純電動汽車動力總成設計的案例
基于SaberRD的純電動汽車動力總成的設計與仿真研究
單級變速器和雙級變速器傳動的電動汽車動力系統
在電動汽車中，傳動系統在傳動系和輪軸之間采用單級變速器（即：單齒輪傳動比）是相當常見，而極少采用雙級變速器。這項最新的研究表明，雙級變速器（雙齒輪傳動比）系統可以提高純電動汽車約4%范圍NEDC續駛里程。
單級變速器
雙級變速器
新一代日產聆風
設計參數來源：日產聆風汽車
基于SaberRD動力系統設計的核心：
純電動汽車動力系統
電機設計
用JMAC有限元求解器建立的高保真永磁同步電機模型包括空間諧波、磁通飽和和頻率相關的鐵損耗。
JMAC有限元求解器 PMSM模型
電機控制
電機由三相電壓源逆變器(VSI)提供電流，該逆變器采用FOC算法控制，實現每安培最大轉矩(MTPA)和弱磁控制，并采用正弦PWM調制方法。
FOC、MTPA、FW控制算法
電壓源逆變器(VSI)和三相PMSM電機
VSI和電機模型是使用dq模型，沒有涉及
切換，這可以實現最大的模擬速度。在模擬中，新歐洲駕駛循環(NEDC)不斷重復，直到電池耗盡。相當于7個小時的駕駛在大約25秒內模擬仿真完畢。這也就是為適當的分析選擇適當的設備模型抽象級別的優點。
NEDC行駛工況
動力電池包
直流電壓源(365V)通過使用SaberRD中的電池工具表征的鋰離子電池來實現。動力電池包-這個模型的精度決定了車速與行駛里程可以被設計驗證。SaberRD電池工具用來描述電池組。該工具可根據數據表中的曲線直觀地創建模型，內置的優化器可將模型特征與數據表曲線進行擬合對齊。
展開 奧迪e-tron純電動汽車的動力總成(下)
如圖15所示，奧迪e-tron電動SUV的電機驅動功率逆變器由上蓋、控制電子裝置、12V接口、高壓直流電接口、通向定子繞組的交流電接口、殼體和密封件組成。奧迪e-tron電動SUV高壓功率電子控制器通過密封件和交流接口與驅動電機連接。
圖15 高壓功率電子控制器結構
1.功能
如圖16所示，電驅動控制單元，也就是功率電子控制器的主要作用是為驅動電機提供所需的交流電。每個電驅動橋都安裝有一個功率電子控制器。它將來自高壓蓄電池的直流電在功率電子控制器內部利用6個IGBT半導體開關模塊組成三相開關電路轉化為交流電。這個轉換是通過脈沖寬度調制來進行的。驅動電機的扭矩和轉速建立分別通過改變脈沖寬度和頻率來進行調節。PWM信號的脈沖寬度導通時間越長則扭矩越大，頻率越高則轉速越高。高壓功率電子控制器冷卻通過低溫冷卻管路來進行。
圖16 功率電子控制器的DC-AC轉換
2.冷卻
功率電子裝置連接在前橋和后橋上低溫冷卻循環管路上。這樣能對功率電子裝置內部的各部件起到良好的冷卻作用。
3.售后服務
功率電子裝置在損壞時只能整體更換。在功率電子裝置的測量數值中，可以讀出車橋的所有測量值，比如溫度、功率、扭矩等。
五、驅動電機相關傳感器
1.電機溫度傳感器
如圖17所示，每個電機上有兩個不同的溫度傳感器。在前橋電機上是前部交流驅動裝置冷卻液溫度傳感器G1110和前部驅動電機溫度傳感器G1093。
圖17 電機溫度傳感器的安裝位置
前部交流驅動裝置冷卻液溫度傳感器G1110用于監控流入的冷卻液的溫度。前部驅動電機溫度傳感器G1093用于測量定子溫度，為了測量精確，G1093是集成在定子繞組上的且采用冗余設計。
展開 奧迪e-tron純電動汽車的動力總成解析(上)
一、驅動電機結構
1.驅動電機的相關參數
如圖1所示，奧迪e-tron電動車平臺和傳統內燃機車平臺是有所不同的，兩臺異步電機分別位于前后軸，電池位于車身的中間，布局在車底位置。位于前軸的電機(圖2)最大功率是125kW，boost模式下能夠達到135kW。位于后軸的電機(圖3)最大功率140kW，在boost模式可以爆發165kW。多數時間下，e-tron都只靠后軸的電機驅動，需要時轉化為四驅模式。這兩臺電動機，最大功率合計為265kW，峰值扭矩561N·m，0-100km/h加速時間為6.6s，要是增壓boost模式下，0-100km/h加速時間可以達到5.7s。奧迪e-tron配備了95kW時的鋰離子電池，電池單次充電可以行駛400km。
