新能源電機(jī)系統(tǒng)性能匹配優(yōu)化研究

柳建新

摘 要：主要針對(duì)新能源電機(jī)系統(tǒng)在不同車型上的應(yīng)用進(jìn)行性能匹配優(yōu)化研究。從平臺(tái)化的車型參數(shù)出發(fā)進(jìn)行電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行閉環(huán)仿真計(jì)算保證車輛的動(dòng)力性能。在電機(jī)系統(tǒng)的效率優(yōu)化提升方面，基于乘用車常用NEDC工況，獲取電機(jī)系統(tǒng)在工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，基于仿真數(shù)據(jù)一方面研究電機(jī)系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)工況下的高效區(qū)間分布;另一方面根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)下的電功率和機(jī)械功率計(jì)算平均效率，同時(shí)結(jié)合不同方案下的效率MAP差異，判斷不同方案在整車經(jīng)濟(jì)性上的表現(xiàn)。通過本文提到的性能匹配優(yōu)化研究方法，可以縮短開發(fā)產(chǎn)品周期，保證項(xiàng)目在前期的輸入定位相對(duì)準(zhǔn)確，從而保證產(chǎn)品開發(fā)完成后可以有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可以滿足絕大多數(shù)車型的需求。更加有利于后續(xù)的市場(chǎng)推廣。

關(guān)鍵詞：電機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)匹配 仿真計(jì)算 能量分布 平均效率

1 引言

近年來，新能源汽車產(chǎn)銷量持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)帶動(dòng)了電機(jī)及電控市場(chǎng)的急劇增長(zhǎng)。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是新能源汽車的核心關(guān)鍵部件，是車輛行駛中的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，決定了整車的綜合性能。經(jīng)過多年的持續(xù)努力與攻關(guān)，我國(guó)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如功率密度、效率等與國(guó)際同類產(chǎn)品水平相當(dāng)。但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)在電驅(qū)動(dòng)總成設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料與核心工藝、核心裝備等方面仍存在技術(shù)短板。目前外資驅(qū)動(dòng)電機(jī)企業(yè)開始進(jìn)入我國(guó)新能源汽車的主流市場(chǎng)，自主企業(yè)面臨較大的競(jìng)爭(zhēng)壓力和挑戰(zhàn)。因此仍需持續(xù)激勵(lì)研發(fā)技術(shù)攻關(guān)，加快開展平臺(tái)共性技術(shù)攻關(guān)，補(bǔ)齊短板。

現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器與減速器深度集成的電驅(qū)動(dòng)一體化總成是乘用車領(lǐng)域現(xiàn)階段發(fā)展的主要技術(shù)目標(biāo)，乘用車三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)逐漸趨于平臺(tái)化、通用化;同時(shí)電動(dòng)汽車整車的各項(xiàng)性能指標(biāo)也越來越嚴(yán)苛。比如0～100km/h加速時(shí)間要求，車輛瞬時(shí)最高車速、整車高續(xù)航里程需求。作為電驅(qū)系統(tǒng)平臺(tái)中關(guān)鍵部件的電機(jī)系統(tǒng)搭載的車型也越來越寬泛。因此，如何提升電機(jī)系統(tǒng)的平臺(tái)化應(yīng)用，提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的綜合性能顯得尤為重要。一款具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的平臺(tái)化電機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)，前期的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的，只有將電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)精確到極致，同時(shí)又需要有明確清晰的優(yōu)化思路和方向，才可以在后續(xù)的開發(fā)過程中占得先機(jī)。

2 電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 常規(guī)車型的參數(shù)定義

在乘用車用三合一總成系統(tǒng)開發(fā)過程中，為了獲得準(zhǔn)確的電機(jī)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)參數(shù)，首先需要定義平臺(tái)化的車型參數(shù)。只有定義有效準(zhǔn)確的整車參數(shù)，才能保證后續(xù)的電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)可以更加精確。不僅可以保證車輛的綜合性能，同時(shí)又沒有過設(shè)計(jì)。從而保證系統(tǒng)可以有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可以滿足絕大多數(shù)車型的需求。更加有利于后續(xù)的市場(chǎng)推廣。

通過前期市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)比不同的車型參數(shù)配置，定義了目前三合一電機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的車型參數(shù)配置如表1所示：

2.2 基于常規(guī)車型參數(shù)的匹配計(jì)算

根據(jù)上述整車基本參數(shù)，同時(shí)結(jié)合整車動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式計(jì)算得到電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

