出於降低CO2和顆粒排放的要求，電動力總成模組的應用日益廣泛。在該情況下，博格華納公司對功率電子器件、變速器和電機等產品進行了技術改良，以便為使用者提供效能優越的零部件和系統。同時，博格華納公司開發出了1個功能全面的電動力總成平臺，以滿足使用者的需求。

0 前言

為了開發出效能優越的動力總成系統，研究人員需要深入瞭解使用者對汽車的技術需求。透過對原始裝置製造商（OEM）的要求逐步具體化，研究人員能進一步最佳化產品。如果要對開發要求進行全面瞭解，研究人員只需要透過協調OEM開發團隊與零部件供應商之間的合作過程，就能實現該目標。

該項要求在電動力總成系統設計過程中起著決定性的作用，並且須滿足ISO26262標準。為滿足上述標準，研究人員不僅要高度謹慎，也應確保達成OEM方面的要求。同時，研究人員必須瞭解汽車系統零部件對其執行過程所起到的作用。因此，富有經驗的高水平團隊對開發過程起著決定性作用，不僅要滿足使用者需求，還應滿足技術要求。

整車功率的最佳化過程涉及到汽車動力學，特別是最高車速、加速性及最大爬坡角度等引數。上述引數可與汽車質量和車輪直徑相組合，以此來計算整車所需要的扭矩和轉速。

研究人員需要充分了解汽車結構等方面的知識，以便能根據電動力總成系統設計出相應的車輪扭矩和車輪轉速。在P0或P1系統中，電動力總成系統依然會與內燃機協同運作（圖1）。在採用了P2、P3及P4等系統的車型上，發動機與變速器可以完全分離，整車從而能實現純電驅動。博格華納公司能為每種架構提供多種選擇方案，部分產品如圖2所示。本文主要討論P4混合動力和純電動架構型式。

1 系統設計

在研究人員確定了關於汽車的技術要求之後，後續步驟透過確定每個子系統的重要設計引數來最佳化動力總成系統。本文重點探討整合式驅動模組（iDM）的結構設計最佳化過程。該驅動模組由3個子系統組成：變速器、電機和功率電子器件（圖3）。

該驅動模組的結構設計方案以宏觀和微觀層面上的幾個引數為前提條件，表1列舉出了其中的部分引數。宏觀引數是重要的設計依據，在最佳化過程中，研究人員可根據不同場景採取不同對策，可以隨即界定宏觀引數，並出於實現最佳化的目的而對微觀引數進行調整。

表1 單個子系統的各種宏觀和微觀引數舉例

此外，研究人員還可直接從汽車技術引數中推匯出其他標準，例如必要的車輪扭矩和蓄電池電壓。其中，某些數值可由驅動模組的子系統推匯出來（圖4），在該條件下車輪扭矩就會轉換成電機轉矩，電機轉矩再轉換成電機電流。

2 變速器

如果研究人員需要使用傳動機構，可對變速器的級數進行最佳化。雖然直接驅動方式在理論上可行，但實際上對於大多數車型而言，在該條件下按照需求所設計出的電機會出現尺寸過大的現象。雖然透過進一步最佳化，研究人員妥善解決了電機位置的問題，但是由此會使系統成本過於高昂，同時使設計方案過於複雜，並且不會涉及到常規結構。

採用單級變速器是成本最低且效率最高的方案，但是由此也對電機提出了較高的要求，因為電機必須按最大轉矩和最高轉速進行設計。兩檔或多檔變速器則具有較高的技術吸引力，由此能降低整車所需要的最大扭矩和最高轉速，從而也減小了電機的尺寸。在該情況下，研究人員必須考慮到多采用幾種傳動比對扭矩和轉速會更為有利，但在該情況下所需要的峰值功率並不會因此而減小。

當選用了多檔變速器時，研究人員還必須對較高的成本進行權衡。由於選用附加的檔位、離合器和執行機構會使成本增加，同時上述附加的零部件還增加了系統質量和結構尺寸，因此在採用了常規換檔零件的情況下會降低系統效率。

3 電機

研究人員在選擇電機作為動力總成系統的子系統時，具有多種備選方案。如圖5所示，不同的電機型別具有不同的設計細節，但在汽車驅動範圍內的應用共有永磁式同步電機（PSM）和三相非同步電機（DASM）2種型式。

