電動力總成系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化......

P.BARRASS S.STOVER D.FULTON

出于降低CO2和顆粒排放的要求，電動力總成模塊的應用日益廣泛。在該情況下，博格華納公司對功率電子器件、變速器和電機等產(chǎn)品進行了技術改良，以便為用戶提供性能優(yōu)越的零部件和系統(tǒng)。同時，博格華納公司開發(fā)出了1個功能全面的電動力總成平臺，以滿足用戶的需求。

電動力總成;電機;功率電子器件

0 前言

為了開發(fā)出性能優(yōu)越的動力總成系統(tǒng)，研究人員需要深入了解用戶對汽車的技術需求。通過對原始設備制造商（OEM）的要求逐步具體化，研究人員能進一步優(yōu)化產(chǎn)品。如果要對開發(fā)要求進行全面了解，研究人員只需要通過協(xié)調OEM開發(fā)團隊與零部件供應商之間的合作過程，就能實現(xiàn)該目標。

該項要求在電動力總成系統(tǒng)設計過程中起著決定性的作用，并且須滿足ISO 26262標準。為滿足上述標準，研究人員不僅要高度謹慎，也應確保達成OEM方面的要求。同時，研究人員必須了解汽車系統(tǒng)零部件對其運行過程所起到的作用。因此，富有經(jīng)驗的高水平團隊對開發(fā)過程起著決定性作用，不僅要滿足用戶需求，還應滿足技術要求。

整車功率的優(yōu)化過程涉及到汽車動力學，特別是最高車速、加速性及最大爬坡角度等參數(shù)。上述參數(shù)可與汽車質量和車輪直徑相組合，以此來計算整車所需要的扭矩和轉速。

研究人員需要充分了解汽車結構等方面的知識，以便能根據(jù)電動力總成系統(tǒng)設計出相應的車輪扭矩和車輪轉速。在P0或P1系統(tǒng)中，電動力總成系統(tǒng)依然會與內燃機協(xié)同運作（圖1）。在采用了P2、P3及P4等系統(tǒng)的車型上，發(fā)動機與變速器可以完全分離，整車從而能實現(xiàn)純電驅動。博格華納公司能為每種架構提供多種選擇方案，部分產(chǎn)品如圖2所示。本文主要討論P4混合動力和純電動架構型式。

1 系統(tǒng)設計

在研究人員確定了關于汽車的技術要求之后，后續(xù)步驟通過確定每個子系統(tǒng)的重要設計參數(shù)來優(yōu)化動力總成系統(tǒng)。本文重點探討集成式驅動模塊（iDM）的結構設計優(yōu)化過程。該驅動模塊由3個子系統(tǒng)組成：變速器、電機和功率電子器件（圖3）。

該驅動模塊的結構設計方案以宏觀和微觀層面上的幾個參數(shù)為前提條件，表1列舉出了其中的部分參數(shù)。宏觀參數(shù)是重要的設計依據(jù)，在優(yōu)化過程中，研究人員可根據(jù)不同場景采取不同對策，可以隨即界定宏觀參數(shù)，并出于實現(xiàn)優(yōu)化的目的而對微觀參數(shù)進行調整。

此外，研究人員還可直接從汽車技術參數(shù)中推導出其他標準，例如必要的車輪扭矩和蓄電池電壓。其中，某些數(shù)值可由驅動模塊的子系統(tǒng)推導出來（圖4），在該條件下車輪扭矩就會轉換成電機轉矩，電機轉矩再轉換成電機電流。

2 變速器

如果研究人員需要使用傳動機構，可對變速器的級數(shù)進行優(yōu)化。雖然直接驅動方式在理論上可行，但實際上對于大多數(shù)車型而言，在該條件下按照需求所設計出的電機會出現(xiàn)尺寸過大的現(xiàn)象。雖然通過進一步優(yōu)化，研究人員妥善解決了電機位置的問題，但是由此會使系統(tǒng)成本過于高昂，同時使設計方案過于復雜，并且不會涉及到常規(guī)結構。