圖1 奧迪e-tron異步電機的安裝位置
圖2 位于前軸的電機
圖3 位于后軸的電機
動力電機內部集成減速齒輪組，減小尺寸。同時電機上部集成電機驅動功率逆變器。進一步簡化高壓布線，使得純電總成更緊湊。電驅動橋既保證了高功率密度，又能夠很好地適應后軸空間嚴苛的要求。更高的功率密度需要更好的電機熱管理系統。奧迪e-tron引入了高效的前后軸電驅動橋電機電控水冷系統。前橋電驅動裝置采用的APA 250平行軸式異步電機相關參數見表1，后橋電驅動裝置采用的AKA 320同軸式異步電機相關參數見表2。
表1 APA 250平行軸式異步電機技術數據
表2 AKA 320同軸式異步電機技術數據
2.驅動電機的結構
奧迪e-tron車上使用的驅動電機是異步電機。每個電機的主要部件有：帶有3個呈120°布置銅繞組(U，V，W)的定子，轉子(鋁制籠型轉子)。轉子把轉動傳入齒輪箱。
展開 純電動汽車動力總成懸置支架主動端拓撲優化分析
純電動汽車動力總成懸置支架主動端拓撲優化.pptx
對某純電動汽車動力總成懸置主動端進行拓撲優化，找出材料最優分布空間，為輕量化提供參考。
通過不同的優化控制條件進行不同程度的拓撲計算。
目標函數：最小應變能指數
約束條件：最小頻率500Hz、最大體積分數0.3
優化控制條件：最小尺寸（20mm，15mm，25mm）、最大尺寸（40mm，30mm，50mm）、最大應力（150Mpa）
拔模約束：Draw
捕獲.jpg
通過四個優化方案對比得出：方案四相對于方案一、方案二和方案三，質量減少，且應力明顯下降，較為推薦。 當前優化結果主要針對載荷傳遞路徑，實際結構應參考工程經驗及制造方案進行細節優化與設計。對于實際設計，可參考此種結構的拓撲構型，底部貫穿孔適當擴大，上部做出適當填補調整。
展開 
基于整車工況的電動汽車動力總成系統效率優化設計方法
在基于NEDC 工況平均效率基本不變的情況下，電機成本下降約20%左右，為以后實際工作中的動力總成成本的優化設計提供了設計方法。
圖8 方案三電機效率MAP 圖分布
針對整車工況和參數要求，根據汽車理論知識，利用MATLAB程序，編制了一個流程化的小軟件（圖9），能夠快速計算整車工況的能耗分布和平均效率，指導我們進行動力總成的優化設計。
圖9 軟件運行界面
結論
本文基于整車參數要求和整車工況要求，結合汽車理論知識，提出了一種電動汽車動力總成匹配整車NEDC 工況效率最優的正向設計方法。通過匹配設計使得NEDC 工況下動力總成的平均效率提高了3%，通過對減速器速比的合理優化增大，使得動力總成的成本下降20%，且無需提高減速器、電機及電控等零部件的最高效率。
最后，基于這種方法編制設計軟件，該軟件可以針對不同整車及工況，快速獲得動力系統效率最優的組件參數。
展開 基于Adams的電動汽車動力總成懸置系統分析與優化設計
作者：張 珂
單位：陜西汽車控股集團有限公司
研究方向：車輛動力懸置設計
來源：汽車實用技術雜志社
引言
電動載貨汽車屬于新能源汽車，作為重要的物流運輸車輛，其在應對城市環境污染、能源危機方面有著巨大的優勢，由于物流行業的快速發展，城市和城郊對電動輕卡的需求量日益增長。加之國家對新能源汽車的的優惠政策及運營成本低等特點使電動汽車越來越被人們接受，人們對電動汽車的舒適性也提出更高的要求。
電動載貨汽車的NVH性能主要取決于動力總成的振動、路面的激勵、駕駛室的激勵等，本篇文章主要從動力總成振動控制方面入手，利用Adams軟件優化動力總成懸置剛體模態，分析影響車輛行駛品質的相關因素，從振動的產生的根源上優化懸置設計。
1 電動載貨汽車優化的基本目標
由于電動載貨汽車不使用傳統的燃油發動機，所以電動載貨車的動力總成振動情況不同于傳統的燃油車輛，理論上應該把電機所有工作轉速范圍內產生的振動通過懸置系統加以阻隔，從而降低傳遞給汽車底盤和車身的振動，改善整車NVH性能。
展開 基于整車工況的電動汽車動力總成系統效率優化設計方法
