淺析電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)優(yōu)化流程

介紹

盡管目前純電動(dòng)汽車(chē) (BEVs) 在整個(gè)市場(chǎng)中所占的份額相對(duì)較小[1]，但預(yù)計(jì)在未來(lái) 5 至 10 年內(nèi)，純電動(dòng)汽車(chē) (BEVs) 將開(kāi)始取代傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)，并在 2040 年后主導(dǎo)市場(chǎng)[2]。然而，要實(shí)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)還要在快速增長(zhǎng)和不斷變化的環(huán)境下?lián)屨际袌?chǎng)份額。

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”以及與充電和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的擔(dān)憂[1] [2] [3]。為了搶占市場(chǎng)份額，制造商必須制定能夠解決這些問(wèn)題的產(chǎn)品戰(zhàn)略，提供更具成本效益的解決方案，同時(shí)提供能滿足消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的續(xù)航里程需求的純電動(dòng)汽車(chē)。

在純電動(dòng)汽車(chē)總成本上，電池的成本不可小覷（代表貯能解決方案中相對(duì)價(jià)值的巨大變化），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量，同時(shí)仍能達(dá)到操作范圍目標(biāo)，是穩(wěn)健產(chǎn)品戰(zhàn)略的必要條件之一。在這種情況下，需要我們更全面地看待動(dòng)力成本優(yōu)化，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的以部件為中心的成本工程實(shí)際上可能會(huì)產(chǎn)生不利影響。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)成本，但對(duì)更高電流的需求可能會(huì)導(dǎo)致變頻器成本增加。

為了有效地做到這一點(diǎn)，我們需要審慎考慮每個(gè)動(dòng)力子系統(tǒng)[5]。如圖圖 1 所示，縮小每個(gè)子系統(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)輛行駛里程提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

圖 1 - 電氣化動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

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)題的答案將變得十分困難。

回答此類(lèi)問(wèn)題需要一種全面考量過(guò)的系統(tǒng)性方法，正是這種理念推動(dòng)了 Drive System Design (DSD) 工具的開(kāi)發(fā)。促成 ePOP 流程的關(guān)鍵因素是子系統(tǒng)和組件的獨(dú)特設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使得流程構(gòu)建完整的動(dòng)力變體以進(jìn)行模擬。

ePOP 可快速生成一系列可行的動(dòng)力候選方案，適用于各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和布局設(shè)計(jì)。ePOP 可快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)千種獨(dú)特的動(dòng)力組合，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)估成為可能，而這二者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展至關(guān)重要。

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（UK Advanced Propulsion Centre) [2]2017 年計(jì)算的典型電池成本約為 280 美元/千瓦時(shí)，將此作為一個(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)行。這可能以最小化電池容量和后續(xù)成本的形式出現(xiàn)，或者在某指定車(chē)輛平臺(tái)上最大化增加車(chē)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動(dòng)進(jìn)行充分考量。

高級(jí)推動(dòng)研發(fā)中心公布的預(yù)期成本軌跡示例如圖 2 所示。制造商在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)該考慮到未來(lái)材料成本的潛在趨勢(shì)，同時(shí)準(zhǔn)備好控制未成功降低成本帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 2 - 電氣化動(dòng)力子系統(tǒng)和材料的成本趨勢(shì)；a) 英國(guó)高級(jí)推動(dòng)研發(fā)中心的成本預(yù)測(cè)[2]，b) 氧化釹成本，2009 - 2025 年 [6]

圖2b 展示了釹的價(jià)格是如何在 2011 年大幅飆升（釹是眾多汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的主要材料）[6]。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)所使用方法的價(jià)值，以便工程師在選擇概念策略時(shí)對(duì)權(quán)衡研究有一個(gè)明智的看法。

子系統(tǒng)模型

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)模擬車(chē)輛和成本函數(shù)所必需的專(zhuān)屬特性。

變速器模型

變速子系統(tǒng)建模程序能夠?yàn)槿魏翁匦詡鬏敿軜?gòu)生成輸入數(shù)據(jù)。采用模塊化方法，將變速器拆分成由軸、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)中添加離合器等來(lái)添加多速變速器裝置，使用類(lèi)似的方法確定其尺寸。

