电动力总成系统的开发和优化......

P.BARRASS S.STOVER D.FULTON

出于降低CO2和颗粒排放的要求，电动力总成模块的应用日益广泛。在该情况下，博格华纳公司对功率电子器件、变速器和电机等产品进行了技术改良，以便为用户提供性能优越的零部件和系统。同时，博格华纳公司开发出了1个功能全面的电动力总成平台，以满足用户的需求。

电动力总成;电机;功率电子器件

0 前言

为了开发出性能优越的动力总成系统，研究人员需要深入了解用户对汽车的技术需求。通过对原始设备制造商（OEM）的要求逐步具体化，研究人员能进一步优化产品。如果要对开发要求进行全面了解，研究人员只需要通过协调OEM开发团队与零部件供应商之间的合作过程，就能实现该目标。

该项要求在电动力总成系统设计过程中起着决定性的作用，并且须满足ISO 26262标准。为满足上述标准，研究人员不仅要高度谨慎，也应确保达成OEM方面的要求。同时，研究人员必须了解汽车系统零部件对其运行过程所起到的作用。因此，富有经验的高水平团队对开发过程起着决定性作用，不仅要满足用户需求，还应满足技术要求。

整車功率的优化过程涉及到汽车动力学，特别是最高车速、加速性及最大爬坡角度等参数。上述参数可与汽车质量和车轮直径相组合，以此来计算整车所需要的扭矩和转速。

研究人员需要充分了解汽车结构等方面的知识，以便能根据电动力总成系统设计出相应的车轮扭矩和车轮转速。在P0或P1系统中，电动力总成系统依然会与内燃机协同运作（图1）。在采用了P2、P3及P4等系统的车型上，发动机与变速器可以完全分离，整车从而能实现纯电驱动。博格华纳公司能为每种架构提供多种选择方案，部分产品如图2所示。本文主要讨论P4混合动力和纯电动架构型式。

1 系统设计

在研究人员确定了关于汽车的技术要求之后，后续步骤通过确定每个子系统的重要设计参数来优化动力总成系统。本文重点探讨集成式驱动模块（iDM）的结构设计优化过程。该驱动模块由3个子系统组成：变速器、电机和功率电子器件（图3）。

该驱动模块的结构设计方案以宏观和微观层面上的几个参数为前提条件，表1列举出了其中的部分参数。宏观参数是重要的设计依据，在优化过程中，研究人员可根据不同场景采取不同对策，可以随即界定宏观参数，并出于实现优化的目的而对微观参数进行调整。

此外，研究人员还可直接从汽车技术参数中推导出其他标准，例如必要的车轮扭矩和蓄电池电压。其中，某些数值可由驱动模块的子系统推导出来（图4），在该条件下车轮扭矩就会转换成电机转矩，电机转矩再转换成电机电流。

2 变速器

如果研究人员需要使用传动机构，可对变速器的级数进行优化。虽然直接驱动方式在理论上可行，但实际上对于大多数车型而言，在该条件下按照需求所设计出的电机会出现尺寸过大的现象。虽然通过进一步优化，研究人员妥善解决了电机位置的问题，但是由此会使系统成本过于高昂，同时使设计方案过于复杂，并且不会涉及到常规结构。

采用单级变速器是成本最低且效率最高的方案，但是由此也对电机提出了较高的要求，因为电机必须按最大转矩和最高转速进行设计。两档或多档变速器则具有较高的技术吸引力，由此能降低整车所需要的最大扭矩和最高转速，从而也减小了电机的尺寸。在该情况下，研究人员必须考虑到多采用几种传动比对扭矩和转速会更为有利，但在该情况下所需要的峰值功率并不会因此而减小。

当选用了多档变速器时，研究人员还必须对较高的成本进行权衡。由于选用附加的档位、离合器和执行机构会使成本增加，同时上述附加的零部件还增加了系统质量和结构尺寸，因此在采用了常规换档零件的情况下会降低系统效率。

3 电机

研究人员在选择电机作为动力总成系统的子系统时，具有多种备选方案。如图5所示，不同的电机类型具有不同的设计细节，但在汽车驱动范围内的应用共有永磁式同步电机（PSM）和三相异步电机（DASM）2种型式。

