動力電機工況效率分析方法

趙慧超暴杰胡晶于拓舟劉建康

（1.中國第一汽車股份有限公司新能源開發院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：NEV電機 工況效率 等效計算WLTC

1 總述

1.1 前言

隨著環境問題、能源問題的日益突出，汽車降油耗、降電耗成為全球汽車產業的持續改善的目標。伴隨傳統發動機降油耗空間的逐漸縮小，新能源車成為汽車產業解決油耗問題的重要手段。根據油耗積分、新能源積分的管理辦法、新能源汽車補貼政策的規定和分析[1-7]，新能源車要打破“唯高里程論”，更要看重降油耗和電耗。而且降低能耗，提高驅動效率也是延長續駛里程最為經濟合理的技術路徑。未來嚴格執行油耗標準、雙積分等產業政策,并且適時轉化為碳交易機制增強汽車企業發展新能源汽車的內生動力。隨著地方補貼的取消，國家補貼退坡，以安全、節能、環保為導向,加強安全運行管理與服務，逐步取消對于續駛里程、能量密度等細節要求,把技術的決策權交給企業,而讓市場選擇最合適的產品是產業化最終目標。高效率是電動汽車節能環保標簽的本質屬性，也是未來電驅動技術發展的堅定不移的發展方向。電驅動系統以高度集成、高效率、高功率密度、高安全等級、高性價比為技術發展方向，而效率指標是重中之重。

對于汽車電驅動系統的效率評價，目前行業上主要以最高效率、高效區占比進行評價，這2個技術指標是站在電驅動總成自身的視角進行評價，無法表征整車搭載后實際工況行駛的效率表現。在國家節能與新能源汽車電驅動技術路線圖編制過程中，權威專家們普遍提出行業迫切需要提出1種基于整車視角、反映整車工況循環行駛效率、等效的、簡化的、快速的、精度可接受的統一評價方法指引。近年來，有專家[8-10]提出在整車能耗分析時，電機工作點主要集中在中、低負荷區域，電機的高效區并未得到充分利用，而電機常用工作點的效率提升，更有助于整車能耗的降低。為此中國一汽基于在傳統汽車發動機工況循環效率評價方面的實踐經驗，提出了電動汽車電驅動總成的工況循環效率評價方法。

1.2 方法總述

基于整車工況循環的電機綜合效率計算，在不同的應用場合有不同的計算方法，如通過核算集成式電驅動系統需求機械能占比來優化電機高效區[10]，該方法主要為找出NEDC工況循環中，電機機械能占比最高的工作點，并以此作為高效區設計的目標區域。該方法同樣可以表征電機工作點效率與整車工況之間的關系，但未能直接反應工作點效率優化后綜合效率的變化情況。另外，也有方法利用MATLAB/Simulink建立純電動汽車動力總成系統仿真模型，從而計算得到電機系統綜合效率[11]。該方法相對等效計算方法具有更好的計算精度，但未能直接反應電機工作點效率對綜合效率的影響占比，不利于直觀識別需要進行重點效率優化的工作點。

本文所述的電機工況效率分析計算方法，是根據整車循環工況（CLTC/WLTC）下驅動電機的轉速和扭矩數據，按照區域能量分布統計分析的方式，進行等效工況計算。輸出計算結果：等效工況點個數、等效工況點轉速、等效工況點轉矩和等效區域占比（能量占比）。最后，將大量工況點等效為有限個數的工作點，同時體現出每個等效點的權重，并可通過簡單數學計算得出等效的的工況綜合效率。該方法得出的等效數據，可直觀反應出電機工作點與整車工況循環的關系，有利于確定電機效率優化的目標，同時，對工況效率計算過程進行了簡化，方便進行對比分析。

