電動(dòng)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(dòng)力總成模塊的應(yīng)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(jī)等產(chǎn)品進(jìn)行了技術(shù)改良，以便為用戶提供性能優(yōu)越的零部件和系統(tǒng)。同時(shí)，博格華納公司開發(fā)出了1個(gè)功能全面的電動(dòng)力總成平臺(tái)，以滿足用戶的需求。

電動(dòng)力總成;電機(jī);功率電子器件

0 前言

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

該項(xiàng)要求在電動(dòng)力總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中起著決定性的作用，并且須滿足ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。為滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，研究人員不僅要高度謹(jǐn)慎，也應(yīng)確保達(dá)成OEM方面的要求。同時(shí)，研究人員必須了解汽車系統(tǒng)零部件對其運(yùn)行過程所起到的作用。因此，富有經(jīng)驗(yàn)的高水平團(tuán)隊(duì)對開發(fā)過程起著決定性作用，不僅要滿足用戶需求，還應(yīng)滿足技術(shù)要求。

整車功率的優(yōu)化過程涉及到汽車動(dòng)力學(xué)，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(zhì)量和車輪直徑相組合，以此來計(jì)算整車所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速。

研究人員需要充分了解汽車結(jié)構(gòu)等方面的知識(shí)，以便能根據(jù)電動(dòng)力總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的車輪扭矩和車輪轉(zhuǎn)速。在P0或P1系統(tǒng)中，電動(dòng)力總成系統(tǒng)依然會(huì)與內(nèi)燃機(jī)協(xié)同運(yùn)作（圖1）。在采用了P2、P3及P4等系統(tǒng)的車型上，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器可以完全分離，整車從而能實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)。博格華納公司能為每種架構(gòu)提供多種選擇方案，部分產(chǎn)品如圖2所示。本文主要討論P(yáng)4混合動(dòng)力和純電動(dòng)架構(gòu)型式。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在研究人員確定了關(guān)于汽車的技術(shù)要求之后，后續(xù)步驟通過確定每個(gè)子系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)來優(yōu)化動(dòng)力總成系統(tǒng)。本文重點(diǎn)探討集成式驅(qū)動(dòng)模塊（iDM）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程。該驅(qū)動(dòng)模塊由3個(gè)子系統(tǒng)組成：變速器、電機(jī)和功率電子器件（圖3）。

該驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以宏觀和微觀層面上的幾個(gè)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)優(yōu)化的目的而對微觀參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

此外，研究人員還可直接從汽車技術(shù)參數(shù)中推導(dǎo)出其他標(biāo)準(zhǔn)，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(qū)動(dòng)模塊的子系統(tǒng)推導(dǎo)出來（圖4），在該條件下車輪扭矩就會(huì)轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)矩再轉(zhuǎn)換成電機(jī)電流。

2 變速器

如果研究人員需要使用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可對變速器的級數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。雖然直接驅(qū)動(dòng)方式在理論上可行，但實(shí)際上對于大多數(shù)車型而言，在該條件下按照需求所設(shè)計(jì)出的電機(jī)會(huì)出現(xiàn)尺寸過大的現(xiàn)象。雖然通過進(jìn)一步優(yōu)化，研究人員妥善解決了電機(jī)位置的問題，但是由此會(huì)使系統(tǒng)成本過于高昂，同時(shí)使設(shè)計(jì)方案過于復(fù)雜，并且不會(huì)涉及到常規(guī)結(jié)構(gòu)。

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(jī)提出了較高的要求，因?yàn)殡姍C(jī)必須按最大轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩檔或多檔變速器則具有較高的技術(shù)吸引力，由此能降低整車所需要的最大扭矩和最高轉(zhuǎn)速，從而也減小了電機(jī)的尺寸。在該情況下，研究人員必須考慮到多采用幾種傳動(dòng)比對扭矩和轉(zhuǎn)速會(huì)更為有利，但在該情況下所需要的峰值功率并不會(huì)因此而減小。

當(dāng)選用了多檔變速器時(shí)，研究人員還必須對較高的成本進(jìn)行權(quán)衡。由于選用附加的檔位、離合器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)使成本增加，同時(shí)上述附加的零部件還增加了系統(tǒng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸，因此在采用了常規(guī)換檔零件的情況下會(huì)降低系統(tǒng)效率。

