電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本設(shè)計(jì)

如何在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈、快速迭代的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)中確保今天的正確決策在未來(lái)仍然適用？隨著技術(shù)的快速發(fā)展、需求的不斷增加和供應(yīng)鏈的不確定性，制造商必須在考慮產(chǎn)品范圍和性能的穩(wěn)定性）、電池和變頻器技術(shù)中其他成本軌跡的影響、鋼材價(jià)格變化是否會(huì)導(dǎo)致研究電氣化的現(xiàn)這一目標(biāo)，制造商面臨著諸多挑戰(zhàn)，不僅需要大規(guī)模建設(shè)適用于純電動(dòng)車(chē)的設(shè)施應(yīng)用，同時(shí)許多研究和調(diào)查表明，阻止消費(fèi)者進(jìn)入市場(chǎng)的三大障礙是成本、“里程焦慮”以及與充電和相高達(dá)75%[4]，因此將電池容量降至最低將帶來(lái)巨大的成本效益。然而，由于“里程焦慮”的普遍存在，保證能令人滿意的車(chē)輛行駛里程可能會(huì)適得其反。因此，了解如何有效利用電池容從一個(gè)組件中移除成本會(huì)增加另一個(gè)組件的成本。例如，選擇高能量密度電機(jī)可以降低電機(jī)成統(tǒng)、逆變器、電機(jī)和變速器以及電池中部件的尺寸可以節(jié)省成本。提高這些子系統(tǒng)的效率還可第八屆CTI中國(guó)論壇“汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、智能化和電氣化”以在給定范圍內(nèi)減少所需的電池容量，從而進(jìn)一步提高降低成本的可能性?；蛘?，通過(guò)提高車(chē)用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)的傳統(tǒng)工具和流程不一定適用于日益復(fù)雜的子系統(tǒng)交互，也不一定能滿足行業(yè)不斷變化的需求。這可能會(huì)使開(kāi)發(fā)概念架構(gòu)變得十分耗時(shí)、分散，并且過(guò)度依賴主觀觀點(diǎn)，或者偏向于“已知的解決方案”。因此，客觀地確定“某種車(chē)型的最佳部件組合”以及“一個(gè)長(zhǎng)期電氣化產(chǎn)品戰(zhàn)略內(nèi)容”，這些問(wèn)題的(DSD)工具的開(kāi)發(fā)。促成ePOP流程速生成包含部件和子系統(tǒng)尺寸、質(zhì)量以及效率圖等輸入數(shù)據(jù)，允許模擬數(shù)千種并通過(guò)智能成本功能和權(quán)衡算法進(jìn)行比較。這使得對(duì)成本和效率（或車(chē)輛行駛里程）的權(quán)衡評(píng)這些問(wèn)題間相互聯(lián)系，并通過(guò)將優(yōu)化電氣化動(dòng)力系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)視為一個(gè)整體來(lái)解決。例如，通過(guò)使用大容量電池組可以輕松解決“里程焦慮”問(wèn)題。然而，考慮到英國(guó)高級(jí)推動(dòng)研發(fā)中心此作為一個(gè)單一問(wèn)題處理可能會(huì)導(dǎo)致成本增加，因?yàn)殡姵卣架?chē)輛總成本的比例可高達(dá)75%[4]。因此，用這種方式處理問(wèn)題顯然是不合適的。動(dòng)力成本和效率的優(yōu)化必須與整車(chē)的優(yōu)化同步進(jìn)輛續(xù)航里程。這些措施都解決了有關(guān)純電動(dòng)汽車(chē)高級(jí)市場(chǎng)的擔(dān)憂。然而，為了創(chuàng)建健全的產(chǎn)品策略，還必須對(duì)關(guān)鍵成本因素的潛在成本波穩(wěn)健的產(chǎn)品戰(zhàn)略將這些成本波動(dòng)的潛在影響和其他成本的潛在價(jià)值考慮在內(nèi)，同時(shí)它們對(duì)系統(tǒng)的相對(duì)效益也被納入考量。例如，利用更高級(jí)的稀土磁體，同時(shí)考慮材料成本波動(dòng)影響的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，也可能減少變頻器電流需求，并創(chuàng)建更有效的系統(tǒng)。反過(guò)來(lái)，這又可以減少電池容量并進(jìn)一步提高成本效益。本文將論證ePOP在為工程師提供數(shù)據(jù)時(shí)第八屆CTI中國(guó)論壇“汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、智能化ePOP流程的一個(gè)關(guān)鍵特性是能夠快速準(zhǔn)確地模仿子系統(tǒng)和組件，從而為變頻器、電機(jī)和變速器變體創(chuàng)建輸入數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需求進(jìn)行定制[7]。