虽然现在纯电动轿车 (BEVs) 在整个商场中所占的份额相对较小[1]，但估量在未来 5 至 10 年内，纯电动轿车 (BEVs) 将开端代替传统动力体系，并在 2040 年后主导商场[2]。可是，要完结这一方针，制造商面对着许多应战，不只需求大规模建造适用于纯电动车的设备运用，一起还要在快速增长和不断改动的环境下抢占商场份额。
许多研讨和查询标明，阻挠顾客进入商场的三大妨碍是本钱、“路程焦虑”以及与充电和相关根底设备的忧虑[1] [2] [3]。为了抢占商场份额，制造商有必要拟定能够处理这些问题的产品战略，供给更具本钱效益的处理计划，一起供给能满意顾客日益增长的续航路程需求的纯电动轿车。
在纯电动轿车总本钱上，电池的本钱不行小觑（代表贮能处理计划中相对价值的巨大改动），高达 75%[4]，因而将电池容量降至最低将带来巨大的本钱效益。可是，因为“路程焦虑”的普遍存在，确保能令人满意的车辆行进路程或许会拔苗助长。因而，了解怎么有用运用电池容量，一起仍能到达操作规模方针，是稳健产品战略的必要条件之一。在这种情况下，需求咱们更全面地看待动力本钱优化，因为传统的以部件为中心的本钱工程实际上或许会发生晦气影响。从一个组件中移除本钱会添加另一个组件的本钱。例如，挑选高能量密度电机能够下降电机本钱，但对更高电流的需求或许会导致变频器本钱添加。
为了有用地做到这一点，咱们需求审慎考虑每个动力子体系[5]。如图图 1 所示，缩小每个子体系、逆变器、电机和变速器以及电池中部件的尺度能够节约本钱。进步这些子体系的功率还能够在给定规模内削减所需的电池容量，然后进一步进步下降本钱的或许性。或许，经过进步车辆行进路程进步产品竞赛优势。
用于规划和优化动力体系的传统东西和流程纷歧定适用于日益杂乱的子体系交互，也纷歧定能满意职业不断改动的需求。这或许会使开发概念架构变得非常耗时、涣散，并且过度依靠片面观念，或许倾向于“已知的处理计划”。因而，客观地确认“某种车型的最佳部件组合”以及“一个长时间电气化产品战略内容”，这些问题的答案将变得非常困难。
答复此类问题需求一种全面考量过的体系性办法，正是这种理念推进了 Drive System Design (DSD) 东西的开发。促进 ePOP 流程的要害要素是子体系和组件的共同规划，该规划使得流程构建完好的动力变体以进行仿照。
ePOP 可快速生成一系列可行的动力候选计划，适用于各种拓扑结构和布局规划。ePOP 可快速生成包含部件和子体系尺度、质量以及功率图等输入数据，答应仿照数千种共同的动力组合，并经过智能本钱功用和权衡算法进行比较。这使得对本钱和功率（或车辆行进路程）的权衡评价成为或许，而这二者对电动轿车的未来展开至关重要。
这些问题间彼此联络，并经过将优化电气化动力体系和电动轿车视为一个全体来处理。例如，经过运用大容量电池组能够轻松处理“路程焦虑”问题。可是，考虑到英国高档推进研制中心（UKAdvanced Propulsion Centre) [2]2017 年核算的典型电池本钱约为 280 美元/千瓦时，将此作为一个单一问题处理或许会导致本钱添加，因为电池占车辆总本钱的份额可高达 75%[4]。因而，用这种办法处理问题显然是不适宜的。动力本钱和功率的优化有必要与整车的优化同步进行。这或许以最小化电池容量和后续本钱的办法呈现，或许在某指定车辆渠道上最大化添加车辆续航路程。这些办法都处理了有关纯电动轿车高档商场的忧虑。可是，为了创立健全的产品战略，还有必要对要害本钱要素的潜在本钱动摇进行充沛考量。
高档推进研制中心发布的预期本钱轨迹示例如图 2 所示。制造商在开发产品时应该考虑到未来资料本钱的潜在趋势，一起准备好操控未成功下降本钱带来的危险。
图 2 - 电气化动力子体系和资料的本钱趋势；a) 英国高档推进研制中心的本钱猜测[2]，b) 氧化钕本钱，2009 - 2025 年 [6]
图2b 展现了钕的价格是怎么在 2011 年大幅飙升（钕是许多轿车发动机部件的首要资料）[6]。稳健的产品战略将这些本钱动摇的潜在影响和其他本钱的潜在价值考虑在内，一起它们对体系的相对效益也被归入考量。例如，运用更高档的稀土磁体，一起考虑资料本钱动摇影响的产品规划，也或许削减变频器电流需求，并创立更有用的体系。反过来，这又能够削减电池容量并进一步进步本钱效益。本文将证明 ePOP 在为工程师供给数据时所运用办法的价值，以便工程师在挑选概念战略时对权衡研讨有一个正确的观点。
