動力電機(jī)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(fā)院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130013）

主題詞：NEV電機(jī) 工況效率 等效計(jì)算WLTC

1 總述

1.1 前言

隨著環(huán)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(chǎn)業(yè)的持續(xù)改善的目標(biāo)。伴隨傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)降油耗空間的逐漸縮小，新能源車成為汽車產(chǎn)業(yè)解決油耗問題的重要手段。根據(jù)油耗積分、新能源積分的管理辦法、新能源汽車補(bǔ)貼政策的規(guī)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(qū)動效率也是延長續(xù)駛里程最為經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)路徑。未來嚴(yán)格執(zhí)行油耗標(biāo)準(zhǔn)、雙積分等產(chǎn)業(yè)政策,并且適時轉(zhuǎn)化為碳交易機(jī)制增強(qiáng)汽車企業(yè)發(fā)展新能源汽車的內(nèi)生動力。隨著地方補(bǔ)貼的取消，國家補(bǔ)貼退坡，以安全、節(jié)能、環(huán)保為導(dǎo)向,加強(qiáng)安全運(yùn)行管理與服務(wù)，逐步取消對于續(xù)駛里程、能量密度等細(xì)節(jié)要求,把技術(shù)的決策權(quán)交給企業(yè),而讓市場選擇最合適的產(chǎn)品是產(chǎn)業(yè)化最終目標(biāo)。高效率是電動汽車節(jié)能環(huán)保標(biāo)簽的本質(zhì)屬性，也是未來電驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的堅(jiān)定不移的發(fā)展方向。電驅(qū)動系統(tǒng)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(shù)發(fā)展方向，而效率指標(biāo)是重中之重。

對于汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的效率評價，目前行業(yè)上主要以最高效率、高效區(qū)占比進(jìn)行評價，這2個技術(shù)指標(biāo)是站在電驅(qū)動總成自身的視角進(jìn)行評價，無法表征整車搭載后實(shí)際工況行駛的效率表現(xiàn)。在國家節(jié)能與新能源汽車電驅(qū)動技術(shù)路線圖編制過程中，權(quán)威專家們普遍提出行業(yè)迫切需要提出1種基于整車視角、反映整車工況循環(huán)行駛效率、等效的、簡化的、快速的、精度可接受的統(tǒng)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(jī)工作點(diǎn)主要集中在中、低負(fù)荷區(qū)域，電機(jī)的高效區(qū)并未得到充分利用，而電機(jī)常用工作點(diǎn)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(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)工況循環(huán)效率評價方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了電動汽車電驅(qū)動總成的工況循環(huán)效率評價方法。

1.2 方法總述

基于整車工況循環(huán)的電機(jī)綜合效率計(jì)算，在不同的應(yīng)用場合有不同的計(jì)算方法，如通過核算集成式電驅(qū)動系統(tǒng)需求機(jī)械能占比來優(yōu)化電機(jī)高效區(qū)[10]，該方法主要為找出NEDC工況循環(huán)中，電機(jī)機(jī)械能占比最高的工作點(diǎn)，并以此作為高效區(qū)設(shè)計(jì)的目標(biāo)區(qū)域。該方法同樣可以表征電機(jī)工作點(diǎn)效率與整車工況之間的關(guān)系，但未能直接反應(yīng)工作點(diǎn)效率優(yōu)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(tǒng)仿真模型，從而計(jì)算得到電機(jī)系統(tǒng)綜合效率[11]。該方法相對等效計(jì)算方法具有更好的計(jì)算精度，但未能直接反應(yīng)電機(jī)工作點(diǎn)效率對綜合效率的影響占比，不利于直觀識別需要進(jìn)行重點(diǎn)效率優(yōu)化的工作點(diǎn)。

本文所述的電機(jī)工況效率分析計(jì)算方法，是根據(jù)整車循環(huán)工況（CLTC/WLTC）下驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩?cái)?shù)據(jù)，按照區(qū)域能量分布統(tǒng)計(jì)分析的方式，進(jìn)行等效工況計(jì)算。輸出計(jì)算結(jié)果：等效工況點(diǎn)個數(shù)、等效工況點(diǎn)轉(zhuǎn)速、等效工況點(diǎn)轉(zhuǎn)矩和等效區(qū)域占比（能量占比）。最后，將大量工況點(diǎn)等效為有限個數(shù)的工作點(diǎn)，同時體現(xiàn)出每個等效點(diǎn)的權(quán)重，并可通過簡單數(shù)學(xué)計(jì)算得出等效的的工況綜合效率。該方法得出的等效數(shù)據(jù)，可直觀反應(yīng)出電機(jī)工作點(diǎn)與整車工況循環(huán)的關(guān)系，有利于確定電機(jī)效率優(yōu)化的目標(biāo)，同時，對工況效率計(jì)算過程進(jìn)行了簡化，方便進(jìn)行對比分析。

1.3 等效工況計(jì)算流程

按照圖1所示的等效工況（CLTC/WLTC）計(jì)算流程，進(jìn)行等效工況計(jì)算。

圖1 等效工況計(jì)算流程

2 計(jì)算原理

2.1 計(jì)算原理解析

等效工況基本原理是采取分塊能量占比統(tǒng)計(jì)的方式，把驅(qū)動電機(jī)工作連續(xù)循環(huán)等效成區(qū)域特征工況，等效轉(zhuǎn)速表征區(qū)域轉(zhuǎn)速特性，等效轉(zhuǎn)矩表征區(qū)域負(fù)荷特性，能量占比表征區(qū)域的權(quán)重。