該過(guò)程為每個(gè)子系統(tǒng)都生成一個(gè)模擬成由軸、軸承以及必要的套管支撐的平行軸系統(tǒng)和行星齒輪組。每一個(gè)都是根據(jù)所需的扭矩和比率來(lái)確定大小，從而可以確定代表性質(zhì)量和功率損耗，然后生成效率圖。也可以通過(guò)在系統(tǒng)圖圖4所示為兩個(gè)變速架構(gòu)的單操作點(diǎn)的功率損失。三級(jí)平行軸變速器比兩級(jí)變速器成本更高，功率損失更大。然而，由于個(gè)別齒輪嚙合比較低導(dǎo)致功率損失的原因也各不相同。最后，三級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更高的總傳動(dòng)比，進(jìn)而使更小、高速模塊產(chǎn)生多種電機(jī)設(shè)計(jì)類型，包括具有多轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)(PMSM)【表面磁鋼該程序接收其他目標(biāo)的拓?fù)湫枨?，如峰值或連續(xù)扭矩或功率。接著，該程序選擇合適的基礎(chǔ)幾何體，以符合熱限值和結(jié)構(gòu)限制內(nèi)的目標(biāo)，并迭代多個(gè)變量，以生成一系列滿足所需規(guī)格的可圖圖6所示為永磁和感應(yīng)電機(jī)單工作點(diǎn)損耗示例。正如預(yù)期，減少銅和鐵的損耗與磁體損耗相互抵消，這使得永磁電機(jī)效率更高。然而，由于磁體含量缺失，感應(yīng)電機(jī)的成本可能會(huì)更低，目前正在考慮使用的兩大變頻器技術(shù)是傳統(tǒng)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和最近研發(fā)成功的碳定制變頻器模型，計(jì)算變頻器效率圖、質(zhì)量和成本，所有這些都是優(yōu)圖圖7為IGBT和SiC變頻器的損耗示例。通過(guò)降低柵極損耗、消除二極管開(kāi)關(guān)損耗，可以發(fā)第八屆CTI中國(guó)論壇“汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、智能化圖7-IGBT和SiC變頻器在給定工作點(diǎn)的損耗分析實(shí)例進(jìn)行性能模擬。后向車(chē)輛模型考慮了車(chē)輛和部件慣性、滾動(dòng)阻力、氣動(dòng)阻力、坡度和效率圖，允許在公平對(duì)比情況下評(píng)估和比較不同系統(tǒng)的運(yùn)行條件。這允許用戶識(shí)別導(dǎo)致可量化性能優(yōu)勢(shì)采用理想化方法模擬多速變速器，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最公平的比較，避免預(yù)定義控制策略的影響。因此，在每一個(gè)汽車(chē)循環(huán)工況期間，車(chē)輛每次都能以最佳檔位運(yùn)行。在后置處理過(guò)基于每個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)子系統(tǒng)的材料成本計(jì)算而得出成本函數(shù)，該函數(shù)針對(duì)所涉及的每個(gè)子系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了精確估算。額外成本和重量可根據(jù)超過(guò)或不達(dá)到重量和/或性能目標(biāo)而增加，或因?qū)аh(huán)工況能耗確定的車(chē)輛續(xù)航里程，并將其與車(chē)輛或應(yīng)用的目標(biāo)里程進(jìn)行比較。隨后每個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)都會(huì)收到成本處罰或成本降低，與已實(shí)現(xiàn)的里程短缺或過(guò)剩成比例。罰款金額是根據(jù)每公里行駛成本來(lái)確定的，使用的是電池的估計(jì)成本，如之前在APC圖圖2中所示。此方法允許為了了解上述系統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì)，我們將定義一個(gè)車(chē)輛案例研究，并探索電氣化動(dòng)力系統(tǒng)的潛在設(shè)計(jì)空間。本研究旨在為動(dòng)力系統(tǒng)及其子系統(tǒng)確定一系列替代解決方案，以及如何權(quán)衡幾個(gè)特本例選擇了一款全電動(dòng)四門(mén)轎車(chē)，并設(shè)定了市場(chǎng)典型性能指標(biāo)；最低最高速度為160公里/小用典型車(chē)輛模擬參數(shù)見(jiàn)附錄表1。第八屆CTI中國(guó)論壇“汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、智能我們將研究一系列其他可選的動(dòng)力系統(tǒng)方案，并將主要子系統(tǒng)、變頻器、電機(jī)和變速器的變化考慮在內(nèi)。