ePOP 流程的一个要害特性是能够快速准确地仿照子体系和组件，然后为变频器、电机和变速器变体创立输入数据，并依据运用的需求进行定制 [7]。该进程为每个子体系都生成一个仿照车辆和本钱函数所必需的专属特性。
变速子体系建模程序能够为任何特性传输架构生成输入数据。选用模块化办法，将变速器拆分红由轴、轴承以及必要的套管支撑的平行轴体系和行星齿轮组。每一个都是依据所需的扭矩和比率来确认巨细，然后能够确认代表性质量和功率损耗，然后生成功率图。也能够经过在体系中添加离合器等来添加多速变速器设备，运用相似的办法确认其尺度。
图4所示为两个变速架构的单操作点的功率丢失。三级平行轴变速器比两级变速器本钱更高，功率丢失更大。可是，因为单个齿轮啮合比较低导致功率丢失的原因也各不相同。最终，三级规划完结了更高的总传动比，进而使更小、高速、低扭矩的电机变得可行。
电机模型是经过Python内部开发的子程序生成的，该子程序调用 Motor-CAD，并主动参数化模型以生成功率图、资料质量和惯量。如图5所示，电机生成程序能够运用恰当的 Motor-CAD 模块发生多种电机规划类型，包含具有多转子拓扑结构的永磁同步电机 (PMSM) 【外表磁钢(SPM) 和嵌式永久磁体 (IPM)】、感应电机和开关磁阻电机 (SRM)。
该程序接纳其他方针的拓扑需求，如峰值或接连扭矩或功率。接着，该程序挑选适宜的根底几何体，以契合热限值和结构约束内的方针，并迭代多个变量，以生成一系列满意所需规范的可行规划。一旦生成一个 Motor-CAD 模型，就能够相应地确认质量和功耗。
图 6所示为永磁和感应电机单作业点损耗示例。正如预期，削减铜和铁的损耗与磁体损耗彼此抵消，这使得永磁电机功率更高。可是，因为磁体含量缺失，感应电机的本钱或许会更低，但假如没有完好的体系办法，就不清楚这种较廉价的电机挑选是否会因而被对体系的影响所抵消。
现在正在考虑运用的两大变频器技能是传统的绝缘栅双极晶体管(IGBT) 和最近研制成功的碳化硅 (SiC) 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。ePOP 选用 DSD 公司开发和验证的定制变频器模型，核算变频器功率图、质量和本钱，一切这些都是优化进程必需的输入数据。
图7为 IGBT 和 SiC 变频器的损耗示例。经过下降栅极损耗、消除二极管开关损耗，能够发现 SiC 变频器比规范的 IGBT 更高效。可是，这一长处需求添加额定的本钱。这一额定添加的本钱使得用户的自己权衡利弊：关于给定的运用程序，SiC 变频器何时成为可行的处理计划，以及能够运用动力体系的其余部分做些什么来完结这个决议计划？
依据Matlab/Simulink的车辆模型，运用后向模型进行轿车循环工况仿照，一起运用前向模型进行功能仿照。后向车辆模型考虑了车辆和部件惯性、翻滚阻力、气动阻力、斜度和功率图，以核算运转条件和轿车循环工况能耗。
车辆模型将子体系功能与车辆特点直接相关，例如加快度、最高速度或轿车循环工况功率，并答应在公正比照情况下评价和比较不同体系的运转条件。这答运用户辨认导致可量化功能优势的趋势。
选用理想化办法仿照多速变速器，对动力传动体系结构进行最公正的比较，防止预界说操控战略的影响。因而，在每一个轿车循环工况期间，车辆每次都能以最佳档位运转。在后置处理进程中才核算换档能耗，以便将一切能量丢失/再生考虑在内，一起还考虑了换档功率。
依据每个动力传动子体系的资料本钱核算而得出本钱函数，该函数针对所触及的每个子体系架构进行了准确预算。额定本钱和分量可依据超越或不到达分量和/或功能方针而添加，或因导致与 NVH 相关危险或超越给定的包装体积或形状而遭到处分。
电动轿车本钱的要害要素之一是电池。在本钱函数中，该进程将比较由给定的电池容量和轿车循环工况能耗确认的车辆续航路程，并将其与车辆或运用的方针路程进行比较。随后每个动力体系都会收到本钱处分或本钱下降，与已完结的路程缺少或过剩成份额。罚款金额是依据每公里行进本钱来确认的，运用的是电池的估量本钱，如之前在 APC 图2中所示。此办法答运用户量化动力总成功率出资的优势。
