保时捷电机模型的认知

电机模型——方法，使用和验证 

如果没有复杂的仿真工具，将无法满足现代汽车开发流程中日益增长的需求。对电动车来说更是如此：动态行驶，可以在一定时间内提供短暂的功率提升，但是很快就会达到负荷极限。为了能够在每个开发阶段准确预测输出和能耗，电气化动力总成的准确仿真是绝对必要的——Dr. Malte Jaensch（这哥们儿是保时捷工程部电驱动总成的老大）

电动车性能准确仿真的核心是电机模型。电机的核心看似非常简单：只有外壳、转子、定子和两个轴承，但事实上是一个非常复杂的热、电、机械的机构，建模和验证充满各种挑战。

1、整车模型及其主要部件

一个合适的用于计算功率和能耗的电动车模型包括很多独立的模型模块。最重要的模型模块，以及他们之间的相互作用的更多细节，如图1所示。

图1 简化的BEV仿真模型

驾驶员模型扮演着控制器的角色，将给定的速度曲线上的车速设定点，和来自车辆动力学模型的实际的车速进行比较，并通过油门和制动踏板来尝试进行车速跟随。而控制元件将踏板位置转换为或正或负的扭矩需求发送给逆变器。然后逆变器模型将匹配的交流电流传递给电机模型，电机模型再把电机电源端的交流电压信息发回给逆变器。电池模型主要是管理直流电流和电压的关系，和电机模型一样，电流被看做模型的输入，电压是输出。

在电机内部，发生着从电功率到机械功率的转换。在电动机模式下，电机模型接收电流输出扭矩，然后扭矩就被作为输入传递给传动总成模型。传动总成模块代表了多个传动系统部件，比如变速器，差速器和离合器。传递到车辆动力学模型的扭矩都由传动总成模型控制，计算车辆的反应，比如车速和轮胎转速，重量平衡，轮胎打滑等等关系。

组成电气化动力总成的很多零部件都要求在实车中进行液冷。因此相应的部件模型也有关于热的子模型，模型使用冷却剂温度作为输入参数。温度改变的计算主要基于冷却剂温度，并且取决于每个模块的单位损耗。

2、电机建模

一个典型的电机模型是由四个组成部分：电磁模型，功率损失模型，热模型和机械模型（见图2）。

图2 电机模型的组成模块

电磁模型有两个主要功能：第一，它计算交流电压是交流电流，扭矩角，角频率，绕组（铜）温度和磁体温度的函数。第二，它估算内部转矩是电流，转矩角，功率损失和磁体温度的函数。

功率损耗模型基于电流、转矩角、角频率和温度等参数计算电机内部的损耗。为了覆盖各种不同的损失类型，功率损耗模型也包括各种子模型。

热模型计算模型部件（例如绕组，定子，转子和外壳）的温度以及初始的冷却液温度。冷却介质的流速和输入温度都要考虑在内。

机械模型可以很基本，在计算可用输出扭矩的时候只考虑电机的惯性。

电机模型的内部工作其实是一种简化的描述，各个模块之间其实存在高度的相互依赖，逆变器的调节动作也进一步增加了这种依赖性。而准确的建模来表示这种复杂行为，是仿真中最大的挑战之一。

仿真的质量是由其接近现实结果的程度决定的。在电机模型可以被用作整车模型一部分之前，建立的模型需要进行准确性验证，主要是通过对比计算的结果和电机测试台架上的数据两者之间的关系。

3、电机模型验证的测量

测试计划的简化示例，可以被OEM用做电机系列化开发的一部分，包括六个主要类别的测试（见图3）。开始测试来决定基础的电机参数，将执行一系列的测试项目：机械测试，给电机加上机械负载在壳体和轴上；环境测试，将电机暴露在较差的环境条件下，比如盐雾、水和高温中；在变化的气候条件下进行三种耐久性测试，还有仿真工程师们认为最重要的测试，性能测试。

图3  标准电机测试流程概览

对于电机模型的验证，性能测试的结果和电机参数的检查是极其重要的，即便他们各自都不足以构成一个完整的验证。然而，测量的数据提供了模型验证的基础。如果测量值和计算结果的差距太大，那么就会对几何尺寸，材料属性和模型系数进行调整。因此，通过重复这些步骤（仿真——测量——对比——调整），模型会让我们离真实测量结果越来越近。

4、验证电磁模型

为了验证一个复杂的子模型，经常要求额外的特殊测试，如下5个例子所示：

计算的和测量的开路电压对比

一个非常简单且有用的验证电磁模型的测试方法是去比较计算的和测量的开路电压。在电气连接状态下，一个电机（同步）被动旋转期间测量的开路电压，见图4。基本的建模错误，比如错误的几何形状或者错误的绕组模型，都会立刻显现出来。

