一、背景

近年來我國對新能源汽車補貼的額度在逐年降低，預計在2022年底完全退出。而動力總成作為新能源電動汽車的動力來源，其性能好壞直接影響整車的品質(zhì)，在設(shè)計時既要滿足越來越嚴格的性能、效率等要求，同時又面臨成本壓力，因此動力總成設(shè)計將面臨更大的挑戰(zhàn)。以往進行動力總成的設(shè)計，通常都是減速器廠家和電機廠家在基于滿足整車動力性能要求基礎(chǔ)上進行匹配集成設(shè)計，并不會對具體的整車工況進行效率匹配設(shè)計。這就導致了電機廠商對于電機的設(shè)計脫離了整車工況，只是一味追求單電機的最高效率，而這樣設(shè)計出來的電機的高效區(qū)間并不一定適合整車工況要求，不僅會導致整車續(xù)航性能的損失和成本的提高，而且可能會造成動力總成的成本上升。針對目前的這種情況，本文提出了一種由整車參數(shù)和工況要求，計算得到每個工況點下電機對應(yīng)的輸出特性，進而分析出整車工況的能耗分布，根據(jù)能耗分布針對電機高效區(qū)間進行正向設(shè)計，使電機的高效區(qū)間與NEDC工況能耗集中區(qū)域高度重合。從而，使整個動力總成在滿足整車動力性能要求和平均效率基本不變的情況下，達到動力總成效率的最優(yōu)設(shè)計。

二、案例分析

現(xiàn)以某一款車型為例通過NEDC和CLTC工況來對電機進行針對性的優(yōu)化設(shè)計，整車主要參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)表

2.1 能耗分析方法

如何通過整車工況求得各工況點的電機運動特性和能耗是該方法的核心，整車系統(tǒng)的能量傳輸模型如圖1所示：

圖1能量傳輸模型

通過整車平衡方程和整車工況，求得對應(yīng)的每個工況點所需的輪邊扭矩[X]、輪邊轉(zhuǎn)速[X]，再通過圖1的能量傳輸模型可求得對應(yīng)點的電機運動特性和能耗。

汽車的行駛過程中輪邊平衡方程通過機車理論可知如式（1）（2）所示。

2.2 能耗分布

根據(jù)能耗分析方法，結(jié)合整車參數(shù)要求和設(shè)定工況，通過Matlab仿真分析，得出了整車在NEDC和CLTC工況下的做功分布如圖2、3所示。

圖2 NEDC工況做功分布

圖3 CLTC工況做功分布

根據(jù)能耗分析方法，結(jié)合整車參數(shù)要求和設(shè)定工況，通過Matlab仿真分析，得出了整車在NEDC和CLTC工況下的能耗分布如圖4、5所示。

圖4 NEDC工況能耗占比分布圖

從圖4中可以看出：

（1）有3個高能耗點（能耗占比>5%）對應(yīng)的能耗之和占整個NEDC工況的46.5%，如圖4所示，結(jié)合圖2，可知這3個點為勻速點，所對應(yīng)點的扭矩值都較小。

（2）在全NEDC工況轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，工況點都集中在4～40Nm之間；

（3）電機的高效區(qū)間應(yīng)分布在MAP圖的中高速低扭區(qū)。

圖5 CLTC工況能耗占比分布圖

從圖5中可以看出：

（1）有1個高能耗點（能耗占比>5%）對應(yīng)的能耗之和占整個CLTC工況的8.8%，結(jié)合圖5，可知這個點為速點，所對應(yīng)點的扭矩值都較小。

（2）在全CLTC工況轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，95%以上的工況點都集中在0～44Nm之間；

（3）電機的高效區(qū)間應(yīng)分布在MAP圖的中高速低扭區(qū)。

2.3 動力總成高效區(qū)間匹配特點

根據(jù)理論要求，本文最終目的需達到如下圖6所示效果，根據(jù)整車工況需求，調(diào)整電機，電控，減速器高效區(qū)間與整車工況需求區(qū)間高度重合，但實際設(shè)計中電控和減速器的高效區(qū)間平移很困難，電機高效區(qū)間平移從設(shè)計角度是可以進行調(diào)整，接下來我們主要討論電機高效區(qū)間的系統(tǒng)匹配。