在基于NEDC 工況平均效率基本不變的情況下，電機成本下降約20%左右，為以后實際工作中的動力總成成本的優化設計提供了設計方法。
圖8 方案三電機效率MAP 圖分布
針對整車工況和參數要求，根據汽車理論知識，利用MATLAB程序，編制了一個流程化的小軟件（圖9），能夠快速計算整車工況的能耗分布和平均效率，指導我們進行動力總成的優化設計。
圖9 軟件運行界面
結論
本文基于整車參數要求和整車工況要求，結合汽車理論知識，提出了一種電動汽車動力總成匹配整車NEDC 工況效率最優的正向設計方法。通過匹配設計使得NEDC 工況下動力總成的平均效率提高了3%，通過對減速器速比的合理優化增大，使得動力總成的成本下降20%，且無需提高減速器、電機及電控等零部件的最高效率。
最后，基于這種方法編制設計軟件，該軟件可以針對不同整車及工況，快速獲得動力系統效率最優的組件參數。
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展開 基于動力性指標的純電動汽車電機參數設計
汽車加速性能曲線t-v是單調遞增的，因此每個電機峰值功率對應一組加速時間。該函數命名為P m ax2 tv1-v2
則構建目標函數：
4.3 使用單純形法優化求解
對于不同車速加速度段指標，在式（13）中設置v1，v2即可。本文基于（13）式設計電機的不同指標功率有如下4項：P 0～ 50， P 50 ～80，P 0～ 100， P v1 ～v2。
該最優化問題只有 待優化參數，因此使用二分法、最速下降法、單純形優化法等優化工具都是可行的。本文發現使用單純形法解該問題速度更快，且MATLAB中自帶該函數。因此本文選擇使用單純形法求解該優化問題。
5 設計實例
通過最高車速、加速性能、爬坡性能三類指標的設計，可以看出電機的最大轉速僅與汽車最高設計速度有關，而電機峰值功率則與各指標均相關。因此對于電機功率設計是冗余設計，取滿足最苛刻指標的功率。
重新依據公式（1）～（12）逆向計算出真實指標與目標指標的偏差，作為指標達成度。達成度越大的指標說明初始指標定義過高；達成度越小的指標為100%，說明該指標是當前定義的所有指標中動力系統最難以達成的指標。
5.1 已知參數
純電動汽車設計階段，首先根據市場調研結果對車身參數與動力性指標進行初步定義。表1所示舉例為某車型的市場調研階段定義的動力性能指標，表2所示舉例為該車型整車及動力總成已知參數。基于以上公式在MATLAB中編制設計程序，設計結果如下。
5.2 設計結果
經過設計，被測電機的最高轉速為8900rpm，峰值功率為57kW，峰值扭力為155Nm。設計MAP如圖2所示。空載，標準載荷，滿載的動力性參數對比如表3所示：
圖2 電機MAP及其外特性設計結果
6 結論
電動汽車動力性指標與驅動電機參數的關系研究具有冗余設計的特點。
展開 基于動力性指標的純電動汽車電機參數設計
5 設計實例
通過最高車速、加速性能、爬坡性能三類指標的設計，可以看出電機的最大轉速僅與汽車最高設計速度有關，而電機峰值功率則與各指標均相關。因此對于電機功率設計是冗余設計，取滿足最苛刻指標的功率。
重新依據公式（1）～（12）逆向計算出真實指標與目標指標的偏差，作為指標達成度。達成度越大的指標說明初始指標定義過高；達成度越小的指標為100%，說明該指標是當前定義的所有指標中動力系統最難以達成的指標。
5.1 已知參數
純電動汽車設計階段，首先根據市場調研結果對車身參數與動力性指標進行初步定義。表1所示舉例為某車型的市場調研階段定義的動力性能指標，表2所示舉例為該車型整車及動力總成已知參數。基于以上公式在MATLAB中編制設計程序，設計結果如下。
5.2 設計結果
經過設計，被測電機的最高轉速為8900rpm，峰值功率為57kW，峰值扭力為155Nm。設計MAP如圖2所示。空載，標準載荷，滿載的動力性參數對比如表3所示：
圖2 電機MAP及其外特性設計結果
6 結論