PSM能提供良好的轉矩密度。該類電機採用了功能強勁的銣鐵硼（NdFeB）磁鐵，可為轉子提供磁通，而在定子中尚無磁環流。在該應用場合中的永磁鐵有利於改善低轉速工況下的執行過程，但由於磁鐵無法斷開，在電機轉速升高時必定會與定子磁場方向相反的電流發生感應，由此限制了線圈中的感應電壓。這種附加電流會導致阻抗損失，其與轉矩的產生並無直接聯絡，並且會對效率產生不利影響。

DASM並未採用永磁鐵，定子線圈必須流過電流，以便在轉子中產生磁通，轉子可透過DASM產生電流，並在與定子磁通的相互作用中產生轉矩。這種對磁化電流的需求使得定子線圈和轉子繞組中的功率損失通常會比PSM更低，但在轉速提高時，研究人員透過將磁化電流減小到所期望的水平，由此能繼續保持DASM的定子電壓，而PSM中的功率損失必然會增加。由於電流強度較低且功率損失較少，DASM在高轉速時的效率往往比PSM更高。值得注意的是，通常非同步電機在車速較高的情況下會具有較高的效率和較小的轉矩，並有利於高速公路上的行駛過程。在車速較低和轉矩中等的工況下，PSM在效率方面具有優勢，在市區中的行駛過程也面臨著同樣的情況。因此，研究人員應在2種電機技術之間進行選擇，以便採用最合適的電機型別。

關於線圈最重要的1項最佳化是對導線的選擇。將圓導線安裝在定子中有利於降低成本，但會使定子中可用導線槽的填充度相對較差，並且會使熱特性惡化。對高功率電機較為有利的選擇方案是使用矩形導線。透過該項舉措，電機不僅能獲得較高的充填係數，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）電機選用了矩形導線，並應用了具有專利權的S形繞組技術（圖6）。

4 功率電子器件

電機的型式和設計特點以諸多方式影響了功率電子器件的技術引數，其中1項重要引數是電機的磁極數。通常，較多的磁極數會提高轉矩密度，但是也會對變流器和系統效率產生不利的影響。變流器藉助於脈寬調製（PWM），從蓄電池直流電中產生正弦形交流電。為了產生等值的電流波形，PWM頻率必須比所期望的電流強度的基礎頻率高出數倍。透過舉例說明，如果電機電流的最大基礎頻率為1 kHz，則PWM開關

頻率通常要達到10 kHz。在配備有12個磁極的電機上，基礎頻率為1 kHz時的轉速為10 000 r/min，而具有8個磁極的電機的轉速則為15 000 r/min。如果要將電機的最高轉速提高到20 000 r/min，採用具有12個磁極的設計方案就能夠減小電機的尺寸和質量。此時，變流器的PWM頻率就必須提高到20 kHz，因此功率開關中的開關損失將增加100%，變流器的效率也會相應降低。此外，功率電子器件的執行溫度也會升高，其使用壽命就會相應縮短。採用6級調製等方法能有效降低開關損失，並提高電機在高轉速範圍內的轉矩，但是該方案在具有上述優點的同時，會提高發電機電流的諧波振盪，使振動-噪聲-平順性（NVH）惡化，並需要配備更大的中間迴路電容器。

研究人員考慮到功能的安全性，以及正常的裝置也可能會出現故障的情況，PSM 及DASM的選擇對變流器和系統特性具有重大影響。當確定出現的故障與勵磁旋轉的DASM需要切斷功率級時，需要斷開所有的功率級開關，隨後在數百毫秒內，轉子中的磁通就會減少，不產生轉矩，並且定子線圈中的感應電壓會降至更低的水平。與此同時，在PSM中會持續產生磁通，在高轉速時如DASM等變流器的功率級開關容易出現斷開現象，在定子中產生的電壓會超出蓄電池電壓，電機會變得難以控制，由此產生較大的制動轉矩並作用於車輪上，從而出現一系列危險狀況。

針對該問題的解決方案是開啟蓄電池與變流器之間的開關以阻止電流流動。由於定子線圈中產生的電壓會明顯提高變流器中間迴路的電壓，因此會損壞變流器或其他子系統中與中間迴路高電壓相關的元器件，如蓄電池充電裝置或直流-直流（DC-DC）變壓器。