图4计算和测量的开路电压对比

除了工程师的技能和知识外，模型的准确性是由选择的建模方法决定的：有限元法（FEM）提供了极其准确的结果；而分析方法，例如交流电压的波形，只能提供一个大致的图形。

转矩和电流的比较

验证电池模型的另一个测试，是比较扭矩和电流的相互关系（见图5）。在低速的情况下，交流电流逐步增加，而净扭矩在每个状态下都测的到。在大电流下，铁的饱和效应导致电流边际效用递减。至于这种效应在建模的时候是否该被考虑以及如何被考虑，只能由计算和测量的对比来决定。

图5 扭矩和电流的相互关系

测量阻力损失

功率损失模型是几个不同的损失模型的组合，并一起来决定电机的行为。功率损失是电磁以及热模型和很多优化方法之间的连接纽带。

阻力损失包括机械以及由于转子的旋转磁场和定子相互影响所产生的电磁铁损失（如图6）。这些损失可以通过用一个剔除磁体或者用钝化材料代替磁体的电机重复试验来将机械和电磁铁损失分开。可以通过让电机在一个转速范围进行被动旋转，并记录下所需扭矩的方法来进行测量。

图6转速范围的阻力损失

铜损和铁损计算

除了机械损失和铁损，在铜绕组上的欧姆损失也起着重要作用。这些铜损的计算在大多数情况下比较简单，只要电阻和温度已知。另外，这也允许铁损从总损失中分离出来（如图7）。铁损本身可以更进一步的分为涡流损失和磁滞损失，他们可以通过各自的频率相关性识别出来，因此可以作为验证论证中的子模型的基础。

图7恒定扭矩下的功率损失

验证热模型

最后的例子展示了如何利用一个简单的测试调整热模型的电容和电阻：在一个设定的转速下，电机受限于最大的扭矩。结果是温度升高到达一个特定的阈值，这时候逆变器降低功率防止电机过热（就是降额）。在大约30分钟之后（如图8），电机达到它的稳定状态。在峰值功率阶段（S6）的前几秒钟的损失，主要积累成电机在最初几秒的热质量。测量的温度梯度因此也可以被用来验证各自的热容。一旦电机稳定并且输出额定功率（S1），就没有净功率流进流出热质量。热容和热阻因此也可以被分别测量。因此确定的值也可以被用作热模型的系数。

图8功率、电流和温度的变化

5、总结

电机是高度复杂的电子、机械、热系统。每个模型必须考虑到它是否可以得到精确的仿真结果。电机模型和它的不同子模型的验证，对于一个精确和可行的计算来说是绝对必要的，而这种验证也需要在在试验台架上进行综合测试。基本的数据设置是由OEM的测试提供的，而这种测试也是标准测试的一部分。然而，复杂模型的验证要求额外的测试手段。电机模型的整合和测量，对于一个电气化动力总成行为的精确仿真是非常重要的。因为，电机是电气化动力总成的中心，电机影响着整个车辆的行为。

个人观感

正文结束，照例要叨逼叨几句个人感言：

1、电机是核心

一直以来，国内的新能源产业界对电池的重视程度要比电机高出好几个数量级。大家一致认为搞定电池就能搞定电动车，甚至得电池者得天下。而这篇文章从另一个角度对电机的重要性给予了非常多的强调，不仅仅是因为电机在整个车辆动力学建模仿真中，由于自身具有的热、机械、电的多维复杂性，给精确仿真带来了不小的挑战；也由于电机作为驾驶员扭矩需求反馈的执行机构，和其他电力电子部件，传动总成，电池系统等有着最为密切的关联，对整车的动态特性和行为起着决定性作用，对整个驾乘体验有着非常重要的意义，也从某种程度上决定着整车的效率和能耗。因而，保时捷认为电机才是重中之重，核心中的核心。

2、解耦是王道

我个人一直认为解耦是解决工程领域问题的最重要的思维方式和方法论。这篇文章提到了很多例证，我只提两个，一个是电机本身作为电、机械、热的高度杂糅集成系统，在建模过程中被解耦为电磁模型，功率损失模型，热模型和机械模型；另外一个更微观，是在计算铁损的过程中，通过频率的相关性来将涡流损失和磁滞损失进行解耦并识别。如果我们加以延伸，是否任何的工程问题，无论是材料、机械、电子、电化学，甚至生物医药领域的极度复杂或者“高维度”问题都可以通过解耦来解决。

3、问题即答案

这个判断源自文章中提到的“功率损失是模型和优化方法之间的连接纽带”这一说法。其实，我们将问题的本质分析清楚的过程，是最高效的求解思路和方法。很多时候，我们找不到答案或者答案本身不正确，往往是我们对问题理解的不准确或者过于片面造成的。恰如产品定义的准确与否，很大程度上取决于对应用场景的感知和判断；咨询方案的适配程度，也基本与对公司自身问题剖析的准确和深入程度呈正比。