圖6

2.4 電機高效區(qū)間分布特點

從常規(guī)電機的效率MAP圖中可以看出，電機效率會有一個集中的高效區(qū)間，而這個高效點的中心一般是電機的額定點。以這個高效區(qū)間為中心往四周，效率呈現(xiàn)下降。通過對銅耗、鐵耗分析，如圖7所示：在高扭矩區(qū)，銅耗占主要部分，且扭矩越大，銅耗占比越大；在高速區(qū)，鐵耗占主要部分，且速度越高鐵耗占比越大。

圖7 電機損耗分布趨勢圖

2.5 電機高效區(qū)間平移的設(shè)計方法

從以上的分析中可以得出，在滿足整車動力性要求的基礎(chǔ)上，要使得電機的高效區(qū)間平移，實際上就是通過改變電機的繞組、磁路參數(shù)來調(diào)整銅耗和鐵耗的占比。

如果需要高效區(qū)間在低速高扭段，即需要將銅耗設(shè)計的較低，根據(jù)銅耗理論計算公式I2R可知需要更低的繞組電阻值，或者提高轉(zhuǎn)子磁場來減小繞組電流，具體方法如下：

（1）采用集中繞組設(shè)計，縮短電機繞組端部長度，電機繞組電阻R更?。?/span>

（2）采用扁線繞組方案，或者其他提高槽滿率的工藝，使得繞組銅截面積更大，電機繞組電阻R更小；

（3）采用更大的定子槽設(shè)計，能夠放置更多的導體數(shù)，電機定子繞組電阻R更??；

（4）對于永磁電機適當提高永磁體牌號，或者增加極弧系數(shù)，都可以使轉(zhuǎn)子磁場增加，定子繞組需要的電流I減小。

如果需要高效區(qū)間在高速低扭段，即需要將鐵耗設(shè)計的較低，根據(jù)鐵耗理論計算公式[X]可知需要更低的損耗系數(shù)、磁密和頻率，具體方法如下：

（1）采用扁線繞組方案，或者其他提高槽滿率的工藝，使得相同繞組銅截面積需要的定子槽更小，定子磁密B可以減??；

（2）對于永磁電機適當降低永磁體牌號，或者減小極弧系數(shù)，都可以使轉(zhuǎn)子磁場降低，轉(zhuǎn)子磁密B更?。?/span>

（3）采用更低極對數(shù)的極槽配合，使得頻率f更小；

（4）采用更薄的沖片或者損耗系數(shù)更小的沖片牌號，使得K更小。

2.6 基于整車NEDC工況效率最優(yōu)的電機電磁方案優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)前面的整車要求，結(jié)合電機效率高效區(qū)間的分布及平移方法，我們提出了兩種電機設(shè)計方案，電機參數(shù)要求如表2所示：

表2 電機參數(shù)表

通過仿真分析得到兩個方案的電機效率MAP圖分別如圖8、9、10、11所示：

NEDC工況：

圖8方案一電機效率MAP圖分布圖

圖9方案二電機效率MAP圖分布

圖10方案一電機效率MAP圖分布圖（CLTC工況）            

圖11方案二電機效率MAP圖分布

根據(jù)能耗分析方法，我們計算出NEDC工況下方案一和方案二電機的平均效率分別如表3所示：

表3

通過對比分析NEDC、CLTC工況各點能耗在MAP中的投影，如圖8、9、10、11（藍色點所示，點越大越密代表能耗占比越高），可知方案一的高效區(qū)間與NEDC、CLTC工況能耗分部區(qū)吻合的較好，因此在NEDC、CLTC工況下電機的平均效率更高，這說明了由整車參數(shù)和設(shè)定工況推導出電機高效區(qū)間的分布的方法是準確的，為基于設(shè)定工況效率優(yōu)化匹配的動力總成設(shè)計提供了依據(jù)和方法。