马瑞利：轻型商用车的电机设计与优化原则
与内燃机的情况类似， 纯电动乘用车的动力系统通常也会应用于轻型商用车，只是需要进行一些修改。在电动机的设计中，需要主要针对修订后的工况、速度目标以及优化相关工作条件下的效率，以保证所需的车辆续航里程。本文详细介绍了马瑞利公司用于优化电动轴配置、电机和逆变器设计的方法，这些方法旨在服务于纯电动轻型商用车应用，特别关注以下几点： 电机磁性模拟以及用于电动机设计过程的工具链；
根据传动比评估电机的设计影响；
根据最大逆变器电流评估电机的设计影响；
对车辆仿真的评估；
电机尺寸、传动比和逆变器电流对效率、成本、重量和尺寸的不同循环的影响。
1. 引 言
纯电动轻型商用车 (LCVs) 的吸引力在考虑其进入当前和未来城市清洁空气区的能能力、低停机时间和服务成本、延长车辆使用寿命以及最终节省电力与化石燃料方面表现得非常明显。乘用车 (PCs) 和纯电动轻型商用车使用WLTC循环来认证排放和燃油经济性，或者测量它们的纯电动续航里程。当特别考虑纯电动轻型商用车时，其最初的任务被确定为仅用于城市配送车辆。最近，其电动动力系统的设计和规格需要实现良好的效率，以及在最大载荷的典型公路驾驶条件下实现良好的续驶里程，需要在续驶里程、最大总重量和成本之间找到最佳平衡方案。在近现代的内燃机发展中，汽车行业愿意利用源自乘用车的动力系统，将其应用于纯电动轻型商用车。依靠马瑞利电力动力系统的扩展能力，本文将为纯电动轻型商用车提供电轴规格化过程指导，提出可能与乘用车不同的解决方案。2. 应用
2.1 车辆数据
目标应用是已使用马瑞利车辆数据库识别其主要特征的乘用车和纯电动轻型商用车, 如下表1所 示：
表1:两辆车的相关数据
2.2 动力总成
为乘用车和纯电动轻型商用车选择的动力总成拓扑是基于单速传动轴电桥，配备单个800V电机和碳化硅 (SiC)逆变器。再次依靠马瑞利数据库车辆来识别可能的候选者，已经定义了电动轴的目标峰值和持续性能如下：
表2 车辆所需性能
2.3 相关周期
为了评估在不同驾驶场景下的性能，已经建立了一个完整的车辆模型。整个电动动力总成(ePWT) 以及机械域都使用内部开发的平台在Matlab Simulink环境中进行了模拟。这种完全集成的仿真方法的目标是为每个车轴组件的性能估算生成所有所需的边界条件。
正如之前提到的，对两种应用(乘用车和纯电动轻型商用车）的纯电动续航里程的评价是在不同的循环上进行的。对于乘用车来说， WLTC 在空载条件下主要是相关的，而对于纯电动轻型商用车, 则考虑了两个额外的周期，即满载状态下的3500公斤车辆总重量，特别是：一个城市送货循环，平均速度为每小时24公里，持续时间为3600秒，具有以下特性：
图 1 城市配送循环
一条平均速度为112公里/小时、持续时间为3600 秒的高速公路循环，具有以下特性：
图2.高速公路周期
表3 车辆循环总结
3. 开发工具链与方法论
马瑞利在汽车应用的电动机设计方面具有良好的能力。基于对永磁电机和感应电机的10年设计经验，计算模型与测试台结果高度匹配，这种相关性对于缩短从白纸到大规模生产电机的时间至关重要。
图4.电机仿真流程图
设计流程图和主要仿真工具在图4中进行了描述。从初始规格开始，基于与其他生产机器的共性，首先设计几何形状的第一版想法。然后使用磁性有限元分析(Altair Flux) 评估峰值性能以及速度范围。如果它们与规格相匹配，则在所有操作点计算损失。在逆变器驱动的电机中，绕组和铁损耗取决于控制参数（开关频率、母线直流电压等），因此，为了正确预测损耗，需要详细考虑真实电流波形的有限元模拟。关于此过程的更多详细信息可以在[1]中找到。如果效率满足项目需求，则基于应用和相关使用工况，使用不同的工具，执行热计算。对于液体冷却的电机，使用AnsysWorkbench 和MotorCad 分别进行CFD和集总参数分析。在油喷冷却的情况下，使用粒子基软件(Particleworks) 并进行集总参数分析。该模拟的目的是验证在相关工况下，机器是否保持在电气绝缘、磁体、轴承等的温度限制内。经过这种验证后，进行详细的转子结构分析。这种分析通常会细化转子几何形状，以确保不超过结构和疲劳极限，引入的修改必须与之前获得的磁性能评估。如果第二次迭代的结果是积极的，那么就会进行退磁风险和三相短路分析。最后，使用KiSSsoft 工具设计其他机械部件，如轴、轴承、联轴器等。上述详细设计方法通常用于识别优化算法(如图5所示)产生的最佳候选方案。 该算法主要处理磁性模拟，以估算在选定的代表性规格的操作条件下性能和损失。首先确定电机几何参数，并初步估计径向桥的尺寸，以确保转子结构在最大速度下稳定抵抗离心力。然后生成电磁模型并进行几何检查，验证模型仿真是否收敛。如果是，则计算反电动势(BEMF)并与所需限制进行比较。只有那些 BEMF低于此限制的候选方案才会进一步处理。接下来的计算是无负载铁损和最大峰值转矩能力。不符合目标的最大值的候选人将被拒绝，其他候选人将继续进行，并在特定负载点(通常是最大速度下的目标连续扭矩)计算特征电流和铁损。