PSM能提供良好的转矩密度。该类电机采用了功能强劲的铷铁硼（NdFeB）磁铁，可为转子提供磁通，而在定子中尚无磁环流。在该应用场合中的永磁铁有利于改善低转速工况下的运行过程，但由于磁铁无法断开，在电机转速升高时必定会与定子磁场方向相反的电流发生感应，由此限制了线圈中的感应电压。这种附加电流会导致阻抗损失，其与转矩的产生并无直接联系，并且会对效率产生不利影响。

DASM并未采用永磁铁，定子线圈必须流过电流，以便在转子中产生磁通，转子可通过DASM产生电流，并在与定子磁通的相互作用中产生转矩。这种对磁化电流的需求使得定子线圈和转子绕组中的功率损失通常会比PSM更低，但在转速提高时，研究人员通过将磁化电流减小到所期望的水平，由此能继续保持DASM的定子电压，而PSM中的功率损失必然会增加。由于电流强度较低且功率损失较少，DASM在高转速时的效率往往比PSM更高。值得注意的是，通常异步电机在车速较高的情况下会具有较高的效率和较小的转矩，并有利于高速公路上的行驶过程。在车速较低和转矩中等的工况下，PSM在效率方面具有优势，在市区中的行驶过程也面临着同样的情况。因此，研究人员应在2种电机技术之间进行选择，以便采用最合适的电机类型。

关于线圈最重要的1项优化是对导线的选择。将圆导线安装在定子中有利于降低成本，但会使定子中可用导线槽的填充度相对较差，并且会使热特性恶化。对高功率电机较为有利的选择方案是使用矩形导线。通过该项举措，电机不仅能获得较高的充填系数，而且具有较好的热功率。自2005年以来，博格华纳公司旗下的研究人员为其高电压马蹄形（HVH）电机选用了矩形导线，并应用了具有专利权的S形绕组技术（图6）。

4 功率电子器件

电机的型式和设计特点以诸多方式影响了功率电子器件的技术参数，其中1项重要参数是电机的磁极数。通常，较多的磁极数会提高转矩密度，但是也会对变流器和系统效率产生不利的影响。变流器借助于脉宽调制（PWM），从蓄电池直流电中产生正弦形交流电。为了产生等值的电流波形，PWM频率必须比所期望的电流强度的基础频率高出数倍。通过举例说明，如果电机电流的最大基础频率为1 kHz，则PWM开关频率通常要达到10 kHz。在配备有12个磁极的电机上，基础频率为1 kHz时的转速为10 000 r/min，而具有8个磁极的电机的转速则为15 000 r/min。如果要将电机的最高转速提高到20 000 r/min，采用具有12个磁极的设计方案就能够减小电机的尺寸和质量。此时，变流器的PWM频率就必须提高到20 kHz，因此功率开关中的开关损失将增加100%，变流器的效率也会相应降低。此外，功率电子器件的运行温度也会升高，其使用寿命就会相应缩短。采用6级调制等方法能有效降低开关损失，并提高电机在高转速范围内的转矩，但是该方案在具有上述优点的同时，会提高发电机电流的谐波振荡，使振动-噪声-平顺性（NVH）恶化，并需要配备更大的中间回路电容器。

研究人员考虑到功能的安全性，以及正常的设备也可能会出现故障的情况，PSM及DASM的选择对变流器和系统特性具有重大影响。当确定出现的故障与励磁旋转的DASM需要切断功率级时，需要断开所有的功率级开关，随后在数百毫秒内，转子中的磁通就会减少，不产生转矩，并且定子线圈中的感应电压会降至更低的水平。与此同时，在PSM中会持续产生磁通，在高转速时如DASM等变流器的功率级开关容易出现断开现象，在定子中产生的电压会超出蓄电池电压，电机会变得难以控制，由此产生较大的制动转矩并作用于车轮上，从而出现一系列危险状况。

