动力电机工况效率分析方法

赵慧超暴杰胡晶于拓舟刘建康

（1.中国第一汽车股份有限公司新能源开发院，长春130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春130013）

主题词：NEV电机 工况效率 等效计算WLTC

1 总述

1.1 前言

随着环境问题、能源问题的日益突出，汽车降油耗、降电耗成为全球汽车产业的持续改善的目标。伴随传统发动机降油耗空间的逐渐缩小，新能源车成为汽车产业解决油耗问题的重要手段。根据油耗积分、新能源积分的管理办法、新能源汽车补贴政策的规定和分析[1-7]，新能源车要打破“唯高里程论”，更要看重降油耗和电耗。而且降低能耗，提高驱动效率也是延长续驶里程最为经济合理的技术路径。未来严格执行油耗标准、双积分等产业政策,并且适时转化为碳交易机制增强汽车企业发展新能源汽车的内生动力。随着地方补贴的取消，国家补贴退坡，以安全、节能、环保为导向,加强安全运行管理与服务，逐步取消对于续驶里程、能量密度等细节要求,把技术的决策权交给企业,而让市场选择最合适的产品是产业化最终目标。高效率是电动汽车节能环保标签的本质属性，也是未来电驱动技术发展的坚定不移的发展方向。电驱动系统以高度集成、高效率、高功率密度、高安全等级、高性价比为技术发展方向，而效率指标是重中之重。

对于汽车电驱动系统的效率评价，目前行业上主要以最高效率、高效区占比进行评价，这2个技术指标是站在电驱动总成自身的视角进行评价，无法表征整车搭载后实际工况行驶的效率表现。在国家节能与新能源汽车电驱动技术路线图编制过程中，权威专家们普遍提出行业迫切需要提出1种基于整车视角、反映整车工况循环行驶效率、等效的、简化的、快速的、精度可接受的统一评价方法指引。近年来，有专家[8-10]提出在整车能耗分析时，电机工作点主要集中在中、低负荷区域，电机的高效区并未得到充分利用，而电机常用工作点的效率提升，更有助于整车能耗的降低。为此中国一汽基于在传统汽车发动机工况循环效率评价方面的实践经验，提出了电动汽车电驱动总成的工况循环效率评价方法。

1.2 方法总述

基于整车工况循环的电机综合效率计算，在不同的应用场合有不同的计算方法，如通过核算集成式电驱动系统需求机械能占比来优化电机高效区[10]，该方法主要为找出NEDC工况循环中，电机机械能占比最高的工作点，并以此作为高效区设计的目标区域。该方法同样可以表征电机工作点效率与整车工况之间的关系，但未能直接反应工作点效率优化后综合效率的变化情况。另外，也有方法利用MATLAB/Simulink建立纯电动汽车动力总成系统仿真模型，从而计算得到电机系统综合效率[11]。该方法相对等效计算方法具有更好的计算精度，但未能直接反应电机工作点效率对综合效率的影响占比，不利于直观识别需要进行重点效率优化的工作点。

本文所述的电机工况效率分析计算方法，是根据整车循环工况（CLTC/WLTC）下驱动电机的转速和扭矩数据，按照区域能量分布统计分析的方式，进行等效工况计算。输出计算结果：等效工况点个数、等效工况点转速、等效工况点转矩和等效区域占比（能量占比）。最后，将大量工况点等效为有限个数的工作点，同时体现出每个等效点的权重，并可通过简单数学计算得出等效的的工况综合效率。该方法得出的等效数据，可直观反应出电机工作点与整车工况循环的关系，有利于确定电机效率优化的目标，同时，对工况效率计算过程进行了简化，方便进行对比分析。

1.3 等效工况计算流程

按照图1所示的等效工况（CLTC/WLTC）计算流程，进行等效工况计算。

图1 等效工况计算流程

2 计算原理

2.1 计算原理解析

等效工况基本原理是采取分块能量占比统计的方式，把驱动电机工作连续循环等效成区域特征工况，等效转速表征区域转速特性，等效转矩表征区域负荷特性，能量占比表征区域的权重。

图2 等效分块示意

2.1.1等效转速

划分工况区域后，对每个区域分别求解等效转速；等效转速为循环工况分布在本区的转速平均值，其表达式如式（1）。

式中，ω为等效转速；ωi区域内i点的转速；n某区域内工况点数。

2.1.2 等效转矩

对每个区域分别求解等效转矩；等效转矩为循环工况分布在本区的转矩平均值，其表达式如式（2）。

式中，T为等效转矩；Ti为区域内i点的转矩；n某区域内工况点数。

2.1.3 能量占比

对每个区域的能量占比进行求解，能量占比为本区域的能量相对整个循环工况能量的权重其表示式如式（3）。

式中，φj为区域能量占比；Ej为区域能量；k为划分的区域数。

区域能量求解过程如下式（4）。

式中，Δt为循环工况数据采样时间；ωi为区域内i点的转速；Ti为区域内i点的转矩。

2.1.4 等效综合计算（效率计算）

根据求解出的等效转速、等效转矩，查询等效点效率，并依照式（5），式（6）求解等效工况效率。

式中，φj为区域能量占比；eff(j)为等效点效率；eff为等效综合效率。

式中，eff(j)为利用j区域等效转速ω和等效转矩T查效率MAP得到。

2.2 计算原理解析

等效计算的精度与等效点个数和能量区域划分相关，等效点个数越多等效精度越好。根据循环工况点分布情况进行能量区域划分是等效计算的关键，现阶段基本按照等转速、转矩区间和点密度分布2种方式进行区域划分。

2.2.1 等转速、转矩区间

等转速、转矩区间就是按照完整循环转速和转矩分布范围（例如：转速区间0～10 000 r/min；转矩区间0～100 N·m），进行等转速、转矩区间划分（例如：按照2 000 r/min间隔和50 N·m分区），见图3。

图3 等转速、转矩区间划分

2.2.2 点密度分布划分

点密度分布划分就是对完整循环工况点分布情况进行统计，工况点分布集中区域进行划分；分布稀疏的区域进行集中划分或者是等转速、转矩区间划分，见图4。

图4 点密度划分

3 计算案例

3.1 WLTC循环驱动区域等效9点

按照上述计算方法，将某电机在WLTC循环下的工况数据进行等效计算。图5所示，可直观看出等效出的9点在整个循环中的占比情况。

图5 WLTC驱动区域9点等效

表1是等效计算后得出的具体数据，得出该WLTC循环下的等效循环效率为90.74%.

表1 WLTC驱动区域9点等效

3.2 WLTC循环驱动区域等效5点

将某电机在WLTC循环下的工况数据进行5点等效计算，等效5点的分布情况如图6所示。

图6 WLTC驱动区域5点等效

等效5点的计算数据如表2，得出该WLTC循环下的等效循环效率为90.75%.

表2 WLTC驱动区域5点等效

4 结论

所提出的电驱动总成等效工况循环效率评价方法能够简化、加速、精确整车性能开发；基于提出的等效方法计算结果分析，等效点个数越多，综合效率绝对误差越小。

基于国家法规即将实施的标准工况做算法精度分析，结果表明，WLTC驱动工况采用5个点即可保证等效效率误差在±0.5%以内，CLTC驱动工况采用8个点即可保证等效效率误差在±0.5%以内。

在电驱产品和技术开发过程中，可根据开发阶段和目的的不同，采用差异化的等效点数进行评价，以平衡精度和进度的需求。