西门子工程咨询服务案例 - 电机建模和系统集成

Part.1

基于驱动循环的电机设计和优化  

机器的效率、功率输出、瞬态响应、可靠性和其他方面对车辆的性能有很大影响。这就是现在电机最大的困难也是下一代牵引电机面临非常重大的设计挑战：

• 效率极高 （~95%）

• 速度范围广（II 级车辆高达 ~14，000 rpm）

• 与电流选项相比具有高功率密度

• 减少或不使用稀土永磁材料

• 坚固耐用，适用于制造工艺

•  低 NVH 特性等...

同时，根据汽车的不同使用场景，电机会根据不同的工作场景有不同的工作特征。这些工作特征是车辆特性和典型驾驶周期的函数。因此，将驱动循环的影响纳入牵引电机的设计过程是一种新兴趋势。

下面介绍的设计流程非常适合应对这些挑战：

• 在第一步中，通常进行系统级仿真以确定要设计的机器的所需性能要求。这些分析的结果是下一步的输入

•  进行设计启动和迭代。在此阶段，将考虑多种设计拓扑和选项，并缩小选择范围以进行进一步分析。在此阶段结束时获得的机器选项将满足前一阶段确定的性能要求。

•  接下来，执行额外的3D分析，以进一步验证设计性能或进行器件故障分析。

  
  

•  最后，对机器的驱动和冷却系统设计进行多物理场和其他类型的分析或仿真。

对于这些步骤中的每一个环节，都可以使用西门子 Simcenter 产品组合的解决方案来整合驱动循环的影响。本文中，我们将重点介绍电机建模和系统集成的系统级仿真。如果您对完整的 1D 到 3D 方法感兴趣，请查看研讨会。

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2

从车辆要求到电机规格

从车辆的主要特性和车辆性能要求出发，目标是获得电动机的性能要求。例如，车辆信息包括其质量、空气动力学参数、车轮尺寸和减速比。

车辆层面的性能要求正在影响主要电机特性。例如，最高速度和传动比决定了电机的最大速度。坡道起步标准会影响最大扭矩，平坡和坡道上的可持续速度会影响连续功率。

为了定义电机转矩-速度要求，在 Simcenter Amesim 中开发一个整车级系统仿真模型。

此模型包括：

• 驾驶员，计算加速器和制动位置以跟踪速度目标。该目标速度可以定义为归一化循环（WLTC，FTP...），或者具有时间或距离函数的速度目标的自定义驱动循环

•  纵向车辆，计算车辆加速度与牵引扭矩、制动扭矩和阻力（如滚动阻力或空气动力阻力）的函数

•  在我们的示例中，电池简化为恒压源

•  一个电机

  
  

•  VCU 定义对电机的扭矩请求和与工作条件相关的制动扭矩

电机模型在此初始阶段经过简化，并将最大扭矩、速度和功率进行参数化。效率是固定的，因为功耗目前不是分析的目标。

该模型首先用于各种驾驶条件，允许模拟峰值性能。例如，从 0 加速到 100 公里/小时、一定坡度路面的可持续速度、车辆满载时的坡道起步......因此，仿真允许设置峰值和连续功率和扭矩。

然后，模拟标准化驾驶循环，例如新欧洲驾驶循环（NEDC）和全球统一轻型车辆测试循环（WLTC）。美国 EPA NYCC 测试专为频繁停车的低速行驶的城市道路工况而开发。此外，用户可以实现任何个人驾驶循环。当要考虑多个周期时，电动机的性能要求会按预期变化。在NYCC测试期间，电机在低速和低转矩条件下使用，而WLTC循环涵盖更高的速度和扭矩。为了根据驱动循环提取最终设计范围，我们将各种循环的结果叠加在一起，用作设计过程的输入。