為了防止出現該類情況，研究人員通常會優先使用主動短路（AKS）方案，此時電機的連線導線會藉助於變流器的功率級實現短接，以防止電壓過高時出現損壞，並且避免上述現象反饋到蓄電池。研究人員需要注意的是，峰值短路電流不應損壞電機及變流器中的磁鐵，並且在主動短接時作用於車輪上的制動轉矩需要減小到可接受的程度。

變流器的首要任務是以最小的損失調節蓄電池與電機之間的電流。在使用半導體開關的情況下，大多數涉及到帶有絕緣柵電極的IGBT或SiC金氧半導體場效應電晶體（Mosfet）。兩者在市場上的應用日益廣泛，並且具有諸多優勢。這2類電晶體開關迅速，充分改善了所有的負荷工況點下變流器的效率。2類電晶體的流通特性呈線性，有效降低了電流較小時的變流器損失。部分負荷工況下的變流器效率較高，有利於全球統一的輕型車試驗規範（WLTP）工況下的行駛迴圈（圖7）。

SiC功率級損失較小且效率較高，其對汽車和系統設計具有較好效果，因此能減小變流器的尺寸和質量，而且較小的損失能相應減小汽車冷卻系統的尺寸，從而能減小質量和空間。採用該類材料的另1項優勢是能減少透過冷卻器的空氣流量，不僅能改善空氣動力學，而且還能降低流動阻力系數，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項重要優勢，能用於補償SiC基變流器較高的成本。

中間迴路電容器是電壓中間迴路變流器功率級中的重要元件。透過該元件，系統能迅速而有效地操縱功率半導體開關。電容器功率主要取決於蓄電池電壓和電機電流。目前得出的1項結論是，針對電機的最優解決方案是透過最少的電量產生最大的轉矩，但該類情況並未完全得到證明，如圖8所示。該圖對具有較小轉矩和相似轉速的不同電機進行了比較。電機A需要最小的電流，但是具有較高的成本，因為其需要比電機C多50%的NdFeB磁鐵。電機B具有最小的磁鐵容量，但是電流卻比電機A高出142%，而且其在高轉速範圍內的功率較低。電機C需要的電流是電機A的118%，但是其效能補償了磁鐵和變流器的成本，並且具有最高的價效比。

5 系統最佳化

研究人員通常需要為產品確定最佳方案，因為該過程主要依賴於目標設定和試驗方式。研究人員對理想的iDM的行駛功率進行了最佳化。透過設定，電機可在儘可能小的結構空間和儘可能低的成本條件下獲得儘可能長的蓄電池行駛里程。在實際設計過程中，最佳化上述目標中的大部分引數存在著相互矛盾的情況，因此研究人員一般會選用配備較大銅線圈的電機，以提供較高的效率，但是為此也需要較大的佈置空間。

與此相似，雖然帶有SiC半導體開關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同樣意味著系統不能僅透過唯一的引數予以最佳化，因為其對其他特性引數可能會產生負面效果。研究人員為了得到最佳方案，每項重要設計方案都必須按照不同權重標準及相關限制予以重新評價。

圖9示出了最佳化流程圖，其中包括對汽車和使用者的要求。透過每個子系統的組合，生成具有可行性的設計方案。研究人員按照技術和經濟指標對其予以評估，隨後與開發目標進行比較。

透過對每個設計方案進行整體評價，並使用如遺傳演算法和物理最佳化等多種技術，最佳化後的設計方案更為完美。研究人員可透過為眾多汽車引數選配合適的演算法，由此獲得一系列設計方案。上述方案不僅需要進行充分最佳化，而且還應實現模組化，以滿足不同使用者的多種需求。

6 結語

博格華納公司旗下的研究人員對電動力總成系統內部複雜的相關性及相互作用進行了充分研究。雖然目前並不存在完美無瑕的系統，但是透過充分了解使用者的意願，博格華納公司可以開發出滿足使用者真實需求的產品。

本文發表於《汽車與新動力》雜誌2021年第4期

作者：［英］ P。BARRASS等

整理：範明強

編輯：伍賽特

本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。