圖2 等效分塊示意

2.1.1等效轉(zhuǎn)速

劃分工況區(qū)域后，對每個區(qū)域分別求解等效轉(zhuǎn)速；等效轉(zhuǎn)速為循環(huán)工況分布在本區(qū)的轉(zhuǎn)速平均值，其表達(dá)式如式（1）。

式中，ω為等效轉(zhuǎn)速；ωi區(qū)域內(nèi)i點(diǎn)的轉(zhuǎn)速；n某區(qū)域內(nèi)工況點(diǎn)數(shù)。

2.1.2 等效轉(zhuǎn)矩

對每個區(qū)域分別求解等效轉(zhuǎn)矩；等效轉(zhuǎn)矩為循環(huán)工況分布在本區(qū)的轉(zhuǎn)矩平均值，其表達(dá)式如式（2）。

式中，T為等效轉(zhuǎn)矩；Ti為區(qū)域內(nèi)i點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩；n某區(qū)域內(nèi)工況點(diǎn)數(shù)。

2.1.3 能量占比

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

式中，φj為區(qū)域能量占比；Ej為區(qū)域能量；k為劃分的區(qū)域數(shù)。

區(qū)域能量求解過程如下式（4）。

式中，Δt為循環(huán)工況數(shù)據(jù)采樣時間；ωi為區(qū)域內(nèi)i點(diǎn)的轉(zhuǎn)速；Ti為區(qū)域內(nèi)i點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩。

2.1.4 等效綜合計(jì)算（效率計(jì)算）

根據(jù)求解出的等效轉(zhuǎn)速、等效轉(zhuǎn)矩，查詢等效點(diǎn)效率，并依照式（5），式（6）求解等效工況效率。

式中，φj為區(qū)域能量占比；eff(j)為等效點(diǎn)效率；eff為等效綜合效率。

式中，eff(j)為利用j區(qū)域等效轉(zhuǎn)速ω和等效轉(zhuǎn)矩T查效率MAP得到。

2.2 計(jì)算原理解析

等效計(jì)算的精度與等效點(diǎn)個數(shù)和能量區(qū)域劃分相關(guān)，等效點(diǎn)個數(shù)越多等效精度越好。根據(jù)循環(huán)工況點(diǎn)分布情況進(jìn)行能量區(qū)域劃分是等效計(jì)算的關(guān)鍵，現(xiàn)階段基本按照等轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間和點(diǎn)密度分布2種方式進(jìn)行區(qū)域劃分。

2.2.1 等轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間

等轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間就是按照完整循環(huán)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分布范圍（例如：轉(zhuǎn)速區(qū)間0～10 000 r/min；轉(zhuǎn)矩區(qū)間0～100 N·m），進(jìn)行等轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間劃分（例如：按照2 000 r/min間隔和50 N·m分區(qū)），見圖3。

圖3 等轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間劃分

2.2.2 點(diǎn)密度分布劃分

點(diǎn)密度分布劃分就是對完整循環(huán)工況點(diǎn)分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，工況點(diǎn)分布集中區(qū)域進(jìn)行劃分；分布稀疏的區(qū)域進(jìn)行集中劃分或者是等轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩區(qū)間劃分，見圖4。

圖4 點(diǎn)密度劃分

3 計(jì)算案例

3.1 WLTC循環(huán)驅(qū)動區(qū)域等效9點(diǎn)

按照上述計(jì)算方法，將某電機(jī)在WLTC循環(huán)下的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行等效計(jì)算。圖5所示，可直觀看出等效出的9點(diǎn)在整個循環(huán)中的占比情況。

圖5 WLTC驅(qū)動區(qū)域9點(diǎn)等效

表1是等效計(jì)算后得出的具體數(shù)據(jù)，得出該WLTC循環(huán)下的等效循環(huán)效率為90.74%.

表1 WLTC驅(qū)動區(qū)域9點(diǎn)等效

3.2 WLTC循環(huán)驅(qū)動區(qū)域等效5點(diǎn)

將某電機(jī)在WLTC循環(huán)下的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行5點(diǎn)等效計(jì)算，等效5點(diǎn)的分布情況如圖6所示。

圖6 WLTC驅(qū)動區(qū)域5點(diǎn)等效

等效5點(diǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)如表2，得出該WLTC循環(huán)下的等效循環(huán)效率為90.75%.

表2 WLTC驅(qū)動區(qū)域5點(diǎn)等效

4 結(jié)論

所提出的電驅(qū)動總成等效工況循環(huán)效率評價方法能夠簡化、加速、精確整車性能開發(fā)；基于提出的等效方法計(jì)算結(jié)果分析，等效點(diǎn)個數(shù)越多，綜合效率絕對誤差越小。

基于國家法規(guī)即將實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)工況做算法精度分析，結(jié)果表明，WLTC驅(qū)動工況采用5個點(diǎn)即可保證等效效率誤差在±0.5%以內(nèi)，CLTC驅(qū)動工況采用8個點(diǎn)即可保證等效效率誤差在±0.5%以內(nèi)。

在電驅(qū)產(chǎn)品和技術(shù)開發(fā)過程中，可根據(jù)開發(fā)階段和目的的不同，采用差異化的等效點(diǎn)數(shù)進(jìn)行評價，以平衡精度和進(jìn)度的需求。