圖 3 - 可添加的一系列變速系統(tǒng)裝置

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、低扭矩的電機(jī)變得可行。

圖 4 - 給定工作點(diǎn)的兩種變速器設(shè)計(jì)的功率損耗示例

電機(jī)模型

電機(jī)模型是通過(guò) Python 內(nèi)部開(kāi)發(fā)的子程序生成的，該子程序調(diào)用 Motor-CAD，并自動(dòng)參數(shù)化模型以生成效率圖、材料質(zhì)量和慣量。如圖5所示，電機(jī)生成程序能夠利用適當(dāng)?shù)?Motor-CAD 模塊產(chǎn)生多種電機(jī)設(shè)計(jì)類(lèi)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(SPM) 和嵌式永久磁體 (IPM)】、感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) (SRM)。

圖 5 - 可以使用一系列不同的電機(jī)類(lèi)型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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)格的可行設(shè)計(jì)。一旦生成一個(gè) Motor-CAD 模型，就可以相應(yīng)地確定質(zhì)量和功耗。

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，但如果沒(méi)有完整的系統(tǒng)方法，就不清楚這種較便宜的電機(jī)選擇是否會(huì)因此被對(duì)系統(tǒng)的影響所抵消。

圖 6 - 給定工作點(diǎn)的兩種電機(jī)設(shè)計(jì)的功率損耗示例

變頻器模型

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)成功的碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。ePOP 采用 DSD 公司開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的定制變頻器模型，計(jì)算變頻器效率圖、質(zhì)量和成本，所有這些都是優(yōu)化過(guò)程必需的輸入數(shù)據(jù)。

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)現(xiàn) SiC 變頻器比標(biāo)準(zhǔn)的 IGBT 更高效。然而，這一好處需要增加額外的成本。這一額外增加的成本使得用戶的自己權(quán)衡利弊：對(duì)于給定的應(yīng)用程序，SiC 變頻器何時(shí)成為可行的解決方案，以及可以利用動(dòng)力系統(tǒng)的其余部分做些什么來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)決策？

圖 7 - IGBT 和 SiC 變頻器在給定工作點(diǎn)的損耗分析實(shí)例

車(chē)輛模型

基于 Matlab/Simulink 的車(chē)輛模型，使用后向模型進(jìn)行汽車(chē)循環(huán)工況模擬，同時(shí)使用前向模型進(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，以計(jì)算運(yùn)行條件和汽車(chē)循環(huán)工況能耗。

車(chē)輛模型將子系統(tǒng)性能與車(chē)輛屬性直接相關(guān)，例如加速度、最高速度或汽車(chē)循環(huán)工況效率，并允許在公平對(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)的趨勢(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)程中才計(jì)算換檔能耗，以便將所有能量損失/再生考慮在內(nèi)，同時(shí)還考慮了換檔效率。

系統(tǒng)成本

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)е屡c NVH 相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)或超過(guò)給定的包裝體積或形狀而受到處罰。

電動(dòng)汽車(chē)成本的關(guān)鍵因素之一是電池。在成本函數(shù)中，該過(guò)程將比較由給定的電池容量和汽車(chē)循環(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2中所示。此方法允許用戶量化動(dòng)力總成效率投資的優(yōu)勢(shì)。

案例研究

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)特定應(yīng)用，以確定滿足能耗和成本目標(biāo)的最佳解決方案。

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/小時(shí)，在 7.5 秒或更短時(shí)間內(nèi)從 0 加速到 100 公里/小時(shí)，固定電池容量為 100 千瓦時(shí)。其他應(yīng)用典型車(chē)輛模擬參數(shù)見(jiàn)表 1。

表 1 - 車(chē)輛模擬參數(shù)

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)電機(jī)。各電機(jī)峰值功率均在 170 至 200 千瓦之間，極數(shù)和相電流均不相同。每臺(tái)電機(jī)都與 IGBT 或基于變頻器的 SiC MOSFET 配對(duì)。最后，將每種電機(jī) - 變頻器組合與三種替代變速器進(jìn)行匹配。為了降低本案例研究的復(fù)雜性，我們只考慮了平行軸配置，并且僅限于單速或雙速變速器。單速變速器由兩個(gè)或三個(gè)檔位組成，而雙速僅限于兩個(gè)檔位。為了評(píng)估能耗和成本的最佳配置，我們模擬了大量不同的操作條件，每個(gè)齒輪嚙合的比率都有大幅度的變化。