采用單級變速器是成本最低且效率最高的方案，但是由此也對電機提出了較高的要求，因為電機必須按最大轉矩和最高轉速進行設計。兩檔或多檔變速器則具有較高的技術吸引力，由此能降低整車所需要的最大扭矩和最高轉速，從而也減小了電機的尺寸。在該情況下，研究人員必須考慮到多采用幾種傳動比對扭矩和轉速會更為有利，但在該情況下所需要的峰值功率并不會因此而減小。

當選用了多檔變速器時，研究人員還必須對較高的成本進行權衡。由于選用附加的檔位、離合器和執(zhí)行機構會使成本增加，同時上述附加的零部件還增加了系統(tǒng)質量和結構尺寸，因此在采用了常規(guī)換檔零件的情況下會降低系統(tǒng)效率。

3 電機

研究人員在選擇電機作為動力總成系統(tǒng)的子系統(tǒng)時，具有多種備選方案。如圖5所示，不同的電機類型具有不同的設計細節(jié)，但在汽車驅動范圍內的應用共有永磁式同步電機（PSM）和三相異步電機（DASM）2種型式。

PSM能提供良好的轉矩密度。該類電機采用了功能強勁的銣鐵硼（NdFeB）磁鐵，可為轉子提供磁通，而在定子中尚無磁環(huán)流。在該應用場合中的永磁鐵有利于改善低轉速工況下的運行過程，但由于磁鐵無法斷開，在電機轉速升高時必定會與定子磁場方向相反的電流發(fā)生感應，由此限制了線圈中的感應電壓。這種附加電流會導致阻抗損失，其與轉矩的產(chǎn)生并無直接聯(lián)系，并且會對效率產(chǎn)生不利影響。

DASM并未采用永磁鐵，定子線圈必須流過電流，以便在轉子中產(chǎn)生磁通，轉子可通過DASM產(chǎn)生電流，并在與定子磁通的相互作用中產(chǎn)生轉矩。這種對磁化電流的需求使得定子線圈和轉子繞組中的功率損失通常會比PSM更低，但在轉速提高時，研究人員通過將磁化電流減小到所期望的水平，由此能繼續(xù)保持DASM的定子電壓，而PSM中的功率損失必然會增加。由于電流強度較低且功率損失較少，DASM在高轉速時的效率往往比PSM更高。值得注意的是，通常異步電機在車速較高的情況下會具有較高的效率和較小的轉矩，并有利于高速公路上的行駛過程。在車速較低和轉矩中等的工況下，PSM在效率方面具有優(yōu)勢，在市區(qū)中的行駛過程也面臨著同樣的情況。因此，研究人員應在2種電機技術之間進行選擇，以便采用最合適的電機類型。

關于線圈最重要的1項優(yōu)化是對導線的選擇。將圓導線安裝在定子中有利于降低成本，但會使定子中可用導線槽的填充度相對較差，并且會使熱特性惡化。對高功率電機較為有利的選擇方案是使用矩形導線。通過該項舉措，電機不僅能獲得較高的充填系數(shù)，而且具有較好的熱功率。自2005年以來，博格華納公司旗下的研究人員為其高電壓馬蹄形（HVH）電機選用了矩形導線，并應用了具有專利權的S形繞組技術（圖6）。

