基于整車工況的電動汽車動力總成系統效率優化設計方法

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本文提出了一種由整車參數和工況要求的電動汽車動力總成設計方法，使電機、電控及減速器的高效區間與整車工況高度重合，有效地提升了動力總成系統的綜合效率。通過基于整車工況效率匹配，合理地優化減速比和電機電磁方案，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，達到基于整車NEDC 工況的動力總成效率提升和成本的最優設計。

基于NEDC 工況能耗分析

現以某一款車型為例，通過NEDC 工況來對電機進行針對性的優化設計，整車參數見表1。

表1 整車參數

NEDC 工況全稱為“新歐洲駕駛周期”，是中國目前現行的國家標準。NEDC 循環工況中，包含4個市區循環和1個市郊區循環（模擬），每個市區循環時長為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。市郊區循環時間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，其中市區循環的車速較低，郊區循環的車速則較高一些。該工況下整車的時間速度如圖1 所示。

如何通過NEDC 工況求得各工況點的電機運動特性和能耗是該方法的核心，整車系統的能量傳輸模型如圖2 所示。動力總成系統效率η?總是電機控制器效率η?控制器總、電機效率η?電機和減速器效率η?減速器的乘積：

通過整車平衡方程和NEDC 工況，求得對應的每個工況點所需的輪邊轉矩Tr、輪邊轉速Nr，再通過圖2的能量傳輸模型可求得對應點的電機運動特性和能耗。通過機車理論可得汽車行駛中的輪邊平衡方程：

圖1 整車時間速度

圖2 能量傳輸模型

式中，Ft?為驅動力；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?為電機輸出轉矩；i 為整車轉速比；ηT?為減速器效率；r 為輪胎滾動半徑；G 為整車質量；f 為滾動阻力系數；α 為整車行駛坡度；CD?為空氣阻力系數；A 為整車迎風面積；μa?為整車行駛速度；δ 為汽車旋轉質量系數。

根據能耗分析方法，結合整車參數和NEDC 工況，通過Matlab 仿真分析，得到整車能耗分布如圖3 所示，并得出結論：①有5個高能耗點（能耗占比＞1%），對應的能耗之和占整個NEDC 工況的54.9%，見表2。結合圖1，可知這5個點為勻速點，所對應點的轉矩值都較小；②在全NEDC 工況轉速范圍內，86% 的工況點落在輪邊轉矩50 ～200N·m 范圍內。為了便于分析其他點的能耗詳細分布情況，剔除5個高能耗點，其余點能耗分布如圖4 所示。

結合能耗分析方法，從圖4中得出：①43%的工況點的輪邊轉矩落在100 ～200N·m 內；②在車速25 ～50 km/h 內，單個工況點能耗值較高；③在車速50 ～100 km/h 內，雖然單個點的能耗值較25 ～50 km/h 中的區域小，但點分布更密，因此整個區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，要同時考慮能量占比和密集度。考慮到整個NEDC 工況，勻速點只有6個點，而勻速點對應的轉矩值又相對較小，為進一步精確分析能耗的分布，將區間進一步簡化，將6個勻速點獨立出來，將車速平均分為10個區間，能耗占比見表3。從統計數據可知，僅基于NEDC 工況最佳效率匹配，對于本文給定整車參數，電機的高效區間分布有如下規律：①從輪邊轉矩來看，高效區間應盡量靠近50 ～200N·m 區 間；②從車速來看，高效區間應盡量落在40 ～100 km/h 區間。

表2 高能耗點

圖3 NEDC 全工況能耗分布

圖 4 剔除NEDC 高能耗工況點的能耗分布

基于整車NEDC工況效率最優的電機電磁方案設計

表3 NEDC 能耗占比分布

從常規電機的效率MAP 圖中可以看出，電機效率會有一個集中的高效區間，而這個高效區間的中心一般是電機的額定點。以該高效區間為中心向四周擴展，效率呈現下降。電機損耗分布趨勢如圖5 所示：在高轉矩區銅耗占主要部分，且轉矩越大銅耗占比越大；在高速區鐵耗占主要部分，且速度越高鐵耗占比越大。

