中度混合動力汽車ISG電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王利，陳健，任勇，周洪波，周安健，蘇嶺

(重慶長安新能源汽車有限公司，重慶 401120)

中度混合動力汽車ISG電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王利，陳健，任勇，周洪波，周安健，蘇嶺

(重慶長安新能源汽車有限公司，重慶 401120)

提出了一種對混合動力ISG電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。通過數(shù)據(jù)總結(jié)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)方案。借助電磁場有限元分析對優(yōu)化電機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。然后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)，制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，最終將優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)用于新一代的產(chǎn)品。

混合動力汽車;ISG電機(jī);優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保理念的深入人心，汽車電氣化成為今后的發(fā)展趨勢［1－2］。由于汽車電池領(lǐng)域還未出現(xiàn)明顯的技術(shù)突破［3－4］，因而純電驅(qū)動系統(tǒng)存在續(xù)使里程不足和成本較高等缺點(diǎn)，單獨(dú)使用電機(jī)的純電動汽車目前還很難獲得市場及用戶的認(rèn)可。將電機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)相結(jié)合構(gòu)成混合動力系統(tǒng)，通過電機(jī)彌補(bǔ)發(fā)動機(jī)的固有缺陷，改善發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，提高整個動力總成的效率，增強(qiáng)整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，無疑在相當(dāng)一段時間內(nèi)具有廣泛的市場前景，且目前的技術(shù)能力也能支撐混合動力系統(tǒng)的市場化［5－7］。

ISG電機(jī)作為混合動力系統(tǒng)的重要組成部分，主要作用是使發(fā)動機(jī)擁有更優(yōu)的性能。電機(jī)的好壞直接決定混合動力系統(tǒng)的性能。因此根據(jù)實(shí)際混合動力系統(tǒng)的工作情況，設(shè)計(jì)一款合適的ISG電機(jī)，對于整個混合動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重要的意義。

本文從前一代混合動力汽車運(yùn)行的大量實(shí)際測試數(shù)據(jù)出發(fā)，對中度混合動力的ISG電機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行深入分析，并引入一種全新的分析方法。在分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合ISG電機(jī)設(shè)計(jì)方面積累的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出混合動力ISG電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在現(xiàn)有電機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際測試，并將優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果應(yīng)用于新一代的混合動力系統(tǒng)。

1 中度混合動力汽車對ISG電機(jī)的要求

如圖1所示，在典型中度混合動力汽車的動力總成中，ISG電機(jī)和發(fā)動機(jī)、變速器同軸連接。電機(jī)類型為永磁同步內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。在這種結(jié)構(gòu)中ISG電機(jī)同發(fā)動機(jī)曲軸有同樣的工作轉(zhuǎn)速。

圖1 混合動力總成示意圖

圖2為某發(fā)動機(jī)的典型萬有特性曲線。發(fā)動機(jī)的最佳效率受扭矩和轉(zhuǎn)速的束縛。在實(shí)際應(yīng)用中，變速器用來改善發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)域，電機(jī)的作用為改善發(fā)動機(jī)的扭矩運(yùn)行區(qū)域。通過這兩個方面可以使發(fā)動機(jī)運(yùn)行于最高效率點(diǎn)上，從而達(dá)到提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。合理的ISG電機(jī)設(shè)計(jì)能使混合動力車輛獲得更高的動力性能和更低的油耗。

由于ISG電機(jī)與發(fā)動機(jī)同軸，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍相同。同時為保證電機(jī)有足夠的功率，通常電機(jī)高效區(qū)位于最高轉(zhuǎn)速的一半的位置。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前，電機(jī)的效率MAP圖如圖3所示。

圖2 發(fā)動機(jī)萬有特性曲線

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)前ISG電機(jī)效率MAP圖

2 ISG電機(jī)運(yùn)行工況研究及分析

為獲取整車在實(shí)際工況中的電機(jī)運(yùn)行情況，使用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)記錄車輛行車數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。圖4為電機(jī)在某工況下的實(shí)測數(shù)據(jù)。

不同路況和不同的駕駛習(xí)慣會導(dǎo)致工況數(shù)據(jù)有明顯差別?；跇颖玖勘M可能大的原則，本研究對10車?yán)塾?jì)2 000 h的綜合工況行車數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到一個如圖5所示的電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速載荷譜。對其中某段2 000 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)出電機(jī)在各個轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩下的時間占比。

圖4 某工況下ISG電機(jī)實(shí)測轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)