4 功率電子器件

電機的型式和設計特點以諸多方式影響了功率電子器件的技術參數(shù)，其中1項重要參數(shù)是電機的磁極數(shù)。通常，較多的磁極數(shù)會提高轉矩密度，但是也會對變流器和系統(tǒng)效率產(chǎn)生不利的影響。變流器借助于脈寬調制（PWM），從蓄電池直流電中產(chǎn)生正弦形交流電。為了產(chǎn)生等值的電流波形，PWM頻率必須比所期望的電流強度的基礎頻率高出數(shù)倍。通過舉例說明，如果電機電流的最大基礎頻率為1 kHz，則PWM開關頻率通常要達到10 kHz。在配備有12個磁極的電機上，基礎頻率為1 kHz時的轉速為10 000 r/min，而具有8個磁極的電機的轉速則為15 000 r/min。如果要將電機的最高轉速提高到20 000 r/min，采用具有12個磁極的設計方案就能夠減小電機的尺寸和質量。此時，變流器的PWM頻率就必須提高到20 kHz，因此功率開關中的開關損失將增加100%，變流器的效率也會相應降低。此外，功率電子器件的運行溫度也會升高，其使用壽命就會相應縮短。采用6級調制等方法能有效降低開關損失，并提高電機在高轉速范圍內的轉矩，但是該方案在具有上述優(yōu)點的同時，會提高發(fā)電機電流的諧波振蕩，使振動-噪聲-平順性（NVH）惡化，并需要配備更大的中間回路電容器。

研究人員考慮到功能的安全性，以及正常的設備也可能會出現(xiàn)故障的情況，PSM及DASM的選擇對變流器和系統(tǒng)特性具有重大影響。當確定出現(xiàn)的故障與勵磁旋轉的DASM需要切斷功率級時，需要斷開所有的功率級開關，隨后在數(shù)百毫秒內，轉子中的磁通就會減少，不產(chǎn)生轉矩，并且定子線圈中的感應電壓會降至更低的水平。與此同時，在PSM中會持續(xù)產(chǎn)生磁通，在高轉速時如DASM等變流器的功率級開關容易出現(xiàn)斷開現(xiàn)象，在定子中產(chǎn)生的電壓會超出蓄電池電壓，電機會變得難以控制，由此產(chǎn)生較大的制動轉矩并作用于車輪上，從而出現(xiàn)一系列危險狀況。

針對該問題的解決方案是打開蓄電池與變流器之間的開關以阻止電流流動。由于定子線圈中產(chǎn)生的電壓會明顯提高變流器中間回路的電壓，因此會損壞變流器或其他子系統(tǒng)中與中間回路高電壓相關的元器件，如蓄電池充電設備或直流-直流（DC-DC）變壓器。為了防止出現(xiàn)該類情況，研究人員通常會優(yōu)先使用主動短路（AKS）方案，此時電機的連接導線會借助于變流器的功率級實現(xiàn)短接，以防止電壓過高時出現(xiàn)損壞，并且避免上述現(xiàn)象反饋到蓄電池。研究人員需要注意的是，峰值短路電流不應損壞電機及變流器中的磁鐵，并且在主動短接時作用于車輪上的制動轉矩需要減小到可接受的程度。

變流器的首要任務是以最小的損失調節(jié)蓄電池與電機之間的電流。在使用半導體開關的情況下，大多數(shù)涉及到帶有絕緣柵電極的IGBT或SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管（Mosfet）。兩者在市場上的應用日益廣泛，并且具有諸多優(yōu)勢。這2類晶體管開關迅速，充分改善了所有的負荷工況點下變流器的效率。2類晶體管的流通特性呈線性，有效降低了電流較小時的變流器損失。部分負荷工況下的變流器效率較高，有利于全球統(tǒng)一的輕型車試驗規(guī)范（WLTP）工況下的行駛循環(huán)（圖7）。

SiC功率級損失較小且效率較高，其對汽車和系統(tǒng)設計具有較好效果，因此能減小變流器的尺寸和質量，而且較小的損失能相應減小汽車冷卻系統(tǒng)的尺寸，從而能減小質量和空間。采用該類材料的另1項優(yōu)勢是能減少通過冷卻器的空氣流量，不僅能改善空氣動力學，而且還能降低流動阻力系數(shù)，其組合效果可使具有相同功率的汽車行駛更長的里程。此外，該材料還具有1項重要優(yōu)勢，能用于補償SiC基變流器較高的成本。

