輛信息包括其質(zhì)量、空氣動力學(xué)參數(shù)、車輪尺寸和減速比。

車輛層面的性能要求正在影響主要電機(jī)特性。例如，最高速度和傳動比決定了電機(jī)的最大速度。坡道起步標(biāo)準(zhǔn)會影響最大扭矩，平坡和坡道上的可持續(xù)速度會影響連續(xù)功率。

為了定義電機(jī)轉(zhuǎn)矩-速度要求，在 Simcenter Amesim 中開發(fā)一個整車級系統(tǒng)仿真模型。

此模型包括：

• 駕駛員，計算加速器和制動位置以跟蹤速度目標(biāo)。該目標(biāo)速度可以定義為歸一化循環(huán)（WLTC，FTP...），或者具有時間或距離函數(shù)的速度目標(biāo)的自定義驅(qū)動循環(huán)

•  縱向車輛，計算車輛加速度與牽引扭矩、制動扭矩和阻力（如滾動阻力或空氣動力阻力）的函數(shù)

•  在我們的示例中，電池簡化為恒壓源

•  一個電機(jī)

  
  

•  VCU 定義對電機(jī)的扭矩請求和與工作條件相關(guān)的制動扭矩

電機(jī)模型在此初始階段經(jīng)過簡化，并將最大扭矩、速度和功率進(jìn)行參數(shù)化。效率是固定的，因為功耗目前不是分析的目標(biāo)。

該模型首先用于各種駕駛條件，允許模擬峰值性能。例如，從 0 加速到 100 公里/小時、一定坡度路面的可持續(xù)速度、車輛滿載時的坡道起步......因此，仿真允許設(shè)置峰值和連續(xù)功率和扭矩。

然后，模擬標(biāo)準(zhǔn)化駕駛循環(huán)，例如新歐洲駕駛循環(huán)（NEDC）和全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)（WLTC）。美國 EPA NYCC 測試專為頻繁停車的低速行駛的城市道路工況而開發(fā)。此外，用戶可以實(shí)現(xiàn)任何個人駕駛循環(huán)。當(dāng)要考慮多個周期時，電動機(jī)的性能要求會按預(yù)期變化。在NYCC測試期間，電機(jī)在低速和低轉(zhuǎn)矩條件下使用，而WLTC循環(huán)涵蓋更高的速度和扭矩。為了根據(jù)驅(qū)動循環(huán)提取最終設(shè)計范圍，我們將各種循環(huán)的結(jié)果疊加在一起，用作設(shè)計過程的輸入。

Part.

3

   電機(jī)評估：設(shè)計驗證    

電機(jī)設(shè)計完成后，可以再次使用系統(tǒng)仿真從性能、能耗角度驗證電機(jī)，以及定義冷卻系統(tǒng)的要求或研究其他屬性，如駕駛性能。

假設(shè)電動機(jī)是使用Simcenter Motorsolve設(shè)計的。Simcenter Amesim可以接收Simcenter Motorsolve產(chǎn)生的磁鏈圖，電阻和鐵損。下文中介紹了這四種類型的導(dǎo)出。在我們的例子中，我們使用準(zhǔn)靜態(tài)等效電路模型。該模型考慮了電機(jī)的非線性，然后對電流需求、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生和熱量釋放更具預(yù)測性，從而可以正確估計能源效率。

電機(jī)數(shù)據(jù)是更新的電動動力總成模型中的導(dǎo)入器，包括：

• 非線性準(zhǔn)靜態(tài)電機(jī)模型

•  DC/AC 逆變器型號，根據(jù)全局效率或電力電子元件的特性進(jìn)行參數(shù)化

•  扭矩到電流控制模型，為扭矩目標(biāo)和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)集提供最佳電流設(shè)定點(diǎn)。電流設(shè)定點(diǎn)通過應(yīng)用程序自動生成，從電機(jī)和逆變器參數(shù)開始