電機(jī)系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速由整車最高車速（180km/h）計(jì)算得到，定義為16000rpm。電機(jī)系統(tǒng)的額定功率和額定轉(zhuǎn)矩由持續(xù)爬坡度和最高車速工況下的對(duì)應(yīng)參數(shù)計(jì)算得到，從計(jì)算輸出的結(jié)果中取最大值作為電機(jī)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)參數(shù)。電機(jī)系統(tǒng)的峰值功率和峰值轉(zhuǎn)矩由最大爬坡度和整車的加速性能計(jì)算得到，從計(jì)算輸出的結(jié)果中取最大值作為電機(jī)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)參數(shù)。

在乘用車的各項(xiàng)需求指標(biāo)中，加速性能指標(biāo)的要求更加嚴(yán)苛，因?yàn)檐囕v在高速運(yùn)行的過程中有較強(qiáng)的超車需求，同時(shí)在計(jì)算最高車速的需求功率時(shí)，因?yàn)楣β屎驼囓囁俚亩畏匠烧?。因此在滿足車輛的最高穩(wěn)定車速以及加速性能指標(biāo)要求（0～100km/h加速時(shí)間8s）的前提下，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的功率需求則更加嚴(yán)苛。

電機(jī)系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

Pv=（m·g·f+）

從上述仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，整車的爬坡指標(biāo)較為容易滿足。但因?yàn)槭芟抻谲囕v的加速性能以及最高穩(wěn)定車速，整車最高穩(wěn)定車速越高則額定功率越大，峰值功率越大則加速性能越好。因此設(shè)計(jì)過程中選定電機(jī)系統(tǒng)額定功率70kW，峰值功率150kW。具體的電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

3 基于電機(jī)系統(tǒng)的整車性能仿真分析

基于上述的整車基本參數(shù)，同時(shí)結(jié)合電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，本文在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了整車在滿載條件下的性能仿真，從而達(dá)到閉環(huán)驗(yàn)證的目的。

從圖1可以看出，車輛的最高車速可以達(dá)到180km/h的車速要求。0～100km/h的加速時(shí)間7.6s。滿足車輛加速時(shí)間需求。

從圖2可以看出，電機(jī)系統(tǒng)可以滿足車輛30%最大爬坡度的要求，爬坡車速超過60km/h。綜合以上仿真數(shù)據(jù)，電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)可以滿足車輛的動(dòng)力性能要求。

4 基于仿真信息的數(shù)據(jù)挖掘研究

本文研究了電機(jī)系統(tǒng)對(duì)于車輛的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)優(yōu)化方向研究。電機(jī)系統(tǒng)的效率直接影響到整車的電耗性能，提高電機(jī)系統(tǒng)的效率，尤其是常用的運(yùn)行工況下的效率尤為重要。

研究電機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化，首先要研究電機(jī)系統(tǒng)在不同工況下的高效區(qū)間分布。乘用車常用測(cè)試工況為NEDC。本文首先基于整車仿真平臺(tái)導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的不同測(cè)試工況下的電機(jī)系統(tǒng)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，主要包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流等的信息，然后對(duì)相應(yīng)的信息進(jìn)行二次處理并作量化分析，從中得到有效的信息對(duì)后續(xù)電機(jī)系統(tǒng)的正向開發(fā)提出指導(dǎo)性的建議。接下來本文通過三種數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行電機(jī)系統(tǒng)性能優(yōu)化提升方向研究。

4.1 基于工況數(shù)據(jù)的能量分布研究

利用對(duì)應(yīng)工況下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信息，計(jì)算對(duì)應(yīng)的電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械功率信息，并對(duì)該功率數(shù)據(jù)進(jìn)行積分處理，提取出相應(yīng)的能量信息分布。接下來在轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性圖上進(jìn)行網(wǎng)格定義，同時(shí)按照能量大小進(jìn)行排序，將能量信息體現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格信息上。

為了得到更加直觀的數(shù)據(jù)，本文將其進(jìn)行可視化處理，根據(jù)不同的占比情況體現(xiàn)大小不同的面積。得到電機(jī)系統(tǒng)的能量分布泡泡圖。如圖3所示，泡泡圖中所占面積較大的區(qū)域是電機(jī)系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)的工況下消耗能量較多的工作點(diǎn)。那么在后續(xù)的電機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化的工作需要重點(diǎn)圍繞該區(qū)間開展。從圖中可以看出4000rpm、100Nm附近的工作點(diǎn)是需要重點(diǎn)關(guān)注提高的區(qū)域。