图5.自动优化流程图
该算法的目标是找到最佳候选方案，即在以下方面取得最佳平衡： ·峰值扭矩·最大反电动势 (BEMF) · 峰值功率(使用Ich 评估) · 磁铁重量 · 损失 · 转矩波动。该算法将自动拒绝在扭矩、功率或反电动势方面与期望性能相差较远的候选方案，以节省计算时间，不会计算它们的损失。对于接下来要分析的内容，我们只关注在前述迭代过程中找到的最佳候选方案，省略所有关于中间计算步骤的细节。4.电机、齿轮箱和逆变器优化解决方案
为了创建可能的轴配置空间，定义了一系列不同的案例研究，这些案例研究在逆变器电流和齿轮比方面有所不同，但满足与前表2相同的车辆目标性能，并且在相同的660伏直流电压水平上。因此，为了根据齿轮比和逆变器最大电流的变化获得9种不同的设计，必须修改电动机的设计，保持定子、转子和槽数以及发夹数的直径不变，并优化槽和转子设计。
表4:不同轴配置的总结，根据最大逆变器电流有效值和齿轮比变化。
轴级别上的性能限制为S1-30min 设定了相同的最大峰值扭矩和两个连续点，第一个是低速扭矩要求，第二个是高速条件，对应于车辆速度为130公里每小时。齿轮比变化要求不同的转子设计，因为电机的最大转速随着这种比例增长而增长。因此，转子铁桥厚度必须适应，以确保每个功率传输单元（PWT）的转子机械完整性。
图6.每个齿轮比率的修正铁桥详图
一般来说，使用更高最大相位电流的机器具有较短的叠片长度。这在重量和空间要求方面是一个优势，但需要对定子和铜线尺寸进行一些调整，以便根据IEC60034-1达到相同的S1-30min 性能，因为为了提供相同的扭矩，所需的电流会随着定子总散热面积的减小而增加。电机尺寸和优化训练[2]，[4]产生了以下设计，总结如下表所示。与基线配置相比，所有的数量都已进行了标准化处理。
表5:适用于9种不同PWT配置的电机设计总结
以下是磁铁数量与基线相比的比较报告。众所周知，磁铁的数量是物料清单最终成本的关键驱动因素之一。
图7:磁铁数量标准化与基线配置的细节对比
正如预期的那样，较低的齿轮比或较低的最大电流值决定了更大的电机，从而导致更高的材料数量、重量和成本。下图显示了考虑到相同扭矩传递给车轮时，所有PWT的电动机扭矩的比较。
图 7. PWTs 电机扭矩
图.8 PWTs 电机功率
5. 乘用车和轻型商用车动力总成解决方案与效率、重量、尺寸以及最终相同续航里程下的电池成本进行对比。
在下面的三个表格中，总结了9种PWT解决方案的维度、重量和成本。从他们的分析可以看 出： 使用低最大相位电流和低TR以及随后对高电机扭矩的需求，导致机器比基线长约30%且重20%。
在所有配置中，在TR 为10时，也可以看到更长、更重和更昂贵的电机的存在。
对于不同功率模块的成本增加，似乎可以通过在不同齿轮比下改变电机尺寸来完全补偿。
表6: PWT排名与体重对比
表7: PWT排名与电机尺寸对比
表8: PWT排名与成本对比
如果考虑到乘用车和纯电动轻型商用车的典型任务，对9种功率损耗测试 (PWTs) 的评价肯定会不同。正如前面提到的，迄今为止，用于乘用车的最相关的循环通常是WLTC, 而对于轻型商用车，大多数时候还需要考虑一个完全城市化的循环，以及最近的高速公路全负荷条件下的循环。表9显示了使用 PWT 5时两种车辆在每个循环上的损失，而图9则描绘了所有其他PWTs相对于基准PWT 5的损失情况。
表9. PWT5损失
在乘用车和纯电动轻型商用车上，低GR=10 似乎在3个周期内提供了最佳的能效，其中较长的电机以较低的速度旋转。这种行为主要是由于以下原因：在高速低负载下，铁损占主导地位。这些损失与速度成正比，与铁的体积成比例；因此，旋转较慢的大电机具有较低的损耗。在低速和高负载下，铜损占主导地位。部分铜损位于端部绕组中，这种贡献是恒定的，即使改变有效部分的尺寸；因此，与较长电机相比，在较短的电机中，端部绕组的铜损对总损失的影响更大。如果考虑最大相位电流对损耗的影响，我们可以注意到，一个更城市化的循环会更倾向于使用低电流逆变器，而高速公路则需要高电流的逆变器。这种行为在乘用车上似乎比纯电动轻型商用车上更为明显。总结一下，我们可以说：