在滿足整車動力性要求的基礎上，要使電機的高效區間平移，實際上就是通過改變電機的繞組、磁路參數來調整銅耗和鐵耗的占比。如果需要高效區間在低速高矩段，即需要將銅耗設計得較低，根據銅耗理論計算公式I2R 可知需要更低的繞組電阻值，或者提高轉子磁場來減小繞組電流，具體方法如下：

1）采用集中繞組設計，縮短電機繞組端部長度，電機繞組電阻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，電機繞組電阻R 更小。

3）采用更大的定子槽設計，能夠放置更多的導體數，電機定子繞組電阻R 更小。

4）對于永磁電機，適當提高永磁體牌號，或者增加極弧系數，都可以使轉子磁場增加，定子繞組需要的電流I 減小。

如果需要高效區間在高速低矩段，即需要將鐵耗設計得較低，根據鐵耗理論計算公式P=KB2f2可知需要更低的損耗系數、磁通密度和頻率，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，定子磁通密度B 可以減小。

2）對于永磁電機適當降低永磁體牌號，或減小極弧系數，都可以使轉子磁場強度降低，轉子磁通密度B 更小。

3）采用更低極對數的極槽配合，使得頻率f 更小。

4）采用更薄的沖片或者損耗系數更小的沖片牌號，使得K更小。

根據前面的整車要求，結合電機效率高效區間的分布及平移方法，我們提出了兩種電機設計方案，電機參數要求見表4。通過仿真分析得到兩個方案的電機效率，分別如圖6、圖7 所示。

表4 電機參數

圖5 電機損耗分布趨勢

圖6 方案一電機效率MAP 圖分布

根據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的平均效率分別為0.88 和0.91，通過對比分析NEDC 工況各點能耗在MAP中的投影，如圖6、圖7（藍色點所示，點越大代表能耗占比越高），可知方案二的高效區間與NEDC 工況能耗分布區吻合得較好，因此在NEDC 工況下電機的效率更高，這說明了由整車參數和NEDC 工況推導出電機高效區間的分布的方法是準確的，為后面基于整車工況效率匹配的動力總成設計提供了依據。

圖7 方案二電機效率MAP 圖分布

基于整車NEDC 工況效率最優動力總成成本優化設計

參考電機設計，在電機的主要尺寸、功率、轉速和電磁負荷之間存在著一定的關系，即滿足：

式中，P'為計算功率（W）；n為額定轉速（r/min)；K φ?為氣隙磁密波形系數；K dp?為繞組系數，由極槽配合和繞組形式決定；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，對于相同系列的電機，Bav、K?φ、Kdp?及A 變化不大，且T ∝P'/n，所以Lef?∝ T。

對同樣輪邊轉矩和轉速的要求，速比越大，所需要的電機的轉矩T 越小，因此尺寸越小，即電機體積越小。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，電機鐵心長由110mm 縮短到80mm，其效率如圖8 所示，并可得出以下結論：

1）電機的最高效率略有降低，這是因為電機的轉速提高，目前的電機長徑比并不是最佳值。如果同時改變長徑比，電機的最高效率會跟方案二相當，但是在實際設計中，這可能會導致需要重新制作定轉子沖片模具，而導致模具費用增加，經濟性不佳。

2）電機的高效區間與NEDC 工況能耗分布區吻合度進一步提升，通過計算可得方案三電機的平均效率為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化設計提供了設計方法。

圖8 方案三電機效率MAP 圖分布

針對整車工況和參數要求，根據汽車理論知識，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，指導我們進行動力總成的優化設計。

圖9 軟件運行界面

結論

本文基于整車參數要求和整車工況要求，結合汽車理論知識，提出了一種電動汽車動力總成匹配整車NEDC 工況效率最優的正向設計方法。通過匹配設計使得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、電機及電控等零部件的最高效率。

最后，基于這種方法編制設計軟件，該軟件可以針對不同整車及工況，快速獲得動力系統效率最優的組件參數。

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