電動汽車動力性指標與驅動電機參數的關系研究具有冗余設計的特點。將設計指標定義全面，各指標設計求算更合理，才能獲得更高精度的設計結果。本文總結了電動汽車的加速性能指標、爬坡性能指標、最高車速指標，并研究了各類指標的設計方法。實踐證明，該方法有效可靠，應用于電機選型設計階段。當電機選型確定并在市場上找到對應的電機供應商以后，為下一步汽車動力性經濟性仿真開發工作提供更精確的電機參數。
表3 設計結果
展開 電動汽車動力總成噪聲分析與優化
動力總成是純電動汽車的動力來源,其振動與噪聲性能是影響汽車舒適性的關鍵因素。純電動汽車動力總成由電機及減速器組成。永磁同步電機因體積小、功率密度高等優點而廣泛應用于電動汽車。永磁同步電機電磁噪聲和減速器嘯叫噪聲是純電動汽車NVH(noise vibration and harshness)開發中的常見問題,優化上述2種噪聲是提高純電動汽車動力總成NVH性能的重要手段。
目前,國內外對減速器齒輪嘯叫噪聲和永磁同步電機電磁噪聲都有較多的研究。減速器嘯叫是由內部齒輪在嚙合傳動中所受的不平穩的激振力和嚙合過程的傳動誤差引起的一種中高頻噪聲,其優化多是通過對齒輪進行微觀修形,改善齒輪嚙合狀況。
永磁同步電機電磁噪聲的根源是電機內部氣隙中各諧波磁場產生的交變電磁力。電磁力有切向分量和徑向分量。徑向電磁力在引起電磁振動及噪聲方面起主要作用,它使定子鐵芯產生徑向振動,徑向振動產生的噪聲是電機電磁噪聲的主要成分。
永磁同步電機電磁噪聲的優化主要有2種途徑:① 改變電機機械結構;② 減少電樞電流的諧波含量。
本文以一臺某型號純電動汽車動力總成為研究對象,首先分析了動力總成減速器的階次噪聲;然后解析分析了動力總成驅動電機的徑向電磁力特性，并利用Maxwell軟件進行仿真,識別出電機可能產生的噪聲階次;最后提出了采用聲學包包裹降低動力總成噪聲的優化措施,并進行了試驗驗證。
1 動力總成噪聲來源分析
本文研究的動力總成如圖1所示。
展開 一期一會 | 什么是電動汽車動力總成？
本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。
電動汽車（EV）是指依靠電力驅動的汽車，其動力通常由電池（BEV）或燃料電池（FCEV）提供。電動汽車動力總成是指電動汽車中將電能轉換為機械運動的系統。
電動汽車動力總成包括：
儲能系統——電池或燃料電池
電力電子設備——支持相關控制的逆變器/轉換器
電氣機械裝置——能量轉換系統（電機）
機械系統——傳動系統
值得注意的是，電動汽車傳動系統還包括傳動軸及其機械部件。此外，電動汽車動力總成在運行過程中不會產生尾氣排放，有助于提供更綠色環保的交通運輸方案。
一、什么是動力總成？
動力總成是車輛內部的一組組件，可產生并控制動力，驅動車輛。
純電動汽車（BEV）正在成為電動汽車的標準，因設計更簡潔、維護成本更低，2023年占全球電動汽車總量的70%，2022年占輕型商用電動車銷量的98%。
純電動汽車動力總成由幾部分構成：用于存儲電能的電池組、用于轉換電源以驅動電機的逆變器、將電能轉換為機械運動的電動機（也稱原動機），以及控制從電機到車輪的動力輸出的齒輪箱。
與需要發動機、燃油噴射系統和排氣系統的內燃機（ICE）相比，電動汽車動力總成是一種不同的架構，其不會產生尾氣排放和內燃機噪聲。此外，其活動部件更少，因此磨損更少，維護成本通常也更低，因為不再需要火花塞和機油更換等高維護項目。
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新能源汽車講解丨電動車動力總成架構
新能源汽車講解丨電動車動力總成架構
純電動汽車電驅動總成NVH分析與優化研究
作者：劉祥環丨中南大學
隨著純電動汽車產業的發展，電驅動總成的集成程度越來越高，國內零部件廠商的“二合一”“三合一”“六合一”的驅動系統總成都陸續面世。在給整車客戶帶來快速方便的動力匹配的同時，電驅動系統一直存在的問題及產生的原因也越來越復雜，這其中就包括動力總成的NVH、效率及綜合耐久性問題等。
電驅動總成嘯叫原因分析