4.2 基于工況數(shù)據(jù)的平均效率研究

為了可以更好的量化效率指標(biāo)，對(duì)標(biāo)分析不同的電機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。本文將電機(jī)系統(tǒng)的效率劃分為驅(qū)動(dòng)狀態(tài)平均效率和發(fā)電狀態(tài)下的平均效率。這樣更加有利于對(duì)比不同的優(yōu)化方案對(duì)經(jīng)濟(jì)性能提升的貢獻(xiàn)大小。首先，通過電機(jī)系統(tǒng)的正負(fù)轉(zhuǎn)矩值劃分為驅(qū)動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)，這樣就可以將對(duì)應(yīng)工況下的數(shù)據(jù)區(qū)分開來。不同的電機(jī)系統(tǒng)工作模式下，使用電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩計(jì)算得到電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械功率;另一方面，通過電流和電壓計(jì)算得到電機(jī)系統(tǒng)的電功率，同時(shí)將各自的功率進(jìn)行積分得到對(duì)應(yīng)的能量數(shù)據(jù)。這樣就可以計(jì)算輸出電機(jī)系統(tǒng)在不同的工作模式下的平均效率。

平均效率=（機(jī)械功率之和/電功率之和）*100%

表4是兩種不同的電機(jī)方案在NEDC工況下的平均效率及百公里電耗表現(xiàn)情況。從中可以分析出不同方案下的驅(qū)動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)下的平均效率，方案1在驅(qū)動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)下平均效率均要優(yōu)于方2。通過這種分析方法可以幫助我們判斷不同的方案各自的優(yōu)勢(shì)以及在整車電耗端的表現(xiàn)，為后續(xù)的方案優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

4.3 基于MAP效率數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

針對(duì)不同的優(yōu)化方案，為了能夠更加直觀的得到其中的差異點(diǎn)，尤其是在整個(gè)效率MAP上兩者的差異。除了上述提到的對(duì)標(biāo)方法，本文提出了另外一種效率對(duì)標(biāo)方法。本文將不同方案下的MAP效率進(jìn)行作差處理：即在相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩下，使用其中一種方案下的效率減去另外一種方案下的電機(jī)系統(tǒng)效率。并且將差值在整個(gè)效率區(qū)間上畫出MAP圖形進(jìn)行直觀表達(dá)。如下圖所示，兩種方案作差的MAP分布圖，負(fù)值代表方案1的效率高，正值代表方案2的效率更高。

從圖4可以看出，常用工作區(qū)間的效率MAP負(fù)值較多，因此方案1比方案2在常用的工作區(qū)間效率有明顯提升，這也和通過平均效率計(jì)算得到的分析結(jié)論基本一致。

5 結(jié)語

如本文闡述的研究分析方法，電機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)要遵循正向的分析理論，不僅僅是根據(jù)客戶提供的電機(jī)系統(tǒng)基本轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性參數(shù)。首先需要根據(jù)整車的基本性能指標(biāo)計(jì)算輸出對(duì)應(yīng)的電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率參數(shù);然后在整車仿真平臺(tái)下基本不同的工況路譜進(jìn)行動(dòng)力性能核算以及經(jīng)濟(jì)性能初步仿真，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的電機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)用于下一步的理論計(jì)算。

基于仿真計(jì)算輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行電機(jī)系統(tǒng)工作點(diǎn)能耗排序，輸出泡泡圖，提供電機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化的方向，針對(duì)常用工作區(qū)間重點(diǎn)優(yōu)化;對(duì)標(biāo)不同的優(yōu)化方案所帶來的效果時(shí)，通過對(duì)標(biāo)相同工況下、不同的電機(jī)系統(tǒng)工作模式下的平均效率，另一方面通過計(jì)算對(duì)標(biāo)效率MAP差值，從而最終判斷優(yōu)化方案是否可行。

電機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)是一個(gè)持續(xù)優(yōu)化的過程。要縮短開發(fā)周期，就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)開發(fā)的初期將各項(xiàng)工作盡量做細(xì)，想方設(shè)法進(jìn)行深層次的數(shù)據(jù)挖掘探究，往往可以達(dá)到事半功倍的效果。

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