1.3 等效工況計算流程

按照圖1所示的等效工況（CLTC/WLTC）計算流程，進行等效工況計算。

圖1 等效工況計算流程

2 計算原理

2.1 計算原理解析

等效工況基本原理是采取分塊能量占比統計的方式，把驅動電機工作連續循環等效成區域特征工況，等效轉速表征區域轉速特性，等效轉矩表征區域負荷特性，能量占比表征區域的權重。

圖2 等效分塊示意

2.1.1等效轉速

劃分工況區域后，對每個區域分別求解等效轉速；等效轉速為循環工況分布在本區的轉速平均值，其表達式如式（1）。

式中，ω為等效轉速；ωi區域內i點的轉速；n某區域內工況點數。

2.1.2 等效轉矩

對每個區域分別求解等效轉矩；等效轉矩為循環工況分布在本區的轉矩平均值，其表達式如式（2）。

式中，T為等效轉矩；Ti為區域內i點的轉矩；n某區域內工況點數。

2.1.3 能量占比

對每個區域的能量占比進行求解，能量占比為本區域的能量相對整個循環工況能量的權重其表示式如式（3）。

式中，φj為區域能量占比；Ej為區域能量；k為劃分的區域數。

區域能量求解過程如下式（4）。

式中，Δt為循環工況數據采樣時間；ωi為區域內i點的轉速；Ti為區域內i點的轉矩。

2.1.4 等效綜合計算（效率計算）

根據求解出的等效轉速、等效轉矩，查詢等效點效率，并依照式（5），式（6）求解等效工況效率。

式中，φj為區域能量占比；eff(j)為等效點效率；eff為等效綜合效率。

式中，eff(j)為利用j區域等效轉速ω和等效轉矩T查效率MAP得到。

2.2 計算原理解析

等效計算的精度與等效點個數和能量區域劃分相關，等效點個數越多等效精度越好。根據循環工況點分布情況進行能量區域劃分是等效計算的關鍵，現階段基本按照等轉速、轉矩區間和點密度分布2種方式進行區域劃分。

2.2.1 等轉速、轉矩區間

等轉速、轉矩區間就是按照完整循環轉速和轉矩分布范圍（例如：轉速區間0～10 000 r/min；轉矩區間0～100 N·m），進行等轉速、轉矩區間劃分（例如：按照2 000 r/min間隔和50 N·m分區），見圖3。

圖3 等轉速、轉矩區間劃分

2.2.2 點密度分布劃分

點密度分布劃分就是對完整循環工況點分布情況進行統計，工況點分布集中區域進行劃分；分布稀疏的區域進行集中劃分或者是等轉速、轉矩區間劃分，見圖4。

圖4 點密度劃分

3 計算案例

3.1 WLTC循環驅動區域等效9點

按照上述計算方法，將某電機在WLTC循環下的工況數據進行等效計算。圖5所示，可直觀看出等效出的9點在整個循環中的占比情況。

圖5 WLTC驅動區域9點等效

表1是等效計算后得出的具體數據，得出該WLTC循環下的等效循環效率為90.74%.

表1 WLTC驅動區域9點等效

3.2 WLTC循環驅動區域等效5點

將某電機在WLTC循環下的工況數據進行5點等效計算，等效5點的分布情況如圖6所示。

圖6 WLTC驅動區域5點等效

等效5點的計算數據如表2，得出該WLTC循環下的等效循環效率為90.75%.

表2 WLTC驅動區域5點等效

4 結論

所提出的電驅動總成等效工況循環效率評價方法能夠簡化、加速、精確整車性能開發；基于提出的等效方法計算結果分析，等效點個數越多，綜合效率絕對誤差越小。

基于國家法規即將實施的標準工況做算法精度分析，結果表明，WLTC驅動工況采用5個點即可保證等效效率誤差在±0.5%以內，CLTC驅動工況采用8個點即可保證等效效率誤差在±0.5%以內。

在電驅產品和技術開發過程中，可根據開發階段和目的的不同，采用差異化的等效點數進行評價，以平衡精度和進度的需求。