純電動汽車驅(qū)動電機匹配研究現(xiàn)狀

1、純電動汽車驅(qū)動電機匹配研究現(xiàn)狀 前 言 2009 年IPCC（政府間氣候變化專門委員會）評估報告指出：氣候異常以及因地球變暖而出現(xiàn)的生態(tài)改變等事實要求各國在能源需求結(jié)構(gòu)上必須盡早進行模式轉(zhuǎn)換，主動轉(zhuǎn)向可再生能源。環(huán)境污染與能源短缺問題是21 世紀全球共同面對的重大課題，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的燃料不可持續(xù)性、高污染等問題越來越受到人們的重視。根據(jù)BP（英國石油集團公司）報告，全球每日石油消耗量在2020 年將達到9300 萬桶。2007年全球每天石油消費過半（57%）用于交通領(lǐng)域。據(jù)IEA（國際能源機構(gòu)）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計到2020年交通用燃料占全球石油總消耗的62%以上。因此，對于車輛用新能源的探

2、索和開發(fā)日益迫切，各國紛紛開始思考汽車業(yè)的發(fā)展方向。 目前，中國的人口、資源、環(huán)境已經(jīng)出現(xiàn)瓶頸，持續(xù)發(fā)展理念與新能源的利用已經(jīng)提到政府的發(fā)展日程上。汽車節(jié)能是一個重要課題，提高汽車能量效率，減少汽車尾氣有害物質(zhì)排放，使用新能源，最終達到保護環(huán)境的目的已成為國際上的通行做法，也是我國現(xiàn)階段發(fā)展汽車工業(yè)的目標(biāo)。 基于以上前提，構(gòu)建綠色交通體系，純電動汽車必將成為一種趨勢和潮流。純電動汽車完全以動力電池為動力源，而電池充電可以有多種來源途徑，可以做到零排放，無污染。但是電動汽車續(xù)駛里程制約了電動汽車的普及和發(fā)展。因此，對動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進行合理設(shè)計和匹配，已成為電動汽車研究熱點之 一。目前，在動力電

3、池和其他技術(shù)取得有效突破之前，對電動汽車動力傳動系部件的設(shè)計參數(shù)進行研究是提高電動汽車性能的重要手段之一。電動汽車的能量供給和消耗，與蓄電池的性能密切相關(guān)，而驅(qū)動電機直接影響電動汽車的動力性，傳動系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是確定合理的傳動比。這些動力傳動系統(tǒng)參數(shù)均是影響電動汽車動力性和經(jīng)濟性的因素。電動機自身性能的好壞將直接影響電動汽車的最高車速、加速性能、爬坡性能及續(xù)駛里程等, 因此初步確定電動機類型及其參數(shù)進而對電動機進行選擇是整車開發(fā)之前至關(guān)重要的工作。 1.純電動汽車驅(qū)動電機發(fā)展現(xiàn)狀 1.1電動汽車驅(qū)動電機類型及其性能比較 電動汽車驅(qū)動電機類型:1 電動汽車幾種常用驅(qū)動電機的性能比較： (1) 直

4、流電機是結(jié)構(gòu)最簡單的一種電機。直流電機控制方法容易實現(xiàn)，利用電壓進行控制，具有交流電機不可比擬的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性。但是直流電機有無法克服的缺點：直流電機有電刷，因此需要經(jīng)常維護；同時直流電機的質(zhì)量重和體積大，大功率直流電機造價高等等。這些缺點制約了直流電機在現(xiàn)代電動汽車上的應(yīng)用,目前直流電機逐步被其他電機替代。2 (2) 交流異步電機也是較成熟的一種電機，它采用V/F 控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制方法，技術(shù)成熟，同時感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)簡單、價格低、具有較高的能量密度，并且在運行過程中轉(zhuǎn)矩脈動小，調(diào)速范圍大，但感應(yīng)電機耗電量大、轉(zhuǎn)子易發(fā)熱，控制系統(tǒng)復(fù)雜，同時電機的參數(shù)變化對控制性能有較大影響。美