結(jié)果

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)超過(guò) 17,500 種可行方案。每個(gè)潛在變體所產(chǎn)生的能源消耗和動(dòng)力成本如 圖 8 所示，其中可以看到大量已分析的獨(dú)特動(dòng)力系統(tǒng)。圖 8a 顯示獨(dú)立于儲(chǔ)能裝置的動(dòng)力系統(tǒng)，而圖8b 將電池成本的組合影響視為動(dòng)力系統(tǒng)整體成本中的一部分。

圖 8 中兩個(gè)清晰的群集表示了本研究分析的兩種變頻器類(lèi)型，橙色為 SiC 變頻器，藍(lán)色為IGBT 變頻器。我們看到兩個(gè)可以預(yù)料到的特征：由于減少開(kāi)關(guān)和二極管損耗，所以 SiC 變頻器消耗更少能源，但使用這種新技術(shù)的成本較高。然而，如圖 8b 所示，一旦考慮到電池成本的影響，兩種變頻器選項(xiàng)之間的相對(duì)系統(tǒng)成本差異將明顯變小，這說(shuō)明動(dòng)力系統(tǒng)其余部分的電池成本是主要影響因素。

每個(gè)模擬變量的能耗差異需要進(jìn)一步注意。許多一級(jí)供應(yīng)商和車(chē)輛制造商要么利用 SiC 變頻器，要么使用這些變頻器以提高效率。然而，最好和最差的 IGBT 系統(tǒng)之間的差異遠(yuǎn)大于換用 SiC 變頻器所產(chǎn)生的收益，這突出了在概念階段進(jìn)行系統(tǒng)等級(jí)分析的潛在好處。

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)工況的能源消耗。

圖 8 - 汽車(chē)循環(huán)工況能耗與可選變頻器設(shè)計(jì)的動(dòng)力成本；a) 僅動(dòng)力系統(tǒng)成本,b) 包括當(dāng)前電池成本的動(dòng)力成本

圖 9 - 汽車(chē)循環(huán)工況能耗與可選變速器設(shè)計(jì)的動(dòng)力總成成本 a)動(dòng)力總成成本僅限，b) 動(dòng)力總成成本包括當(dāng)前電池成本

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)得到更高效的利用，當(dāng)效率降低時(shí)，更易于換檔。這將降低能源消耗，并縮小最高效和最低效動(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)。在這種情況下，選擇不同的雙速變速器不僅會(huì)導(dǎo)致與附加回轉(zhuǎn)構(gòu)件相關(guān)的額外成本，還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q檔機(jī)構(gòu)以及其后的控制要求。圖 9a 可以清楚看見(jiàn)僅考慮動(dòng)力系統(tǒng)的成本，但是一旦將電池成本考慮在內(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)現(xiàn)資本回報(bào)。

圖 10 - 汽車(chē)循環(huán)工況能耗與 2035 年預(yù)計(jì)動(dòng)力成本（包括電池）對(duì)比；a) 其他變速設(shè)計(jì)，b) 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（例如生產(chǎn)線投資）。圖 10a 和圖 10b 考慮了成本變化對(duì)之前所探討的兩個(gè)研究領(lǐng)域——變頻器和變速器的影響。

如 圖2a 所示，APC 預(yù)計(jì)到 2035 年，電池成本將比 2017 年降低 60% 以上，同時(shí)變頻器成本也將降低約 40%[2]?？梢灶A(yù)計(jì)，雖然目前選擇使用 SiC 變頻器的成本比 IGBT 高，但隨著該技術(shù)被更廣泛地采用，這一成本差異將會(huì)縮小。

圖 10 結(jié)果表明，電池成本的影響已經(jīng)大幅降低，不同變頻器之間的差異也相應(yīng)地逐漸縮小。這可能導(dǎo)致對(duì)人們數(shù)據(jù)有另一種解釋?zhuān)瑥亩龀隽硪环N決策。例如，圖10a 表明，雙速變速器的效率益處不再明顯，因此與其他單速變速器的差異也已大大減小。在此例中，已經(jīng)考慮了單輛車(chē)的應(yīng)用，但是當(dāng)考慮多輛車(chē)或平臺(tái)時(shí)，使用單速變速器的決策可能會(huì)更有吸引力。圖 10b 結(jié)果表明，SiC 與 IGBT 的成本差異已經(jīng)很小了。這種分析可以與目前的技術(shù)評(píng)估結(jié)合使用，以當(dāng)前的成本來(lái)衡量新技術(shù)的潛力，以及何時(shí)投資可以獲得長(zhǎng)期收益。