3 電機(jī)

研究人員在選擇電機(jī)作為動(dòng)力總成系統(tǒng)的子系統(tǒng)時(shí)，具有多種備選方案。如圖5所示，不同的電機(jī)類型具有不同的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，但在汽車驅(qū)動(dòng)范圍內(nèi)的應(yīng)用共有永磁式同步電機(jī)（PSM）和三相異步電機(jī)（DASM）2種型式。

PSM能提供良好的轉(zhuǎn)矩密度。該類電機(jī)采用了功能強(qiáng)勁的銣鐵硼（NdFeB）磁鐵，可為轉(zhuǎn)子提供磁通，而在定子中尚無磁環(huán)流。在該應(yīng)用場合中的永磁鐵有利于改善低轉(zhuǎn)速工況下的運(yùn)行過程，但由于磁鐵無法斷開，在電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)必定會(huì)與定子磁場方向相反的電流發(fā)生感應(yīng)，由此限制了線圈中的感應(yīng)電壓。這種附加電流會(huì)導(dǎo)致阻抗損失，其與轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生并無直接聯(lián)系，并且會(huì)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(zhuǎn)子中產(chǎn)生磁通，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。這種對磁化電流的需求使得定子線圈和轉(zhuǎn)子繞組中的功率損失通常會(huì)比PSM更低，但在轉(zhuǎn)速提高時(shí)，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(huì)增加。由于電流強(qiáng)度較低且功率損失較少，DASM在高轉(zhuǎn)速時(shí)的效率往往比PSM更高。值得注意的是，通常異步電機(jī)在車速較高的情況下會(huì)具有較高的效率和較小的轉(zhuǎn)矩，并有利于高速公路上的行駛過程。在車速較低和轉(zhuǎn)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(yīng)在2種電機(jī)技術(shù)之間進(jìn)行選擇，以便采用最合適的電機(jī)類型。

關(guān)于線圈最重要的1項(xiàng)優(yōu)化是對導(dǎo)線的選擇。將圓導(dǎo)線安裝在定子中有利于降低成本，但會(huì)使定子中可用導(dǎo)線槽的填充度相對較差，并且會(huì)使熱特性惡化。對高功率電機(jī)較為有利的選擇方案是使用矩形導(dǎo)線。通過該項(xiàng)舉措，電機(jī)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(jī)選用了矩形導(dǎo)線，并應(yīng)用了具有專利權(quán)的S形繞組技術(shù)（圖6）。

4 功率電子器件

電機(jī)的型式和設(shè)計(jì)特點(diǎn)以諸多方式影響了功率電子器件的技術(shù)參數(shù)，其中1項(xiàng)重要參數(shù)是電機(jī)的磁極數(shù)。通常，較多的磁極數(shù)會(huì)提高轉(zhuǎn)矩密度，但是也會(huì)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(diào)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(qiáng)度的基礎(chǔ)頻率高出數(shù)倍。通過舉例說明，如果電機(jī)電流的最大基礎(chǔ)頻率為1 kHz，則PWM開關(guān)頻率通常要達(dá)到10 kHz。在配備有12個(gè)磁極的電機(jī)上，基礎(chǔ)頻率為1 kHz時(shí)的轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，而具有8個(gè)磁極的電機(jī)的轉(zhuǎn)速則為15 000 r/min。如果要將電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速提高到20 000 r/min，采用具有12個(gè)磁極的設(shè)計(jì)方案就能夠減小電機(jī)的尺寸和質(zhì)量。此時(shí)，變流器的PWM頻率就必須提高到20 kHz，因此功率開關(guān)中的開關(guān)損失將增加100%，變流器的效率也會(huì)相應(yīng)降低。此外，功率電子器件的運(yùn)行溫度也會(huì)升高，其使用壽命就會(huì)相應(yīng)縮短。采用6級調(diào)制等方法能有效降低開關(guān)損失，并提高電機(jī)在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩，但是該方案在具有上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，會(huì)提高發(fā)電機(jī)電流的諧波振蕩，使振動(dòng)-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(shè)備也可能會(huì)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(dāng)確定出現(xiàn)的故障與勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)的DASM需要切斷功率級時(shí)，需要斷開所有的功率級開關(guān)，隨后在數(shù)百毫秒內(nèi)，轉(zhuǎn)子中的磁通就會(huì)減少，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，并且定子線圈中的感應(yīng)電壓會(huì)降至更低的水平。與此同時(shí)，在PSM中會(huì)持續(xù)產(chǎn)生磁通，在高轉(zhuǎn)速時(shí)如DASM等變流器的功率級開關(guān)容易出現(xiàn)斷開現(xiàn)象，在定子中產(chǎn)生的電壓會(huì)超出蓄電池電壓，電機(jī)會(huì)變得難以控制，由此產(chǎn)生較大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩并作用于車輪上，從而出現(xiàn)一系列危險(xiǎn)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(guān)以阻止電流流動(dòng)。由于定子線圈中產(chǎn)生的電壓會(huì)明顯提高變流器中間回路的電壓，因此會(huì)損壞變流器或其他子系統(tǒng)中與中間回路高電壓相關(guān)的元器件，如蓄電池充電設(shè)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(huì)優(yōu)先使用主動(dòng)短路（AKS）方案，此時(shí)電機(jī)的連接導(dǎo)線會(huì)借助于變流器的功率級實(shí)現(xiàn)短接，以防止電壓過高時(shí)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(yīng)損壞電機(jī)及變流器中的磁鐵，并且在主動(dòng)短接時(shí)作用于車輪上的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩需要減小到可接受的程度。