PWT 1在市区工况下对两种车辆都有最低的损耗。
在转向更高速度和负载循环时，PWT 2 和 PWT 3 变得更具竞争力。
所有其他解决方案，由于具有更高的传动比，引入了显著更高的损耗。
为了确保最大续航里程，给定固定的电池尺寸：
PWT 1甚至是更便宜的PWT 2将是PC的最佳解决方案，因为这种车辆是围绕WLTC设计的。
PWT 1将是城市工况下纯电动轻型商用车的最佳解决方案。
PWT 3甚至是最便宜的PWT 2将是最佳解决方案，适用于从郊区仓库到城市客户的送货任务，其中包含大量高速公路驾驶，导致显著的能量消耗。
图9 不同循环中乘用车和纯电动轻型商用车的不同PWT损失
表 1 0 - GR10 电子轴特性与纯电动轻型商用车上的PWT5对比
表11 - 车用车上电子轴特性
对于纯电动轻型商用车, 必须通过评估所有先前的功率传输装置(在重量、尺寸、 效率和成本方面的权衡)来完成此图片，这些权衡与一些车辆相关的需求和约束有关，如整车成本和重量。 容量为60千瓦时
成本为每千瓦时110欧元
能量密度为7.14千克/千瓦时
1. 对城市自行车优化的PWT(PWT1) 将会导致：
- 为了匹配HW中PWT2的续航范围，仅增加4.7千克的电池额外重量。
2. 对硬件自行车优化的PWT(PWT2) 将会导致：
a. 额外的24欧元的电池成本。在都市环境中匹配PWT2的续航范围时，电池的额外重量几乎可以忽略不计，为1.6千克。
3. 对重量和尺寸优化后的PWT(PWT9) 将会导致：
a. 在都市环境中匹配PWT1的续航范围时，分别需要额外的131欧元和8.5千克的电池重量及成本。
b. 在HW中匹配PWT2的续航范围时，分别需要额外的160欧元和10.5千克的电池重量及成本。
考虑到PWT1与PWT2的成本差异几乎可以忽略不计，对于更城市化的任务来说，使用PWT1肯定是值得的，而对于更多高速公路的任务，则可以使用PWT2, 这样可以节省高达70欧元的车辆BOM成本。如果重量是需要优化的属性，使用PWT9会导致部分节省被电池尺寸增加所抵消，而电池尺寸的增加也会导致车辆物料清单 (BOM) 增加超过100欧元，在这种情况下，城市或高速公路是参考周期。6. 总结与展望
已经证明，对于典型的纯电动轻型商用车来说，考虑到其通常更高的重量和各种可变的任务，不同于纯WLTC，PWT的优化设计可以节省约70欧元的车辆BOM成本。鉴于目前功率模块和逆变器成本与磁铁、铜和磁性钢的比较趋势，投资最大相电流总是会给物料清单 (BOM) 带来成本优势。
若因考虑到对电池的影响时，而去优化电桥的重量和尺寸的解决方案，并不会带来显著的重量优势。如果电机长度确实是整个车轴安装的真正限制因素，那么最好是研发一种不同的电机宽高比，以尽量减少对效率的影响。马瑞利正在不懈地努力研究进一步提高连续、峰值功率和扭矩比，并专门为纯电动轻型商用车开发高效率的解决方案，成果将在未来的出版物上公开发表。References
1. Giorgianni, V., Farah, P., Leli, F., Raimondi, M.: High Power and TorqueDensity for 800V Electric Motors Challenges and Opportunities. 29th Aachen Colloquium Sustainable Mobility 2020
2. Nicola Bianchi, Thomas M. Jahns. :Design, Analysis and control of InteriorPM Synchronous Machines IEEE industry Applications Society ElectricalMachines Committee. 2004
3. Ma Zhiyong, Yaohua Hu, Chen Can. Reduction of Iron Loss in a V-shapedIPM Machine for traction applications.
4. J.R. Hendershot, John Eastham Miller.: Design of brushless permanentmagnet motors Magna Physics Publications 1994.