純電動汽車電驅動總成通常由電機和減速器組成，多采用永磁同步電機加兩級減速器的組合形式。電驅動總成存在嘯叫的原因復雜，主要包括：電機電磁激勵、減速器系統共振和電驅動總成系統耦合模態共振等。結合某型號電驅動總成在整車試驗過程中，客戶發現存在結構共振問題，本文主要通過MASTA軟件分析，對動力總成進行仿真分析，找出動力總成出現結構共振的原因，并加以修正。
在整車搭載NVH測試過程中，可通過LMS數據采集前端采集車內近場噪聲數據，將采集到的數據通過LMS Test.Lab數據分析軟件對近場噪聲進行噪聲階次分析，找出發生嘯叫的對應階次，再通過嘯叫噪聲階次分析，判斷嘯叫噪聲的激勵源。
展開 電動汽車動力電池均衡方法研究 附電動汽車動力電池管理系統設計譚曉軍下載
根據當前我國對于均衡裝置的電流評定標準來看，組合電池的電流應當是動力電池的0.05倍或者0.1倍，在此區間內是比較合適的。
3.2均衡結果
組合電池的內部差異會影響電動汽車的運行效率與安全性，因此為了減少電池荷電狀況的異常，采用均衡裝置將組合電池進行連接，改善電池的性能，增長電池的使用周期。例如對28組12Ah、336V的鎳氫組合電池進行電源輸出，經過測量和得出電壓差異值低于0.05V。此外，將該組合電池的電壓降低到電池荷電狀況的10%，將此范圍內的所有組合電池進行對比，就可以得出組合電池的均衡前后電壓差異指數為50mA，說明均衡效果顯著。再者，組合電池的均衡前電壓小于均衡后的電壓，并且動力電池的容量上升49Ahs，同比增加16%。得出如果上述組合電池不進行均衡處理，就會導致電池差異性越發嚴重，使得動力電池的輸出功率大大降低。
4結語
本文就當前電動汽車動力電池的均衡中存在的問題進行闡述，并使用上述均衡方式進行實驗，將12Ah、336V的鎳氫組合電池采用集中均衡與分散均衡的方法進行實驗，根據結果所得的電壓差異都小于0.05V，符合均衡檢測的標準。從另一方面說明采用均衡方式解決組合電池之間額不平衡差異是十分有效的。但是如果在進行解決的過程中，由于組合電池的數目較大，導致動力電池的內部差異過大，此時應當將組合電池的規格、體積、質量進行統一，加設檢測節點，及時尋找出其中存在問題的組合電池，能夠在一定程度彌補均衡方式的不足之處。
下載地址：電動汽車動力電池管理系統設計譚曉軍
展開 麥格納高管提醒：OEM已提出40+種動力總成配置需求，未來的電動汽車將非常復雜
然而，麥格納動力總成集團戰略負責人 Ron Frawley 表示，哪怕有這些合作伙伴的幫助，從目前以內燃機為主的市場轉向一個全電動的未來，仍然將對各級工程師提出了巨大挑戰。
麥格納最近與LG共同成立的合資公司將建立在供應商自行開發的高級電驅動上。該系統集成的電機額定峰值功率高達 125 kW，是與伊利諾伊理工學院和威斯康星大學麥迪遜分校合作研發。研發目標是將現有電機的功率密度提高 8 倍，且成本砍到一半。（麥格納）
“截至 2021 年，’傳統’動力總成市場有 8 到 10 種基本動力總成配置。”Frawley指出，但受到全球空氣質量法規的影響，發動機/變速器組合的總數有所下降。他引用了麥格納的預測數據稱，到 2030 年，電氣化系統在全部動力總成中的比例將達到 50%，其中各類混合動力汽車將占主要份額而純電動汽車將占到 12 到 16%，非混合動力內燃機車型仍將在全部動力總成中占據 23% 的份額。
麥格納動力總成集團戰略負責人 Ron Frawley 表示：“OEM客戶已經向麥格納提出了多達40種的動力總成配置需求。”
Frawley 解釋說，這種曠日持久、代價高昂的轉型“讓形勢更加復雜多變”。轉型將首先發力于如何在現有架構上支持PHEV、HEV和EV動力系統。此外還包括提供“各種功率等級”的電機。在此背景下，麥格納收到了來自OEM的各種各樣的需求，功率等級從 15 kW 到 300 kW，工作電壓從 48 V 到800 V 不等。這些電機可以安裝在車輛的 5 個不同位置，包括 BSG、電動車橋、甚至是輪端驅動等等。
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