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3

   电机评估：设计验证    

电机设计完成后，可以再次使用系统仿真从性能、能耗角度验证电机，以及定义冷却系统的要求或研究其他属性，如驾驶性能。

假设电动机是使用Simcenter Motorsolve设计的。Simcenter Amesim可以接收Simcenter Motorsolve产生的磁链图，电阻和铁损。下文中介绍了这四种类型的导出。在我们的例子中，我们使用准静态等效电路模型。该模型考虑了电机的非线性，然后对电流需求、转矩产生和热量释放更具预测性，从而可以正确估计能源效率。

电机数据是更新的电动动力总成模型中的导入器，包括：

• 非线性准静态电机模型

•  DC/AC 逆变器型号，根据全局效率或电力电子元件的特性进行参数化

•  扭矩到电流控制模型，为扭矩目标和转速数据集提供最佳电流设定点。电流设定点通过应用程序自动生成，从电机和逆变器参数开始

我们在下面介绍WLTC驾驶循环的结果。电机足够强大，可以跟随循环，扭矩要求始终低于电机可以提供的最大扭矩。为了执行循环，电机需要 3.22 kWh 的总能量。此信息可用于定义电池的大小以达到特定的范围目标。该模型估计电机拒绝的总热量，从而为热部件提供边界条件。

如果您对冷却系统设计和控制感兴趣，以提高电机效率和耐用性，请查看基于节点、几何形状的电机热模型。

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4

    再生制动策略对续航里程的重要性  

定义最佳的再生制动策略与最小化电机损耗同样重要。如下所述，存在各种简单的控制策略：

· 系列：电机用于断开车辆和电池连接。如果电机无法提供所需的扭矩，VCU将使用车辆制动器来完成制动

· 固定重新分区：电机和机械制动器与固定重新分区一起使用

· 全并联：电机和车辆制动器一起使用，当驾驶员制动扭矩最大时，电机提供最大扭矩。

显然，串联策略在能耗方面是最有效的，因为您可以最大限度地将动能再生为电能。特别是在NYCC测试中，包括在低速时进行大量加速和减速，并且由于低速而限制了空气动力阻力。

但可以想象，电动机的制动功率发生了翻天覆地的变化，当驾驶员松开加速踏板时，会对车辆的机械舒适性产生影响。

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5

再生制动策略对驾驶性能的影响

现在的目标是准确模拟驾驶员松开加速踏板时车辆的机械舒适性。我们将观察车辆纵向、垂直和俯仰加速度等变量。

为了考虑驾驶性能方面，需要将 1D 车辆模型更改为连接到带支架的 2D 电机块模型的 3D 车辆模型。还需要考虑来自电动机的反作用扭矩和电机块上的差速器。

在这里，我们模拟以下操作：完全加速（倾倒）直到车辆达到 30 公里/小时，然后松开踏板直到我们达到 20 公里/小时，然后再次翻入。在串联策略的情况下，电磁扭矩更高，并且对驾驶员松开踏板时的最大减速有影响。

因此，在定义和校准再生策略和参数时，同时捕获燃油经济性和驾驶性能非常重要，以便在这些属性之间找到与车辆要求函数之间的最佳选择。

由于多种动力源（内燃机和电机），对电动汽车有效的方法对于混合动力汽车更为重要。有关更多详细信息，我们可能感兴趣的两篇文章：

· 现代汽车公司如何使用 pre-defines major calibration values using HiL simulation,以提高能源效率和驾驶性能，并将车辆物理测试减少 40%

· 本田研发有限公司如何使用 Simcenter 解决方案解决 solve hybrid engine restart vibrations。

总结

2023/02/16

我们在本文介绍了使用 Simcenter 工具进行电机建模和系统集成的工作流程。这只是 Simcenter 产品组合解决的电机设计学科的一部分。事实上，我们还没有讨论NVH和机械应力分析，这些可以在我们的产品组合中解决。如果您想了解有关这些的更多信息，可以查看我们的网络研讨会系列“Develop reliable and energy-efficient electric machines using simulation"