电动汽车与混合动力汽车新一代的模拟工具设计（一）

摘要：  电动马达提供动力，那些双重功能的马达(电动机-发电机)能够从多种不同类别的新车型上收集能量。除了知名的本田普锐斯混合动力车以外，其它数家汽车生产商也已提供或正在开发插电式混合动力(plug-in hybrid)、轻度混合动力(mild hybrid)甚至微混合动力(micro hybrid，无动力)车型(见表1)。尽管每家厂商所用的术语略有不同，但永磁同步电机(PMSM)是绝大多数厂家的选择。

关键字：  电动汽车，  混合动力汽车，  燃油的车型，  电力电子器件

汽车行业中，发展迅猛的电动汽车与混合动力汽车正在经历很大的变化。尽管从销售量来看，它们还远远落后于采用燃油的车型，但汽车生产商已经从中学到了不少。其中的一点就是，汽车设计师已经无法满足于当前为工业应用而开发的的运动控制元件了。

汽车生产商也在运用联合购买力，使得新产品更贴合自己的需求。与此同时，电力电子器件、微控制器、系统设计和开发工具等方面对电力的使用也在发生变化。

马达的发展

电动马达提供动力，那些双重功能的马达(电动机-发电机)能够从多种不同类别的新车型上收集能量。除了知名的本田普锐斯混合动力车以外，其它数家汽车生产商也已提供或正在开发插电式混合动力(plug-in hybrid)、轻度混合动力(mild hybrid)甚至微混合动力(micro hybrid，无动力)车型(见表1)。尽管每家厂商所用的术语略有不同，但永磁同步电机(PMSM)是绝大多数厂家的选择。

汽车推进方面，马达是运动控制系统的核心。汽车厂商和供应商正在持续改进现有的设计，同时开发新的技术。现在有至少两种不同的趋势。其中一个和新型马达设计有关，另一个使用了我们更加熟悉的方法。

更熟悉的方法是，高性能永磁电机必须使用的永磁材料成本不断增加，正在迫使汽车厂商及其一级供应商重新评估其他的马达替代设计，特别是感应马达。

2011年，底特律举行的SAE大会上，UQM Technologies公司工程副总裁Jon Lutz探讨了永磁电机的替代品。UQM Technologies开发、生产高能效比的电动马达、发电机以及电力电子控制器。

Lutz说，用于永磁电机的永磁材料主要来自中国。由于成本增加四倍，而且经常缺货，之前不太被看好的的感应电机和绕线磁极式电机现在吸引了更多的关注。Lutz还指出，目前的材料研究可以将特定级别的电机中使用的永磁材料降低至最少，还可以用其他磁体代替。功率半导体的技术的进步，包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)器件就是众多替代电机技术中，能够提升性能的技术。

更激进的一种方式是，轮毂电机将显著提升电力和混合动力汽车的表现。Protean Electric的首席技术官Andy Watts表示。Protean Electric的Protean Drive是整合了三相、永磁直驱的汽车推进解决方案。每个点击都有内置的逆变器、控制电子和软件(图1)。

Protean 在一部福特F150电动车里安装了四个轮内马达，以400V直流驱动运行， Protean Drive PD18内置了逆变器技术，扭矩为300Nm/rpm，峰值功率为84kW，额定功率为54kW。

模拟马达控制

模拟工具是每个汽车厂商和许多零部件供应商工具箱的一部分，能够帮助汽车更快上市，同时避免开发错误对生产造成影响以及带来质量和可靠性的问题，从而导致损失。由于电动车和混合动力车的复杂度不断攀升，无论是新马达、新部件还是系统级的改进，这些新一代的设计都需要模拟工具。

Ansys公司在2008年收购了Ansoft，所以可以提供新的模拟工具。Ansys的先进技术开发总裁Scott Stanton指出，永磁电机的关注度仍在上升。

Stanton说，“我们有客户正在研究电动机如何采用更细致的建模方式，为系统工程师提供更详尽的模型。”和基于马达参数的建模技术相比更重要的是，其电感和电容对先进的建模有很大影响。现在，Ansys的工程师正和客户紧密合作，希望能通过解法器得到马达性能的表现。Stanton 说，“他们会用电磁解法器分析问题，将电机的表现特性化，然后创建模型。”新模型的使用对马达特性有主要影响(图2)。

改进的系统分析能力是重新评估新马达技术的一部分。Stanton表示，他有很多客户都在研究永磁马达的替代品。

他说“六七年前，当我们开始和客户谈的时候，他们在使用永磁马达设计，现在突然都找上门说，我们正在解决感应马达的问题和磁阻马达的问题”。除了对比马达的性能之外，客户还通过模拟工具建立了针对感应马达的新的控制策略，这比控制永磁马达更难。

然而，采用Ansys的方法的同时，系统厂商也在评估SiC 和GaN器件，确定这些新技术能够为混合动力汽车带来其优势和问题。

Synopsys Saber提供一套物理建模和模拟工具，汽车厂商和一级供应商可以用这一工具来设计、验证和优化牵引马达控制中的电力电子器件。Synopsis Saber 产品线的业务开发高级经理Lee Johnson说，“Saber的工具能够让用户分析和优化在单独运作或整合进完整系统的独立子系统。

Synopsys工程师也参与了SiC和GaN新材料在电动车和混合动力车设计中的重要部分。Johnson说，“我们推出了第一款SiC器件模型，让用户开始了解这些新技术对他们马达控制设计的影响和冲击。”

稀土磁体材料的成本不断上升，间接推动了对于其他马达技术的研究。Johnson 表示其他的成本如用于控制电子的复杂度、热度和电磁兼容性表现、电机的可靠性的成本都必须纳入考虑。“Saber的模拟工具为客户提供了评估新型马达和控制策略的平台，而硬件原型和物理测试设备的开销并没有上升，”他说。

基于模型的设计(Model-based deisign)和MathWorks的工具已经大量应用于电动车和混合动力车的牵引马达中，用途包括生产项目和快速建模。这些复杂度的不断提升是使用基于模型设计的有力因素。

MathWorks的汽车行业经理Wensi Jin 表示，“我们发现能够实现设计的可操作的模型应用广泛，使用模拟工具实现设计折衷，使用自动代码生成工具用以具体的实现。”

MathWorks的应用工程经理Chris Fillyaw把宝押在不断发展的SimPowerSystem上，利用他的电力驱动库和电力电子元件模型简化电动或混合动力系统开发。“Fillyaw说，利用库里的构件实现设计折衷和控制器验证，从而快速构建马达驱动的系统级模型的能力，对于马达控制开发者来说非常重要。”(图3)

不断增加的系统复杂性需要更强大的处理能力，以实现嵌入式控制器的模拟和执行。结果是，Fillyaw发现马达控制的开发人员对ASIC和FPGA的兴趣更大了。这些器件能提供足够的处理带宽，为处于硬件在环仿真(HIL)的控制器提供电机实时测试模型的执行。

Fillyaw说，“Simulink HDL Coder 可用于从模型中生成HDL(硬件描述语言)代码，可以用行业标准的工具模拟和同步，然后在FPGA和ASIC平台上实现。”

电动汽车马达的计算能力

最早的电动车和混合动力车的马达控制依赖于专长，很多时候这些专长来自传统汽车MCU厂商。例如，作为领先的汽车电子MCU厂商，瑞萨在电动车和混合动力车领域投入多年，现在正在开发下一代系统和设计导入。

……(待续)