中間回路電容器是電壓中間回路變流器功率級中的重要元件。通過該元件，系統(tǒng)能迅速而有效地操縱功率半導體開關。電容器功率主要取決于蓄電池電壓和電機電流。目前得出的1項結論是，針對電機的最優(yōu)解決方案是通過最少的電量產(chǎn)生最大的轉矩，但該類情況并未完全得到證明，如圖8所示。該圖對具有較小轉矩和相似轉速的不同電機進行了比較。電機A需要最小的電流，但是具有較高的成本，因為其需要比電機C多50%的NdFeB磁鐵。電機B具有最小的磁鐵容量，但是電流卻比電機A高出142%，而且其在高轉速范圍內的功率較低。電機C需要的電流是電機A的118%，但是其性能補償了磁鐵和變流器的成本，并且具有最高的性價比。

5 系統(tǒng)優(yōu)化

研究人員通常需要為產(chǎn)品確定最佳方案，因為該過程主要依賴于目標設定和試驗方式。研究人員對理想的iDM的行駛功率進行了優(yōu)化。通過設定，電機可在盡可能小的結構空間和盡可能低的成本條件下獲得盡可能長的蓄電池行駛里程。在實際設計過程中，優(yōu)化上述目標中的大部分參數(shù)存在著相互矛盾的情況，因此研究人員一般會選用配備較大銅線圈的電機，以提供較高的效率，但是為此也需要較大的布置空間。與此相似，雖然帶有SiC半導體開關的功率電子器件效率較高，但是其成本也更為昂貴。上述相互矛盾的目標同樣意味著系統(tǒng)不能僅通過唯一的參數(shù)予以優(yōu)化，因為其對其他特性參數(shù)可能會產(chǎn)生負面效果。研究人員為了得到最佳方案，每項重要設計方案都必須按照不同權重標準及相關限制予以重新評價。

圖9示出了優(yōu)化流程圖，其中包括對汽車和用戶的要求。通過每個子系統(tǒng)的組合，生成具有可行性的設計方案。研究人員按照技術和經(jīng)濟指標對其予以評估，隨后與開發(fā)目標進行比較。

通過對每個設計方案進行整體評價，并使用如遺傳算法和物理優(yōu)化等多種技術，優(yōu)化后的設計方案更為完美。研究人員可通過為眾多汽車參數(shù)選配合適的算法，由此獲得一系列設計方案。上述方案不僅需要進行充分優(yōu)化，而且還應實現(xiàn)模塊化，以滿足不同用戶的多種需求。

6 結語

博格華納公司旗下的研究人員對電動力總成系統(tǒng)內部復雜的相關性及相互作用進行了充分研究。雖然目前并不存在完美無瑕的系統(tǒng)，但是通過充分了解用戶的意愿，博格華納公司可以開發(fā)出滿足用戶真實需求的產(chǎn)品。

[1]IHS VPaC vehicles US 2019 H1 Database[DB]. IHS Markit Autoinsight，2019.

[2]PESCE F C，VASSALLO A，BEATRICE C，et al. Exceeding 100 kW/l milestone： the next step towards defining high-performance diesel engines[C]. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik，Aachen，2016（25）.

[3]WICKMAN D，DIWAKAR R，CHANG， S. Low emission diesel piston：US，7389764[P]. 2008-06- 24.

[4]DEPPENKEMPER K，EHRLY M，SCHOENEN M，et al. Super ultra-low NOx? emissions under extended RDE conditions-evaluation of light-off strategies of advanced diesel exhaust aftertreatment systems[C]. SAE Technical Paper，2019-01-0742.

[5]MERCURI D，POZZI C，NAT G，et al. Multi-After injection strategy to optimize exhaust gases temperature and combustion stability in diesel engine[C]. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik，Aachen，2014（24）.

范明強 譯自 MTZ，2020，81（12）

伍賽特 編輯

（收稿時間：2020-12-22）