基于NEDC循環工況的集成式電驅動系統匹配優化

李海波 趙建華 羅東 李丹林

（東風汽車公司技術中心，武漢 430058）

1 前言

目前，由于動力電池和電驅動等關鍵技術的不成熟使電動汽車的續駛里程受到制約，在這些關鍵技術取得突破前，對驅動系統參數特別是驅動電機參數進行匹配優化，最大限度地挖掘現有電動汽車技術的潛能是提高電動汽車性能的重要手段之一[1-3]。

本文以某款純電動轎車的集成式電驅動系統為研究對象，在歐洲循環工況（New Europe Driving Cycle,NEDC）標準循環工況下，通過對比分析集成式電驅動系統的試驗機械能占比與NEDC理論需求機械能占比來調整電機高效區，再結合線性插值和加權算法來優化與電機匹配的減速器速比，從而增大了NEDC工況電機驅動工作點集中區域與電機高效區的重合度，提升了集成式電驅動系統的整體效率，有助于改善整車動力性經濟性。

2 集成式電驅動系統效率分析

集成式電驅動系統是由永磁電機和減速器耦合集成而成，其參數匹配方法是基于整車動力性指標（最高車速、加速時間和最大爬坡度）確定電機的峰值參數，再依據過載系數和基數比來確定電機額定參數，同時依據整車性能指標選定減速器，并將其集成到驅動電機輸出端。

將該集成式電驅動系統搭載到某款電動汽車車型上進行NEDC循環工況試驗，并在轉轂試驗臺架上采集電機工作點數據信息。根據優化前電機效率圖（MAP1），將各個電機驅動工作點繪制到效率MAP1上，如圖1所示。

由圖1可見，電機驅動工作點主要集中覆蓋在電機效率較低區域，電機高效區未得到充分利用，根據實車NEDC試驗數據分析計算可知，集成式電驅動系統效率為78%，這使得整車動力性和經濟性都有一定下降。因此，為了提升集成式電驅動系統效率，本文在已搭載集成式電驅動系統的電動汽車車型上，基于NEDC工況下試驗實際機械能占比與NEDC理論需求機械能占比分析來優化電機高效區，并基于優化后的電機高效區來優化與其匹配減速器速比。

圖1 NEDC工況電機驅動工作點在效率MAP1上的點圖

3 電機高效區優化及減速器速比優化

3.1 NEDC工況需求和實際機械能占比對比分析

匹配集成式電驅動系統的整車主要技術參數如表1所示。

表1 匹配集成式電驅動系統的電動汽車主要技術參數

將整車放置在轉轂試驗臺架上進行NEDC循環工況試驗，通過CANoe（CAN open environment,總線開發環境設備）采集試驗過程中周期時間內電機轉速、轉矩、電池電流、電池電壓、SOC等相關信息，并將試驗數據導出，計算出試驗過程中各轉速區間內實際機械能占整個循環工況實際機械能的比例，得到試驗機械能占比；同時結合表1整車參數及標準NEDC工況對應車速計算電機需求驅動力矩，再根據NEDC工況車速得到的電機轉速信息計算電機需求機械能，從而計算出標準NEDC工況下各轉速區間內需求機械能占整個循環工況機械能的比例，得到NEDC工況需求機械能占比，表達式如下：

通過對循環工況分析，根據上述公式可計算出實車NEDC試驗及標準NEDC工況下各電機轉速間隔區間需求機械能占比，結果如表2所示。

表2 NEDC需求和實車試驗下不同轉速區間機械能占比

表2中NEDC需求機械能占比和試驗實際機械能占比相差在2%以內。試驗實際機械能占比和需求計算機械能占比數據的誤差是因為試驗過程中駕駛員操作油門及制動踏板存在隨機性誤差，這種由于操作引起的2%以內的誤差是允許的，因此可以采用NEDC需求機械能占比分布來調整電機高效區，提升集成式電驅動系統效率。

3.2 驅動電機高效區優化

根據上述機械能占比分析法，在NEDC循環工況下，依據當前整車阻力曲線和NEDC工況對應車速，計算輪邊驅動力矩和轉速，從而得到電機需求機械能，再將電機轉速間隔范圍細分至500 r/min，計算各個轉速區間電機機械能占比，如圖2所示。

圖2 電機恒轉速間隔區間機械能占比分布

由圖2可知，在NEDC循環工況下，電機在4 500~5 000 r/min時需求機械能占比最高，即在該轉速區間內，驅動電機做功最多，能耗最大。因此為了提升集成式電驅動系統效率，將電機高效區定在4 500~5 000 r/min范圍內，同時根據循環工況下電機需求輸出最大扭矩及電機過載系數，結合車輛行駛過程驅動工況覆蓋率及驅動電機性能，將電機高效中心點設置為轉速4 750 r/min、扭矩100 N·m點（4 750,100）。根據上述確定的高效區中心點，通過二維線性平移調整電機高效區并繪制新的效率MAP，如圖3所示。

圖3 優化電機高效區后的電機效率MAP2

從圖3可知，優化后電機效率MAP2在低轉速和低扭矩區域內電機效率高于優化前的電機效率，這使得電機驅動工作點集中區域與電機高效區的重合度大大提升[4]，從而提升了集成式電驅動系統整體效率。