为了了解上述体系办法的优势，咱们将界说一个车辆事例研讨，并探究电气化动力体系的潜在规划空间。本研讨旨在为动力体系及其子体系确认一系列代替处理计划，以及怎么权衡几个特定运用，以确认满意能耗和本钱方针的最佳处理计划。
本例挑选了一款全电动四门轿车，并设定了商场典型功能指标；最低最高速度为 160 公里/小时，在 7.5 秒或更短时间内从 0 加快到 100 公里/小时，固定电池容量为 100 千瓦时。其他运用典型车辆仿照参数见表 1。
咱们将研讨一系列其他可选的动力体系计划，并将首要子体系、变频器、电机和变速器的改动考虑在内。关于电机，咱们考虑了两种内部永磁拓扑结构，“V”形和“U”形，以及感应电机。各电机峰值功率均在 170 至 200 千瓦之间，极数和相电流均不相同。每台电机都与 IGBT 或依据变频器的 SiC MOSFET 配对。最终，将每种电机 - 变频器组合与三种代替变速器进行匹配。为了下降本事例研讨的杂乱性，咱们只考虑了平行轴装备，并且仅限于单速或双速变速器。单速变速器由两个或三个档位组成，而双速仅限于两个档位。为了评价能耗和本钱的最佳装备，咱们仿照了许多不同的操作条件，每个齿轮啮合的比率都有大幅度的改动。
在 WLTC 上剖析了每一种满意事例研讨车辆功能规范所设定的约束条件的动力体系，合计超越 17,500 种可行计划。每个潜在变体所发生的动力耗费和动力本钱如 图 8 所示，其间能够看到许多已剖析的共同动力体系。图 8a 显现独立于储能设备的动力体系，而图8b 将电池本钱的组合影响视为动力体系全体本钱中的一部分。
图 8 中两个明晰的群集标明晰本研讨剖析的两种变频器类型，橙色为 SiC 变频器，蓝色为IGBT 变频器。咱们看到两个能够预料到的特征：因为削减开关和二极管损耗，所以 SiC 变频器耗费更少动力，但运用这种新技能的本钱较高。可是，如图 8b 所示，一旦考虑到电池本钱的影响，两种变频器选项之间的相对体系本钱差异将显着变小，这阐明动力体系其余部分的电池本钱是首要影响要素。
每个仿照变量的能耗差异需求进一步留意。许多一级供货商和车辆制造商要么运用 SiC 变频器，要么运用这些变频器以进步功率。可是，最好和最差的 IGBT 体系之间的差异远大于换用 SiC 变频器所发生的收益，这突出了在概念阶段进行体系等级剖析的潜在长处。
图 9 展现了与图 图 8 相同的数据集，但剖析了所考虑的其他变速器规划的影响；均依据平行轴齿轮的二、三级单速和二级双速。关于更简略的单速装备，咱们能够看到齿轮啮合和轴承的数量削减及其相关丢失，然后下降了整个轿车循环工况的动力耗费。
图 8 - 轿车循环工况能耗与可选变频器规划的动力本钱；a) 仅动力体系本钱,b) 包含当时电池本钱的动力本钱
图 9 - 轿车循环工况能耗与可选变速器规划的动力总本钱钱 a)动力总本钱钱仅限，b) 动力总本钱钱包含当时电池本钱
可是，双速变速器在两种单速装备下都耗费更少的动力。双速变速器使动力体系的峰值功率区得到更高效的运用，当功率下降时，更易于换档。这将下降动力耗费，并缩小最高效和最低效动力体系之间的差异。正如上文变频器的挑选，这种功能的进步是以更高的本钱为价值。在这种情况下，挑选不同的双速变速器不只会导致与附加反转构件相关的额定本钱，还会导致换档组织以及这以后的操控要求。图 9a 能够清楚看见仅考虑动力体系的本钱，可是一旦将电池本钱考虑在内，如图 9b 所示，这种差异就被抵消了，这标明双速变速器的功率优势能够有用地完本钱钱报答。
图 10 - 轿车循环工况能耗与 2035 年估量动力本钱（包含电池）比照；a) 其他变速规划，b) 其他变频器规划
此阶段仅从典型形式考虑动力体系和电池的本钱。可是，今日所做的决议计划是关于未来几年即将出产的产品，产品战略决议计划或许会为出资决议计划供给信息，这些决议计划阐明晰更长时间的技能挑选（例如出产线b 考虑了本钱改动对之前所评论的两个研讨范畴——变频器和变速器的影响。
如 图2a 所示，APC 估量到 2035 年，电池本钱将比 2017 年下降 60% 以上，一起变频器本钱也将下降约 40%[2]。能够估量，虽然现在挑选运用 SiC 变频器的本钱比 IGBT 高，但跟着该技能被更广泛地选用，这一本钱差异将会缩小。