對(duì)于電機(jī)，我們考慮了兩種內(nèi)部永磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，“V”形和“U”形，以及感應(yīng)電在WLTC上分析了每一種滿足案例研究車(chē)輛性能標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的約束條件的動(dòng)力系統(tǒng)，共計(jì)超器消耗更少能源，但使用這種新技術(shù)的成本較高。然而，如圖圖8b所示，一旦考慮到電池成圖9展示了與圖圖8相同的數(shù)據(jù)集，但分析了所考慮的其他變速器設(shè)計(jì)的影響；均基于平行軸齒輪的二、三級(jí)單速和二級(jí)雙速。對(duì)于更簡(jiǎn)單的單速配置，我們可以看到齒輪嚙合和軸承的數(shù)量減少及其相關(guān)損失，從而降低了整個(gè)汽車(chē)循環(huán)第八屆CTI中國(guó)論壇“汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、智能化和成本的動(dòng)力成本然而，雙速變速器在兩種單速配置下都消耗更少的能源。雙速變速器使動(dòng)力系統(tǒng)的峰值效率區(qū)動(dòng)力系統(tǒng)之間的差異。正如上文變頻器的選擇，這種性能的提高是以更高的成本為代價(jià)。在這機(jī)構(gòu)以及其后的控制要求。圖9a可以清楚第八屆CTI中國(guó)論壇“汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、智能化考慮在內(nèi)，如圖9b所示，這種差異就被抵消了，這表明雙速變速器的效率優(yōu)勢(shì)可以有效地實(shí)其他變頻器設(shè)計(jì)此階段僅從典型模式考慮動(dòng)力系統(tǒng)和電池的成本。然而，今天所做的決策是關(guān)于未來(lái)幾年將要生產(chǎn)的產(chǎn)品，產(chǎn)品戰(zhàn)略決策可能會(huì)為投資決策提供信息，這些決策闡明了更長(zhǎng)期的技術(shù)選擇另一個(gè)需要考慮的領(lǐng)域是磁體成本的影響。圖2這引起永磁電機(jī)的兩種動(dòng)力系統(tǒng)配置的成本變化。沒(méi)有磁體的感應(yīng)電機(jī)不受影響。如圖11a所示，使用感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)通常在上文討論過(guò)的每種類型的變頻器中成本較高。其中一個(gè)第八屆CTI中國(guó)論壇“汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、智能化峰值當(dāng)今動(dòng)力系統(tǒng)和電池典型成本的成本數(shù)據(jù)。在這種情況下，盡管競(jìng)爭(zhēng)激烈，但基于永磁電機(jī)的預(yù)計(jì)到2035年，電池成本將下降，這將減少提高效率磁和感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)之間的差異。同樣，隨著變頻器成本的降低，感應(yīng)電機(jī)使用較高電流所帶來(lái)的影響也會(huì)降低。結(jié)合2011年的磁體成本峰值，在圖12b中我們未來(lái)幾年專注于特定技術(shù)的制造業(yè)的大規(guī)模投資。制造商可利用的決策數(shù)據(jù)越多，效果就越好。為了制定穩(wěn)健的產(chǎn)品策略，這些決策應(yīng)該充分考慮DSD采用的ePOP系統(tǒng)方法有助于以這種方式評(píng)估動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)電機(jī)等能提高效率得技術(shù)提供了重要價(jià)值。然而，當(dāng)前流行的技術(shù)不一定仍能在未來(lái)成為最強(qiáng)價(jià)值將會(huì)降低。然而，這是在當(dāng)前汽車(chē)?yán)m(xù)航里程不會(huì)增加的假設(shè)下所做的判斷。如果此類預(yù)期持續(xù)增長(zhǎng)，那么電池成本將仍舊是主要影響因素，因?yàn)樵黾永m(xù)航里程的費(fèi)用將抵消每千瓦時(shí)的ePOP等系統(tǒng)方法能將這些發(fā)展的總體影響考慮在內(nèi)，并進(jìn)行潛在的權(quán)衡分析。本文還介紹了其他幾個(gè)例子，從而說(shuō)明這種方法的潛力價(jià)值。盡管已證明提高效率的技術(shù)是有益的，如SiC變頻器、多速變速器或永磁電機(jī)，但為車(chē)輛應(yīng)用選擇正確的整體動(dòng)力系統(tǒng)概念的價(jià)值是至關(guān)重AutomotivePropulsionTechno[3]GreatBritain.Departmentfor[5]S.Fra