3.3 基于驅動電機新MAP優化減速器速比

本車目前匹配的減速器為單級減速器，其傳動效率受到轉速、轉矩及油溫等因素的影響，但是減速器整體效率變化不大，在97%-98%之間。由于減速器和電機集成，減速器速比的大小將影響電機工作的平均效率，因此在電機效率MAP2上基于線性插值計算及加權算法來優化減速器速比。

計算電機瞬時效率采用線性插值法，即：

通過線性插值公式（6），根據優化后電機效率三維圖（圖4），將NEDC循環工況下不同速比對應的各個轉速轉矩點工作效率進行插值計算，從而輸出NEDC工況各個工作點電機的瞬時效率。基于各工作點瞬時效率，采用加權分析法來計算不同速比對應的電機總平均效率：

式中，μm為電機總平均效率；Qoutput為電機輸出機械能；Qmotor為電機輸入機械能；Qi為各電機轉速點對應機械能（i=1~1 180）；Qk為k（k=1~1 180）點對應瞬時機械能；ηk為k點對應的瞬時效率。

圖4 優化后的電機效率三維圖

根據上述計算可得到不同速比對應的電機平均工作效率，采用多項式擬合方式，找出電機平均工作效率最高點對應的最優減速比，具體如圖5所示。

從圖5可知，通過對9組速比參數進行插值加權計算，經曲線擬合后可知速比在7.5左右電機平均效率最高，因為在NEDC循環工況下，優化后的電機匹配7.5速比減速器形成新的集成式電驅動系統，這種新的集成方案使得電機驅動工作點在效率MAP2圖上高效區域包絡面積增大，從而使電機各個工作點瞬時工作效率提升。

4 仿真計算對比驗證

基于上述計算分析，為了驗證優化后電機平均工作效率提升結果，在優化前、后的效率MAP上進行線性插值，并基于Simulink模型計算電機各個工作點轉速轉矩對應的瞬時效率[5]，通過加權算法計算優化前、后電機平均工作效率，從而驗證集成式電驅動系統優化前、后電機平均工作效率提升結果。

圖5 電機平均效率擬合曲線

在效率MAP圖中存在低轉速及低扭矩區域不能插值計算效率的工作點，因此將無法插值計算的點取消，篩選出NEDC循環工況下驅動部分有效工作點，通過Simulink模型仿真計算出集成式電驅動系統優化前、后電機瞬時效率曲線，如圖6所示。

圖6 優化前、后電機瞬時效率

通過圖6電機瞬時效率，基于公式（7）和公式（8）加權計算有效工作點效率可得優化前電機平均工作效率為85.2%；電機優化后匹配優化前減速器平均工作效率為90.9%；電機優化后匹配優化后的減速器平均工作效率再次提升0.11%，具體效率如表3所示。

表3 不同集成方案電機平均工作效率對比

由于集成式電驅動系統效率等于電機平均工作效率乘以減速器傳動效率，而單級減速器傳動效率都在97%以上且變化不大，因此對集成式電驅動系統的優化，不但提升了電機平均工作效率，而且使集成式電驅動系統效率顯著提升，從而改善整車動力經濟性。

5 試驗結果

仿真計算結束后，將優化后的驅動電機匹配速比7.5的減速器搭載到整車上，并在轉轂臺架上進行NEDC循環工況試驗。

NEDC工況試驗后導出試驗采集數據，根據新集成方案對應的電機效率MAP2，將各個電機驅動工作點繪制到效率MAP2圖上，如圖7所示。

圖7 優化后循環工況電機驅動工作點圖

由圖7可見，優化后電機驅動工作點集中覆蓋在效率較高區域內，通過試驗數據分析計算可知，優化后的集成式電驅動系統效率為88.9%，而優化前試驗得到的集成式電驅動系統效率78%，系統效率提升10.9%，進一步驗證了優化方案的可行性，為后續電驅動系統匹配優化提供了有力支撐。

6 結束語

通過對集成式電驅動系統的NEDC循環工況試驗和理論需求計算分析，提出了利用集成式電驅動系統需求機械能占比、線性插值及加權計算來優化電機高效區和減速比的方法。通過模型仿真和實車試驗表明，集成式電驅動系統優化后系統效率提升10.9%，對改善整車動力性和經濟性有顯著效果。

[1]郭孔輝,姜輝,張建偉.電動汽車傳動系統的匹配及優化[J].科學技術與工程，2010,1 0(16)：3892-2896.

[2]薛念文,高非,徐興,等.電動汽車動力傳動系統參數的匹配設計[J].重慶交通大學學報，2011,30(2)：303-307.

[3]黃萬友,陳勇,紀少波,等.基于最優效率的純電動汽車驅動控制策略開發[J].汽車工程，2013,35(12)：1 062-1067.

[4]樂智,周榮,徐梟.基于循環工況的電動汽車動力系統匹配研究[J].北京汽車，2011,(2):27-29.

[5]王峰,方宗德,祝小元.純電動汽車新型動力傳動裝置的匹配仿真與優化[J].汽車工程，2011,33(9)：805-808.