图 10 效果标明，电池本钱的影响现已大幅下降，不同变频器之间的差异也相应地逐步缩小。这或许导致对人们数据有另一种解说，然后做出另一种决议计划。例如，图10a 标明，双速变速器的功率好处不再显着，因而与其他单速变速器的差异也已大大减小。在此例中，现已考虑了单辆车的运用，可是当考虑多辆车或渠道时，运用单速变速器的决议计划或许会更有吸引力。图 10b 效果标明，SiC 与 IGBT 的本钱差异现已很小了。这种剖析能够与现在的技能评价结合运用，以当时的本钱来衡量新技能的潜力，以及何时出资能够获得长时间收益。
另一个需求考虑的范畴是磁体本钱的影响。图2b 显现了自 2009 年以来钕本钱的动摇改动，作为影响许多轿车发动机本钱的首要要素，咱们有必要考虑这种改动的影响。图 11a 显现了运用当时典型磁体本钱的轿车循环工况能耗与动力体系本钱的联系（不包含电池）。图 11b 显现了相同的效果，可是运用 2011 年钕的峰值本钱来代替磁体本钱进行核算的。
这引起永磁电机的两种动力体系装备的本钱改动。没有磁体的感应电机不受影响。如 图 11a 所示，运用感应电机的动力体系一般在上文评论过的每品种型的变频器中本钱较高。其间一个原因是在可接受包装体积中，为了到达功能要求而需求添加相电流。可是，这种添加的相电流会导致变频器本钱添加。因而，虽然没有磁体的电机本钱较低，但净效应会导致本钱添加。
图 11 - 轿车循环工况能耗与动力本钱（不包含电池）；a) 当时磁体本钱，b) 2011 年磁体本钱峰值
假如 2011 钕的本钱峰值按 图 11b 展开，则这一趋势将会改动。磁体本钱越高，永磁动力体系的本钱也就越高。现在，能够在变频器的本钱结尾找到依据感应电机的变体。
这种特征行为在 图 12 中得到进一步证明（包含电池本钱的影响）。图 12a 中运用的是能代表当今动力体系和电池典型本钱的本钱数据。在这种情况下，虽然竞赛剧烈，但依据永磁电机的动力体系仍在动力耗费和本钱方面比感应电机功能好。图 12b 提出了一个与上文所评论情况相似的计划，即到 2035 年，电池和变频器的本钱都将大幅下降。可是如图 11 所示，在这种情况下，磁体本钱已添加到与 2011 年相同的本钱峰值。
图 12 - 轿车循环工况能耗与动力本钱（包含电池）；a) 当时本钱，b) 估量 2035 年电池和变频器本钱将到达 2011 年磁体本钱的峰值
估量到 2035 年，电池本钱将下降，这将削减进步功率对总本钱的相对影响，然后缩小依据永磁和感应电机的动力体系之间的差异。相同，跟着变频器本钱的下降，感应电机运用较高电流所带来的影响也会下降。结合 2011 年的磁体本钱峰值，在 图 12b 中咱们能够看到一个彻底不同的走向。功率最高的永磁动力体系和感应电机动力体系在能耗和本钱上的差异变得很小，这标明未来拟定电气化动力体系战略时感应电机动力体系将发挥极大作用。
混合动力电动轿车和纯电动轿车技能品种繁复，展开迅速。因而，在这样一个快速展开的职业中，制造商和供货商在拟定产品战略方面面对巨大应战。现在所做的产品战略决议计划最终将影响未来几年专心于特定技能的制造业的大规模出资。制造商可运用的决议计划数据越多，作用就越好。为了拟定稳健的产品战略，这些决议计划应该充沛考虑现在和未来的商场情况。
DSD 选用的 ePOP 体系办法有助于以这种办法评价动力体系产品概念，并可确认其未来的影响。电池本钱凹凸对当时商场中的体系本钱有着巨大影响，为 SiC 变频器、多速变速器和永磁电机等能进步功率的技能供给了重要价值。可是，当时盛行的技能纷歧定仍能在未来成为最强壮的处理计划。
假如预期的电池本钱轨迹是可信的，那么能够猜测，在未来10 到 20 年内，高功率技能的相对价值将会下降。可是，这是在当时轿车续航路程不会添加的假设下所做的判别。假如此类预期持续增长，那么电池本钱将仍旧是首要影响要素，因为添加续航路程的费用将抵消每千瓦时的潜在本钱，而进步功率的技能仍将很有价值。
ePOP 等体系办法能将这些展开的全体影响考虑在内，并进行潜在的权衡剖析。本文还介绍了其他几个比方，然后阐明这种办法的潜力价值。虽然已证明进步功率的技能是有利的，如 SiC 变频器、多速变速器或永磁电机，但为车辆运用挑选正确的全体动力体系概念的价值是至关重要的。挑选相关的任何子体系或组件等级能够进步功率并下降潜在本钱。要害字：修改：什么鱼 引证地址：浅析电动轿车传动优化流程
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