我們在下面介紹WLTC駕駛循環(huán)的結(jié)果。電機(jī)足夠強(qiáng)大，可以跟隨循環(huán)，扭矩要求始終低于電機(jī)可以提供的最大扭矩。為了執(zhí)行循環(huán)，電機(jī)需要 3.22 kWh 的總能量。此信息可用于定義電池的大小以達(dá)到特定的范圍目標(biāo)。該模型估計電機(jī)拒絕的總熱量，從而為熱部件提供邊界條件。

如果您對冷卻系統(tǒng)設(shè)計和控制感興趣，以提高電機(jī)效率和耐用性，請查看基于節(jié)點(diǎn)、幾何形狀的電機(jī)熱模型。

Part.

4

    再生制動策略對續(xù)航里程的重要性  

定義最佳的再生制動策略與最小化電機(jī)損耗同樣重要。如下所述，存在各種簡單的控制策略：

· 系列：電機(jī)用于斷開車輛和電池連接。如果電機(jī)無法提供所需的扭矩，VCU將使用車輛制動器來完成制動

· 固定重新分區(qū)：電機(jī)和機(jī)械制動器與固定重新分區(qū)一起使用

· 全并聯(lián)：電機(jī)和車輛制動器一起使用，當(dāng)駕駛員制動扭矩最大時，電機(jī)提供最大扭矩。

顯然，串聯(lián)策略在能耗方面是最有效的，因為您可以最大限度地將動能再生為電能。特別是在NYCC測試中，包括在低速時進(jìn)行大量加速和減速，并且由于低速而限制了空氣動力阻力。

但可以想象，電動機(jī)的制動功率發(fā)生了翻天覆地的變化，當(dāng)駕駛員松開加速踏板時，會對車輛的機(jī)械舒適性產(chǎn)生影響。

Part.

5

再生制動策略對駕駛性能的影響

現(xiàn)在的目標(biāo)是準(zhǔn)確模擬駕駛員松開加速踏板時車輛的機(jī)械舒適性。我們將觀察車輛縱向、垂直和俯仰加速度等變量。

為了考慮駕駛性能方面，需要將 1D 車輛模型更改為連接到帶支架的 2D 電機(jī)塊模型的 3D 車輛模型。還需要考慮來自電動機(jī)的反作用扭矩和電機(jī)塊上的差速器。

在這里，我們模擬以下操作：完全加速（傾倒）直到車輛達(dá)到 30 公里/小時，然后松開踏板直到我們達(dá)到 20 公里/小時，然后再次翻入。在串聯(lián)策略的情況下，電磁扭矩更高，并且對駕駛員松開踏板時的最大減速有影響。

因此，在定義和校準(zhǔn)再生策略和參數(shù)時，同時捕獲燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性能非常重要，以便在這些屬性之間找到與車輛要求函數(shù)之間的最佳選擇。

由于多種動力源（內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)），對電動汽車有效的方法對于混合動力汽車更為重要。有關(guān)更多詳細(xì)信息，我們可能感興趣的兩篇文章：

· 現(xiàn)代汽車公司如何使用 pre-defines major calibration values using HiL simulation,以提高能源效率和駕駛性能，并將車輛物理測試減少 40%

· 本田研發(fā)有限公司如何使用 Simcenter 解決方案解決 solve hybrid engine restart vibrations。

總結(jié)

2023/02/16

我們在本文介紹了使用 Simcenter 工具進(jìn)行電機(jī)建模和系統(tǒng)集成的工作流程。這只是 Simcenter 產(chǎn)品組合解決的電機(jī)設(shè)計學(xué)科的一部分。事實(shí)上，我們還沒有討論NVH和機(jī)械應(yīng)力分析，這些可以在我們的產(chǎn)品組合中解決。如果您想了解有關(guān)這些的更多信息，可以查看我們的網(wǎng)絡(luò)研討會系列“Develop reliable and energy-efficient electric machines using simulation"