變流器的首要任務(wù)是以最小的損失調(diào)節(jié)蓄電池與電機(jī)之間的電流。在使用半導(dǎo)體開關(guān)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(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Mosfet）。兩者在市場上的應(yīng)用日益廣泛，并且具有諸多優(yōu)勢。這2類晶體管開關(guān)迅速，充分改善了所有的負(fù)荷工況點(diǎn)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(shí)的變流器損失。部分負(fù)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(yàn)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(shè)計(jì)具有較好效果，因此能減小變流器的尺寸和質(zhì)量，而且較小的損失能相應(yīng)減小汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的尺寸，從而能減小質(zhì)量和空間。采用該類材料的另1項(xiàng)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(dòng)力學(xué)，而且還能降低流動(dòng)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(xiàng)重要優(yōu)勢，能用于補(bǔ)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(dǎo)體開關(guān)。電容器功率主要取決于蓄電池電壓和電機(jī)電流。目前得出的1項(xiàng)結(jié)論是，針對電機(jī)的最優(yōu)解決方案是通過最少的電量產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和相似轉(zhuǎn)速的不同電機(jī)進(jìn)行了比較。電機(jī)A需要最小的電流，但是具有較高的成本，因?yàn)槠湫枰入姍C(jī)C多50%的NdFeB磁鐵。電機(jī)B具有最小的磁鐵容量，但是電流卻比電機(jī)A高出142%，而且其在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的功率較低。電機(jī)C需要的電流是電機(jī)A的118%，但是其性能補(bǔ)償了磁鐵和變流器的成本，并且具有最高的性價(jià)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?yàn)樵撨^程主要依賴于目標(biāo)設(shè)定和試驗(yàn)方式。研究人員對理想的iDM的行駛功率進(jìn)行了優(yōu)化。通過設(shè)定，電機(jī)可在盡可能小的結(jié)構(gòu)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(shí)際設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化上述目標(biāo)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(huì)選用配備較大銅線圈的電機(jī)，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(dǎo)體開關(guān)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(biāo)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?yàn)槠鋵ζ渌匦詤?shù)可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面效果。研究人員為了得到最佳方案，每項(xiàng)重要設(shè)計(jì)方案都必須按照不同權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)限制予以重新評價(jià)。

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(gè)子系統(tǒng)的組合，生成具有可行性的設(shè)計(jì)方案。研究人員按照技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對其予以評估，隨后與開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行比較。

通過對每個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行整體評價(jià)，并使用如遺傳算法和物理優(yōu)化等多種技術(shù)，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案。上述方案不僅需要進(jìn)行充分優(yōu)化，而且還應(yīng)實(shí)現(xiàn)模塊化，以滿足不同用戶的多種需求。

6 結(jié)語

博格華納公司旗下的研究人員對電動(dòng)力總成系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的相關(guān)性及相互作用進(jìn)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(shí)需求的產(chǎn)品。

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2020，81（12）

伍賽特 編輯

（收稿時(shí)間：2020-12-22）