新能源電機系統性能匹配優化研究

柳建新

摘 要：主要針對新能源電機系統在不同車型上的應用進行性能匹配優化研究。從平臺化的車型參數出發進行電機系統參數匹配優化設計，同時進行閉環仿真計算保證車輛的動力性能。在電機系統的效率優化提升方面，基于乘用車常用NEDC工況，獲取電機系統在工況下的運行數據，基于仿真數據一方面研究電機系統在對應工況下的高效區間分布;另一方面根據電機系統在驅動和發電狀態下的電功率和機械功率計算平均效率，同時結合不同方案下的效率MAP差異，判斷不同方案在整車經濟性上的表現。通過本文提到的性能匹配優化研究方法，可以縮短開發產品周期，保證項目在前期的輸入定位相對準確，從而保證產品開發完成后可以有較強的市場競爭力，可以滿足絕大多數車型的需求。更加有利于后續的市場推廣。

關鍵詞：電機系統 系統匹配 仿真計算 能量分布 平均效率

1 引言

近年來，新能源汽車產銷量持續增長，同時帶動了電機及電控市場的急劇增長。其中驅動電機系統是新能源汽車的核心關鍵部件，是車輛行駛中的主要執行機構，決定了整車的綜合性能。經過多年的持續努力與攻關，我國在驅動電機系統設計、制造、檢測方面取得了長足的進步，關鍵技術指標如功率密度、效率等與國際同類產品水平相當。但與國際先進水平相比，我國車用驅動電機在電驅動總成設計、關鍵材料與核心工藝、核心裝備等方面仍存在技術短板。目前外資驅動電機企業開始進入我國新能源汽車的主流市場，自主企業面臨較大的競爭壓力和挑戰。因此仍需持續激勵研發技術攻關，加快開展平臺共性技術攻關，補齊短板。

現在驅動電機、電機控制器與減速器深度集成的電驅動一體化總成是乘用車領域現階段發展的主要技術目標，乘用車三合一電驅動系統開發逐漸趨于平臺化、通用化;同時電動汽車整車的各項性能指標也越來越嚴苛。比如0～100km/h加速時間要求，車輛瞬時最高車速、整車高續航里程需求。作為電驅系統平臺中關鍵部件的電機系統搭載的車型也越來越寬泛。因此，如何提升電機系統的平臺化應用，提升電驅動系統的綜合性能顯得尤為重要。一款具有較強競爭力的平臺化電機系統的開發，前期的匹配優化設計是非常重要的，只有將電機系統的設計指標精確到極致，同時又需要有明確清晰的優化思路和方向，才可以在后續的開發過程中占得先機。

2 電機系統參數匹配優化設計

2.1 常規車型的參數定義

在乘用車用三合一總成系統開發過程中，為了獲得準確的電機系統匹配設計參數，首先需要定義平臺化的車型參數。只有定義有效準確的整車參數，才能保證后續的電機系統參數設計可以更加精確。不僅可以保證車輛的綜合性能，同時又沒有過設計。從而保證系統可以有較強的市場競爭力，可以滿足絕大多數車型的需求。更加有利于后續的市場推廣。

通過前期市場調研，對比不同的車型參數配置，定義了目前三合一電機系統開發的車型參數配置如表1所示：

2.2 基于常規車型參數的匹配計算

根據上述整車基本參數，同時結合整車動力學計算公式計算得到電機系統的相關參數如表2所示。

電機系統的最高轉速由整車最高車速（180km/h）計算得到，定義為16000rpm。電機系統的額定功率和額定轉矩由持續爬坡度和最高車速工況下的對應參數計算得到，從計算輸出的結果中取最大值作為電機系統的對應參數。電機系統的峰值功率和峰值轉矩由最大爬坡度和整車的加速性能計算得到，從計算輸出的結果中取最大值作為電機系統的對應參數。

在乘用車的各項需求指標中，加速性能指標的要求更加嚴苛，因為車輛在高速運行的過程中有較強的超車需求，同時在計算最高車速的需求功率時，因為功率和整車車速的二次方成正比。因此在滿足車輛的最高穩定車速以及加速性能指標要求（0～100km/h加速時間8s）的前提下，對電機系統的功率需求則更加嚴苛。

電機系統功率設計指標計算公式如下：

Pv=（m·g·f+）

從上述仿真計算結果可以看出，整車的爬坡指標較為容易滿足。但因為受限于車輛的加速性能以及最高穩定車速，整車最高穩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。因此設計過程中選定電機系統額定功率70kW，峰值功率150kW。具體的電機系統的設計參數如表3所示。