圖5 ISG電機(jī)常用區(qū)域

從載荷譜可以看出電機(jī)主要功能為怠速啟停、制動能量回收、小扭矩助力。常用工作區(qū)間見表1。

表1 ISG電機(jī)使用時間占比統(tǒng)計(jì)

通過實(shí)測數(shù)據(jù)最終得到如下結(jié)論:

1)電機(jī)25%的時間處于零轉(zhuǎn)矩狀態(tài)。

2)電機(jī)在出力狀態(tài)下有70%的時間工作在750～2 250 r/min@20～－20 N·m。

風(fēng)險(xiǎn)事件是造成損失的直接原因。如地震、火災(zāi)、臺風(fēng)、戰(zhàn)爭、暴亂、征收、匯兌限制等。風(fēng)險(xiǎn)事件是風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的導(dǎo)火索，將風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)性。

3)電機(jī)的峰值扭矩使用區(qū)間基本在1 500～2 000 r/min。

將載荷譜與圖3的原電機(jī)效率MAP對比，可發(fā)現(xiàn)目前電機(jī)的最高效率區(qū)域和實(shí)際運(yùn)用情況并不重合。細(xì)致觀察ISG電機(jī)運(yùn)行工況和電機(jī)效率MAP圖，可以發(fā)現(xiàn)ISG電機(jī)在大扭矩使用轉(zhuǎn)速1 500～2 000 r/min時效率很低，此處效率的提升對于整個系統(tǒng)的性能提升有重要意義。

3 ISG電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)與理論計(jì)算

通過前面的分析可知，ISG電機(jī)應(yīng)在設(shè)計(jì)上使低速大扭矩區(qū)域獲得更高效率，并兼顧整個區(qū)域的效率提升。

要提高電機(jī)的效率，唯一辦法是降低電機(jī)的損耗。在通常情況下，電機(jī)的損耗主要由繞組銅耗、鐵耗和機(jī)械損耗組成，其中繞組銅耗所占比重較大，一般在3%以上。因此研究的優(yōu)化目標(biāo)主要是降低繞組銅耗。

繞組銅耗的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

其中:m為相數(shù);IN為相電流有效值;Rphase為相電阻。

因此優(yōu)化分析從降低電機(jī)定子電流和電機(jī)定子電阻2個方面入手。

3.1 降低電機(jī)定子電流方案

電機(jī)常數(shù)公式為

其中:D，lef為電機(jī)定子內(nèi)徑和長度;n，P'為電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率;a'p，KNm，Kdp為常數(shù);A，Bδ為電密和氣隙磁場強(qiáng)度。

在不改變電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸的情況下，需要降低定子電流(即降低電密A)，因此必須提升電機(jī)氣隙磁場強(qiáng)度。

借助電磁場有限元分析工具，對電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。在不改變永磁體用量的情況下，將原電機(jī)“一字形”永磁體優(yōu)化為“V形”永磁體，從而提高電機(jī)定子磁場基波分量，如圖6～9和表2所示。電機(jī)電磁性能發(fā)生的變化如表3所示。

圖6 永磁體形式更改前后有限元模型對比

圖7 永磁體用量在變化前后的總量無變化

圖8 “一字型”永磁體氣隙磁密波形傅里葉分析結(jié)果

表2 “一字型”和“V型”永磁體氣隙磁密波形傅里葉分析結(jié)果對比

圖9 “V型”永磁體氣隙磁密波形傅里葉分析結(jié)果

表3 “一字型”和“V型”永磁體電機(jī)電磁性能對比

3.2 降低電機(jī)定子電阻方案

電機(jī)定子電阻R的計(jì)算公式為

其中:ρ為材料屬性，可視為常數(shù);L為電機(jī)繞組長度，不改變電機(jī)繞組連接形式時為常數(shù);S為導(dǎo)體橫截面積。

降低電機(jī)定子繞組電阻的唯一方案為增加電機(jī)繞組銅線面積，因此必須增加定子繞組的槽滿率，這在工藝上受到嵌線工藝的限制，所以必須改變定子繞組工藝才可以達(dá)到提高定子繞組槽滿率的目的。分塊式定子方案由于將定子嵌線工藝改為繞線工藝，因而可以巧妙避開嵌線工藝的瓶頸，達(dá)到降低定子電阻的目的。

4 工程化方案實(shí)施

4.1 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

工程化轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案根據(jù)電磁仿真結(jié)果，將轉(zhuǎn)子進(jìn)行工程化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并附加進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算、機(jī)械結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)等，形成的最終轉(zhuǎn)子沖片實(shí)物如圖10所示。