另一個(gè)需要考慮的領(lǐng)域是磁體成本的影響。圖2b 顯示了自 2009 年以來(lái)釹成本的波動(dòng)變化，作為影響眾多汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)成本的主要因素，我們必須考慮這種變化的影響。圖 11a 顯示了使用當(dāng)前典型磁體成本的汽車(chē)循環(huán)工況能耗與動(dòng)力系統(tǒng)成本的關(guān)系（不包括電池）。圖 11b 顯示了相同的結(jié)果，但是使用 2011 年釹的峰值成本來(lái)代替磁體成本進(jìn)行計(jì)算的。

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(lèi)型的變頻器中成本較高。其中一個(gè)原因是在可接受包裝體積中，為了達(dá)到性能要求而需要增加相電流。然而，這種增加的相電流會(huì)導(dǎo)致變頻器成本增加。因此，盡管沒(méi)有磁體的電機(jī)成本較低，但凈效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致成本增加。

圖 11 - 汽車(chē)循環(huán)工況能耗與動(dòng)力成本（不包括電池）；a) 當(dāng)前磁體成本，b) 2011 年磁體成本峰值

如果 2011 釹的成本峰值按 圖 11b 發(fā)展，則這一趨勢(shì)將會(huì)改變。磁體成本越高，永磁動(dòng)力系統(tǒng)的成本也就越高?，F(xiàn)在，可以在變頻器的成本末端找到基于感應(yīng)電機(jī)的變體。

這種特征行為在 圖 12 中得到進(jìn)一步證明（包括電池成本的影響）。圖 12a 中使用的是能代表當(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)的動(dòng)力系統(tǒng)仍在能源消耗和成本方面比感應(yīng)電機(jī)性能好。圖 12b 提出了一個(gè)與上文所探討情況類(lèi)似的方案，即到 2035 年，電池和變頻器的成本都將大幅降低。然而如圖 11 所示，在這種情況下，磁體成本已增加到與 2011 年相同的成本峰值。

圖 12 - 汽車(chē)循環(huán)工況能耗與動(dòng)力成本（包括電池）；a) 當(dāng)前成本，b) 預(yù)計(jì) 2035 年電池和變頻器成本將達(dá)到 2011 年磁體成本的峰值

預(yù)計(jì)到 2035 年，電池成本將下降，這將減少提高效率對(duì)總成本的相對(duì)影響，從而縮小基于永磁和感應(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 中我們可以看到一個(gè)完全不同的走向。效率最高的永磁動(dòng)力系統(tǒng)和感應(yīng)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)在能耗和成本上的差異變得很小，這表明未來(lái)制定電氣化動(dòng)力系統(tǒng)策略時(shí)感應(yīng)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)將發(fā)揮極大作用。

結(jié)論

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)種類(lèi)繁多，發(fā)展迅速。因此，在這樣一個(gè)快速發(fā)展的行業(yè)中，制造商和供應(yīng)商在制定產(chǎn)品戰(zhàn)略方面面臨巨大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在所做的產(chǎn)品戰(zhàn)略決策最終將影響未來(lái)幾年專(zhuān)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)該充分考慮現(xiàn)在和未來(lái)的市場(chǎng)狀況。

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)品概念，并可確定其未來(lái)的影響。電池成本高低對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)中的系統(tǒng)成本有著巨大影響，為 SiC 變頻器、多速變速器和永磁電機(jī)等能提高效率的技術(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)大的解決方案。

如果預(yù)期的電池成本軌跡是可信的，那么可以預(yù)測(cè)，在未來(lái)10 到 20 年內(nèi)，高效率技術(shù)的相對(duì)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(lèi)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)的潛在成本，而提高效率的技術(shù)仍將很有價(jià)值。

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)重要的。選擇相關(guān)的任何子系統(tǒng)或組件級(jí)別可以提高效率并降低潛在成本。

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