3 基于電機系統的整車性能仿真分析

基于上述的整車基本參數，同時結合電機系統的設計參數，本文在Matlab/Simulink環境下進行了整車在滿載條件下的性能仿真，從而達到閉環驗證的目的。

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

從圖2可以看出，電機系統可以滿足車輛30%最大爬坡度的要求，爬坡車速超過60km/h。綜合以上仿真數據，電機系統的設計參數可以滿足車輛的動力性能要求。

4 基于仿真信息的數據挖掘研究

本文研究了電機系統對于車輛的經濟性指標優化方向研究。電機系統的效率直接影響到整車的電耗性能，提高電機系統的效率，尤其是常用的運行工況下的效率尤為重要。

研究電機系統效率優化，首先要研究電機系統在不同工況下的高效區間分布。乘用車常用測試工況為NEDC。本文首先基于整車仿真平臺導出對應的不同測試工況下的電機系統工作點數據，主要包括轉速、轉矩、電壓、電流等的信息，然后對相應的信息進行二次處理并作量化分析，從中得到有效的信息對后續電機系統的正向開發提出指導性的建議。接下來本文通過三種數據分析方法進行電機系統性能優化提升方向研究。

4.1 基于工況數據的能量分布研究

利用對應工況下的轉速、轉矩信息，計算對應的電機系統的機械功率信息，并對該功率數據進行積分處理，提取出相應的能量信息分布。接下來在轉速轉矩特性圖上進行網格定義，同時按照能量大小進行排序，將能量信息體現在對應的網格信息上。

為了得到更加直觀的數據，本文將其進行可視化處理，根據不同的占比情況體現大小不同的面積。得到電機系統的能量分布泡泡圖。如圖3所示，泡泡圖中所占面積較大的區域是電機系統在對應的工況下消耗能量較多的工作點。那么在后續的電機系統效率優化的工作需要重點圍繞該區間開展。從圖中可以看出4000rpm、100Nm附近的工作點是需要重點關注提高的區域。

4.2 基于工況數據的平均效率研究

為了可以更好的量化效率指標，對標分析不同的電機系統的經濟性能。本文將電機系統的效率劃分為驅動狀態平均效率和發電狀態下的平均效率。這樣更加有利于對比不同的優化方案對經濟性能提升的貢獻大小。首先，通過電機系統的正負轉矩值劃分為驅動狀態和發電狀態，這樣就可以將對應工況下的數據區分開來。不同的電機系統工作模式下，使用電機系統的轉速和轉矩計算得到電機系統的機械功率;另一方面，通過電流和電壓計算得到電機系統的電功率，同時將各自的功率進行積分得到對應的能量數據。這樣就可以計算輸出電機系統在不同的工作模式下的平均效率。

平均效率=（機械功率之和/電功率之和）*100%

表4是兩種不同的電機方案在NEDC工況下的平均效率及百公里電耗表現情況。從中可以分析出不同方案下的驅動和發電狀態下的平均效率，方案1在驅動和發電狀態下平均效率均要優于方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勢以及在整車電耗端的表現，為后續的方案優化打下基礎。

4.3 基于MAP效率數據的對比分析

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

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

5 結語

如本文闡述的研究分析方法，電機系統的開發要遵循正向的分析理論，不僅僅是根據客戶提供的電機系統基本轉速轉矩特性參數。首先需要根據整車的基本性能指標計算輸出對應的電機系統的轉速、轉矩及功率參數;然后在整車仿真平臺下基本不同的工況路譜進行動力性能核算以及經濟性能初步仿真，同時輸出對應的電機系統數據用于下一步的理論計算。

基于仿真計算輸出的數據進行電機系統工作點能耗排序，輸出泡泡圖，提供電機系統優化的方向，針對常用工作區間重點優化;對標不同的優化方案所帶來的效果時，通過對標相同工況下、不同的電機系統工作模式下的平均效率，另一方面通過計算對標效率MAP差值，從而最終判斷優化方案是否可行。

電機系統的開發是一個持續優化的過程。要縮短開發周期，就需要我們在設計開發的初期將各項工作盡量做細，想方設法進行深層次的數據挖掘探究，往往可以達到事半功倍的效果。

參考文獻：

[1]張舟云，貢俊.新能源汽車電機技術與應用[M].上海：上海科學技術出版社，2012.

[2]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]劉璐明.基于Cruise的某款純電動客車動力系統匹配與性能仿真[J].機電技術，2019，（1）：72-74.

[4]王慧怡，郭崇. 電動汽車動力性及經濟性綜合評價研究[J].建筑工程技術與設計，2015，（21）：2074-2076

[5]袁登科，徐延東，李秀濤. 永磁同步電動機變頻調速系統及其控制[M].北京：機械工業出版社，2015.

[6]鄭君里.信號與系統[M].北京：高等教育出版社，1978.