圖10 更改設(shè)計(jì)前后轉(zhuǎn)子沖片實(shí)物照片

4.2 定子設(shè)計(jì)

定子設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是增加定子銅線的截面積，該目標(biāo)和電機(jī)工藝上的槽滿率相矛盾。原設(shè)計(jì)方案中，能方便操作的槽滿率為60%，如再往上增加將影響電機(jī)定子的生產(chǎn)效率。因此定子設(shè)計(jì)方案必須更改。經(jīng)過考慮，本文提出了一種分塊式電機(jī)設(shè)計(jì)方案。

如圖11所示，優(yōu)化后的電機(jī)定子一共分為18個部分，每個部分之間采用8字扣的形式進(jìn)行連接。

圖11 定子設(shè)計(jì)更改前后示意圖

此設(shè)計(jì)更改后，電機(jī)定子繞組的制作工藝從嵌線方式改為繞線方式，如圖12所示。

采用定子分塊設(shè)計(jì)后，電機(jī)的槽滿率不再受嵌線工藝的制約，從更改前的60%增加到約80%。由于分塊方案可以使用機(jī)械輔助生產(chǎn)，因此生產(chǎn)效率大大提高。

圖12 定子線圈變化前后示意圖

為了降低定子拼塊帶來的鐵損增加，在加工工藝上優(yōu)化定子的焊接方式，將傳統(tǒng)的氬弧焊改為激光焊接，如圖13所示。

圖13 定子焊接方式改變

5 試驗(yàn)測試

優(yōu)化的電機(jī)經(jīng)試制后得到試驗(yàn)樣件，并搭建試驗(yàn)臺架進(jìn)行對比測試。試驗(yàn)樣機(jī)及試驗(yàn)照片如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)樣機(jī)及試驗(yàn)照片

使用同一臺電機(jī)控制器分別對優(yōu)化前后的電機(jī)進(jìn)行參數(shù)匹配，在匹配方法上遵守恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域最大轉(zhuǎn)矩－電流控制原則和恒功率區(qū)域最大電壓利用率控制原則，使電機(jī)系統(tǒng)獲得最優(yōu)效率。經(jīng)過臺架測試，將測試的電機(jī)效率繪制成效率MAP圖，如圖15所示。

圖15 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電機(jī)效率MAP圖

將優(yōu)化前圖3的效率與優(yōu)化后圖15的效率相減，得到圖16所示的效率差值。可以看出優(yōu)化后的電機(jī)在常用工作區(qū)間，比原電機(jī)普遍增加了5%的系統(tǒng)效率。

圖16 優(yōu)化前和優(yōu)化后電機(jī)系統(tǒng)的效率差值

6 結(jié)束語

在原有ISG電機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，總結(jié)出了ISG電機(jī)的長期運(yùn)行區(qū)域，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，針對性地制定了優(yōu)化方案。在有限元仿真計(jì)算后，對改進(jìn)方案進(jìn)行了工程化設(shè)計(jì)，然后制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。優(yōu)化后的電機(jī)成本更低，工藝性能更好，性能方面更能滿足混合動力汽車的實(shí)際需求。本文提出了一種ISG電機(jī)優(yōu)化的全新思路，對混合動力ISG電機(jī)設(shè)計(jì)有重要借鑒意義。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Optimization Design of ISG Motor for Hybrid

WANG Li，CHEN Jian，REN Yong，ZHOU Hong－bo，ZHOU An－jian，SU Ling
(Chongqing Chang’an New Energy Automobile CO.LTD.，Chongqing 401120，China)

This paper proposed a method of optimizing the design of a hybrid ISG motor.With data Summary design elements and he help of electromagnetic field finite analysis，the design proposal and detailed design calculations were employed to optimize motor.Then the calculation results were used for engineering design and production prototype testing，and they will be applied s for a new generation products ultimately.

hybrid vehicle;ISG motor;optimization design

U469.722

A

1674－8425(2014)05－0028－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.006

2013－12－18

工業(yè)和信息化部電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金招標(biāo)項(xiàng)目“汽車用IGBT芯片及模塊研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”

王利(1986—)，男，重慶人，工程師，主要從事電動汽車電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

王利，陳健，任勇，等.中度混合動力汽車ISG電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014 (5):28－33.

format:WANG Li，CHEN Jian，REN Yong，et al.Optimization Design of ISG Motor for Hybrid［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):28－33.