新能源汽车电驱设计的「破」与「立」| 达索系统百世慧®

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新能源，新挑战

随着全球气候变暖、大气污染、能源安全等多方面的形势越发严峻，传统造车企业与新兴造车企业都在不断朝着汽车电动化转型。未来汽车将以“电子化”、“电动化”和“系统集成化”为关键，不断向前发展。伴随着汽车动力系统向电气化的转变，车辆各子系统之间越来越多的相互作用，也带来了车辆结构的巨大变化和复杂性的增加。
电驱系统是各类新能源汽车的关键部分，其设计的优劣将影响整车的动力、排放、效率等多个方面。在整车设计过程中，还需要考虑电驱系统与其他动力系统的耦合，系统的复杂度更大，对企业研发带了巨大的挑战。
本文着重介绍纯电动汽车电驱系统的设计与开发流程，从OEM的角度出发，如何基于达索系统的电驱动模型库（EPTL）助力纯电动汽车电驱系统设计与开发。
电驱动模型库（EPTL）专注于一维的多物理耦合的建模仿真，可用于电驱系统设计的多个方面。涵盖从概念设计、系统/子系统设计、部件级详细设计、模块测试、部件测试、系统集成测试、系统级验证以及最终的制造过程的仿真，如下图所示。


全面而系统的电驱动模型库

01. 基于需求的高效电驱系统开发

电驱系统的设计要求来源于整车需求，假设待开发的新车型需要具备如下性能参数：


如何基于以上整车性能需求，实现新车型电驱系统的设计要求呢？
基于利用电驱系统模型库，搭建整车系统模型，进行初步计算。如下图所示为整车测试模型，包括控制系统、驾驶员模型、动力电池、电驱系统、传动系统、底盘与车身。
利用驾驶员模型设定驾驶工况，比如NEDC；设定车辆的预估参数，比如整备质量、轮胎尺寸、迎风面积；电驱架构，比如集中式驱动或分布式驱动，一级减速或二级减速等，以及已有型号的电机的外特性参数。参数设定完成后，即可仿真输出电驱系统的关键参数。


02. 部件选型

在驾驶员模型中设定工况为百公里加速，如下图所示为电机输出扭矩与车速随时间变化的曲线，图为电机输出功率与车速随时间变化的曲线。电机配合减速箱输出扭矩至差速器，然后驱动车辆加速，直至最高车速。通过仿真结果可以得到在加速过程中电机输出的最大扭矩、最大功率以及加速时间，从而判断该款型号的电机性能是否满足设计需求。如果不满足，替换电机型号，重新配置电机模型，完成仿真计算。根据以上仿真结果，也可以为动力电池开发提供需求输入。


03. 验证驱动电机控制算法

通过前述章节内容，可以初步确定电机的关键参数，从而可以进行电机选型，或者重新设计一款电机。假设已有电机型号能够满足整车需求，基于该电机的设计参数与试验数据，对详细的电机模型进行参数标定，使其仿真结果符合试验结果，从而用于后续的算法验证。
下图所示为完整的新能源汽车电驱系统与动力电池系统，模型库提供典型的电机控制模型，然实际电机控制算法往往也会使用其他软件进行开发，比如Simulink。达索系统公司提供完整工具链，可以支持Simulink算法模型导入，替代controller模型，与高精度的电机模型联合仿真，进而验证算法的准确性。


04. 直流母线滤波电容设计

在纯电动汽车，逆变器与动力电池连接，在工作过程中，将会产生高频的谐波电流，将对电池的性能和寿命产生不利影响。通常采用在直流母线与逆变器之间并联一个滤波电容，吸收逆变器在直流端的高脉冲电流，既可以防止在直流端的阻抗上产生高脉冲电压，使逆变器端的电压波动处在可接受范围内；同时又可以防止逆变器受到直流端的电压过冲和瞬时过电压的影响。
通过模型来分析滤波电容的影响，通过设置滤波电容的参数值，对比分析其对系统的影响。


在下图中，对比了电容值0F与1mF的设定下电池端的电流值，1mF的电容使得电流输出更平稳，极大地减弱了瞬时电流。


05. 冷却系统设计

车辆运行过程中，电驱系统将产生大量的热导致温度上升，若温度过高，将导致电机效率降低、影响逆变器寿命等诸多后果。因此，电驱系统的热管理系统是非常重要，具体包括驱动电机、逆变器以及电池的冷却系统。
EPTL库中的电机、逆变器与电池模型均提供热接口，结合冷却模块即可快速搭建冷却回路，完成冷却系统的设计。


下图所示为WLTP工况下，电驱系统冷却所需的功率、整车驱动所需的功率随时间变化的曲线，基于此可以分析冷却系统的设计需求，并迭代优化系统性能。


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