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國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：NEV電機 工況效率 等效計算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業(yè)的持續(xù)改善的目標。伴隨傳統(tǒng)發(fā)動機降油耗空間的逐漸縮小，新能源車成為汽車產業(yè)解決油耗問題的重要手段。根據油耗積分、新能源積分的管理辦法、新能源汽車補貼政策的規(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，提高驅動效率也是延長續(xù)駛里程最為經濟合理的技術路徑。未來嚴格執(zhí)行油耗標準、雙積分等產業(yè)政策,并且適時轉化為碳交易機制增強汽車企業(yè)發(fā)展新能源汽車的內生動力。隨著地方補貼的取消，國家補貼退坡，以安全、節(jié)能、環(huán)保為導向,加強安全運行管理與服務，逐步取消對于續(xù)駛里程、能量密度等細節(jié)要求,把技術的決策權交給企業(yè),而讓市場選擇最合適的產品是產業(yè)化最終目標。高效率是電動汽車節(jié)能環(huán)保標簽的本質屬性，也是未來電驅動技術發(fā)展的堅定不移的發(fā)展方向。電驅動系統(tǒng)以高度集成、高效率、高功率密度、高安全等級、高性價比為技術發(fā)展方向，而效率指標是重中之重。

對于汽車電驅動系統(tǒng)的效率評價，目前行業(yè)上主要以最高效率、高效區(qū)占比進行評價，這2個技術指標是站在電驅動總成自身的視角進行評價，無法表征整車搭載后實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動技術路線圖編制過程中，權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，電機工作點主要集中在中、低負荷區(qū)域，電機的高效區(qū)并未得到充分利用，而電機常用工作點的效率提升，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)動機工況循環(huán)效率評價方面的實踐經驗，提出了電動汽車電驅動總成的工況循環(huán)效率評價方法。

1.2 方法總述

基于整車工況循環(huán)的電機綜合效率計算，在不同的應用場合有不同的計算方法，如通過核算集成式電驅動系統(tǒng)需求機械能占比來優(yōu)化電機高效區(qū)[10]，該方法主要為找出NEDC工況循環(huán)中，電機機械能占比最高的工作點，并以此作為高效區(qū)設計的目標區(qū)域。該方法同樣可以表征電機工作點效率與整車工況之間的關系，但未能直接反應工作點效率優(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，從而計算得到電機系統(tǒng)綜合效率[11]。該方法相對等效計算方法具有更好的計算精度，但未能直接反應電機工作點效率對綜合效率的影響占比，不利于直觀識別需要進行重點效率優(yōu)化的工作點。

本文所述的電機工況效率分析計算方法，是根據整車循環(huán)工況（CLTC/WLTC）下驅動電機的轉速和扭矩數(shù)據，按照區(qū)域能量分布統(tǒng)計分析的方式，進行等效工況計算。輸出計算結果：等效工況點個數(shù)、等效工況點轉速、等效工況點轉矩和等效區(qū)域占比（能量占比）。最后，將大量工況點等效為有限個數(shù)的工作點，同時體現(xiàn)出每個等效點的權重，并可通過簡單數(shù)學計算得出等效的的工況綜合效率。該方法得出的等效數(shù)據，可直觀反應出電機工作點與整車工況循環(huán)的關系，有利于確定電機效率優(yōu)化的目標，同時，對工況效率計算過程進行了簡化，方便進行對比分析。

1.3 等效工況計算流程

按照圖1所示的等效工況（CLTC/WLTC）計算流程，進行等效工況計算。

圖1 等效工況計算流程

2 計算原理

2.1 計算原理解析

等效工況基本原理是采取分塊能量占比統(tǒng)計的方式，把驅動電機工作連續(xù)循環(huán)等效成區(qū)域特征工況，等效轉速表征區(qū)域轉速特性，等效轉矩表征區(qū)域負荷特性，能量占比表征區(qū)域的權重。

圖2 等效分塊示意

2.1.1等效轉速

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

式中，ω為等效轉速；ωi區(qū)域內i點的轉速；n某區(qū)域內工況點數(shù)。

2.1.2 等效轉矩

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

式中，T為等效轉矩；Ti為區(qū)域內i點的轉矩；n某區(qū)域內工況點數(shù)。

2.1.3 能量占比

對每個區(qū)域的能量占比進行求解，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)據采樣時間；ωi為區(qū)域內i點的轉速；Ti為區(qū)域內i點的轉矩。

2.1.4 等效綜合計算（效率計算）

根據求解出的等效轉速、等效轉矩，查詢等效點效率，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)為等效點效率；eff為等效綜合效率。

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

2.2 計算原理解析

等效計算的精度與等效點個數(shù)和能量區(qū)域劃分相關，等效點個數(shù)越多等效精度越好。根據循環(huán)工況點分布情況進行能量區(qū)域劃分是等效計算的關鍵，現(xiàn)階段基本按照等轉速、轉矩區(qū)間和點密度分布2種方式進行區(qū)域劃分。

2.2.1 等轉速、轉矩區(qū)間

等轉速、轉矩區(qū)間就是按照完整循環(huán)轉速和轉矩分布范圍（例如：轉速區(qū)間0～10 000 r/min；轉矩區(qū)間0～100 N·m），進行等轉速、轉矩區(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 等轉速、轉矩區(qū)間劃分

2.2.2 點密度分布劃分

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

圖4 點密度劃分

3 計算案例

3.1 WLTC循環(huán)驅動區(qū)域等效9點

按照上述計算方法，將某電機在WLTC循環(huán)下的工況數(shù)據進行等效計算。圖5所示，可直觀看出等效出的9點在整個循環(huán)中的占比情況。

圖5 WLTC驅動區(qū)域9點等效

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

表1 WLTC驅動區(qū)域9點等效

3.2 WLTC循環(huán)驅動區(qū)域等效5點

將某電機在WLTC循環(huán)下的工況數(shù)據進行5點等效計算，等效5點的分布情況如圖6所示。

圖6 WLTC驅動區(qū)域5點等效

等效5點的計算數(shù)據如表2，得出該WLTC循環(huán)下的等效循環(huán)效率為90.75%.

表2 WLTC驅動區(qū)域5點等效

4 結論

所提出的電驅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算結果分析，等效點個數(shù)越多，綜合效率絕對誤差越小。

基于國家法規(guī)即將實施的標準工況做算法精度分析，結果表明，WLTC驅動工況采用5個點即可保證等效效率誤差在±0.5%以內，CLTC驅動工況采用8個點即可保證等效效率誤差在±0.5%以內。

在電驅產品和技術開發(fā)過程中，可根據開發(fā)階段和目的的不同，采用差異化的等效點數(shù)進行評價，以平衡精度和進度的需求。