针对该问题的解决方案是打开蓄电池与变流器之间的开关以阻止电流流动。由于定子线圈中产生的电压会明显提高变流器中间回路的电压，因此会损坏变流器或其他子系统中与中间回路高电压相关的元器件，如蓄电池充电设备或直流-直流（DC-DC）变压器。为了防止出现该类情况，研究人员通常会优先使用主动短路（AKS）方案，此时电机的连接导线会借助于变流器的功率级实现短接，以防止电压过高时出现损坏，并且避免上述现象反馈到蓄电池。研究人员需要注意的是，峰值短路电流不应损坏电机及变流器中的磁铁，并且在主动短接时作用于车轮上的制动转矩需要减小到可接受的程度。

变流器的首要任务是以最小的损失调节蓄电池与电机之间的电流。在使用半导体开关的情况下，大多数涉及到带有绝缘栅电极的IGBT或SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（Mosfet）。两者在市场上的应用日益广泛，并且具有诸多优势。这2类晶体管开关迅速，充分改善了所有的负荷工况点下变流器的效率。2类晶体管的流通特性呈线性，有效降低了电流较小时的变流器损失。部分负荷工况下的变流器效率较高，有利于全球统一的轻型车试验规范（WLTP）工况下的行驶循环（图7）。

SiC功率级损失较小且效率较高，其对汽车和系统设计具有较好效果，因此能减小变流器的尺寸和质量，而且较小的损失能相应减小汽车冷却系统的尺寸，从而能减小质量和空间。采用该类材料的另1项优势是能减少通过冷却器的空气流量，不仅能改善空气动力学，而且还能降低流动阻力系数，其组合效果可使具有相同功率的汽车行驶更长的里程。此外，该材料还具有1项重要优势，能用于补偿SiC基变流器较高的成本。

中间回路电容器是电压中间回路变流器功率级中的重要元件。通过该元件，系统能迅速而有效地操纵功率半导体开关。电容器功率主要取决于蓄电池电压和电机电流。目前得出的1项结论是，针对电机的最优解决方案是通过最少的电量产生最大的转矩，但该类情况并未完全得到证明，如图8所示。该图对具有较小转矩和相似转速的不同电机进行了比较。电机A需要最小的电流，但是具有较高的成本，因为其需要比电机C多50%的NdFeB磁铁。电机B具有最小的磁铁容量，但是电流却比电机A高出142%，而且其在高转速范围内的功率较低。电机C需要的电流是电机A的118%，但是其性能补偿了磁铁和变流器的成本，并且具有最高的性价比。

5 系统优化

研究人员通常需要为产品确定最佳方案，因为该过程主要依赖于目标设定和试验方式。研究人员对理想的iDM的行驶功率进行了优化。通过设定，电机可在尽可能小的结构空间和尽可能低的成本条件下获得尽可能长的蓄电池行驶里程。在实际设计过程中，优化上述目标中的大部分参数存在着相互矛盾的情况，因此研究人员一般会选用配备较大铜线圈的电机，以提供较高的效率，但是为此也需要较大的布置空间。与此相似，虽然带有SiC半导体开关的功率電子器件效率较高，但是其成本也更为昂贵。上述相互矛盾的目标同样意味着系统不能仅通过唯一的参数予以优化，因为其对其他特性参数可能会产生负面效果。研究人员为了得到最佳方案，每项重要设计方案都必须按照不同权重标准及相关限制予以重新评价。

图9示出了优化流程图，其中包括对汽车和用户的要求。通过每个子系统的组合，生成具有可行性的设计方案。研究人员按照技术和经济指标对其予以评估，随后与开发目标进行比较。

通过对每个设计方案进行整体评价，并使用如遗传算法和物理优化等多种技术，优化后的设计方案更为完美。研究人员可通过为众多汽车参数选配合适的算法，由此获得一系列设计方案。上述方案不仅需要进行充分优化，而且还应实现模块化，以满足不同用户的多种需求。

6 结语

博格华纳公司旗下的研究人员对电动力总成系统内部复杂的相关性及相互作用进行了充分研究。虽然目前并不存在完美无瑕的系统，但是通过充分了解用户的意愿，博格华纳公司可以开发出满足用户真实需求的产品。

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范明强 译自 MTZ，2020，81（12）

伍赛特 编辑

（收稿时间：2020-12-22）