5、國、歐洲研制的電動汽車多采用感應(yīng)電機作為驅(qū)動電機。3 (3) 開關(guān)磁阻電機是一種新型的電機，它結(jié)構(gòu)簡單、控制技術(shù)易于實現(xiàn)，可 靠性高，效率高，成本較低，質(zhì)量輕，便于維修，同時效率可達到8593， 轉(zhuǎn)速可達到15000r/min以上。但同時它的缺點也是不可忽視的，開關(guān)磁阻電機的運行噪聲大，轉(zhuǎn)矩脈動嚴重。因此，開關(guān)磁阻電機基本停留在應(yīng)用研究階段，實際應(yīng)用較少。45 (4)永磁同步電機是當(dāng)前電動汽車驅(qū)動電機研究的熱點。永磁同步電機具有體積小、質(zhì)量輕、功率密度大等優(yōu)點，同時它的低速輸出轉(zhuǎn)矩大、效率高、維護方便，因此作為電動汽車驅(qū)動電機的優(yōu)勢明顯。當(dāng)前需要克服的缺點和問題是永磁體的退磁，受永磁材料工藝的

6、限制和影響，使得永磁無刷電機的功率范圍較小，由于電機永久性磁場的存在， 使恒功率范圍時電機的控制較為困難。當(dāng)前的主要研究方向是無位置傳感器控制、轉(zhuǎn)矩脈動抑制和新型控制策略等。日本和歐洲各國大都采用永磁同步電機作為電動汽車驅(qū)動電機。6 如在上文比較分析了幾種電機性能之后，我們總結(jié)四種電機的優(yōu)劣比較情況?？梢钥闯觯来磐诫姍C總體評價最高。在實際的應(yīng)用中，交流異步電機成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高、控制方法靈活、綜合性能較好，應(yīng)用更為廣泛。 電動汽車常用驅(qū)動電機性能比較綜述： 電動汽車常用的交流電機主要有異步、永磁、開關(guān)磁阻三大類，其特點如表所示。 表2 電動汽車常用電機主要參數(shù)比較3 7 電機主要應(yīng)

7、用在混合動力汽車（包括轎車及客車）中，開關(guān)磁阻電機目前主要應(yīng)用在客車中。 1.2純電動汽車驅(qū)動電機的不足和發(fā)展趨勢 目前車用驅(qū)動電機系統(tǒng)尚需提高的地方：7 全運行范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制精度，效率最優(yōu)化； 系統(tǒng)可靠性及耐久性尚未得到充分驗證，和汽車行業(yè)的嚴格要求還有一定差距； 動力總成裝置的集成度不高，機電一體化程度不夠； 關(guān)鍵材料（如高性能的硅鋼片，絕緣材料）和關(guān)鍵元器件（如IGBT模塊，CPU芯片）仍然依靠進口，限制了選擇余地和成本降低； 尚未形成完整的、滿足汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商體系。雖然具備了小批量供貨能力，但商品尚未通過TS16949質(zhì)量體系認證。 電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：7 8

8、 1.驅(qū)動電機本體永磁化。我國具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機是我國車用驅(qū)動電機的重要發(fā)展方向。 2.驅(qū)動電機高速化，回饋制動范圍寬廣高效化。 3.驅(qū)動電機控制數(shù)字化；專用芯片及數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，促進了電機控制器的數(shù)字化。 4.驅(qū)動電機系統(tǒng)集成化，并支持整車產(chǎn)品的系列化和生產(chǎn)的規(guī)模化； 5.國內(nèi)將出現(xiàn)獨立的新型汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)提供商，支持電動汽車及傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)。 1.3電動汽車驅(qū)動電機選型 電動汽車對驅(qū)動電機系統(tǒng)有以下五個方面的基本要求：8 1.額定轉(zhuǎn)速以下輸出大轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)車輛的啟動、加速、負荷爬坡和頻繁起停等復(fù)雜工況，即恒轉(zhuǎn)矩運行； 2.額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率運行，以適應(yīng)最

9、高車速和超車等要求； 3.全速運行范圍內(nèi)的效率最優(yōu)化，以提高車輛的續(xù)駛里程； 4.結(jié)構(gòu)堅固、體積小、重量輕、良好的環(huán)境適應(yīng)性和高可靠性； 5.低成本及大批量生產(chǎn)能力。 選擇一臺電動汽車驅(qū)動用電機, 主要應(yīng)考慮驅(qū)動電機的如下一些參數(shù): 9 電機的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性、效率、電動機的調(diào)速和控制特性、成本、功率密度、結(jié)構(gòu)強度、對工作環(huán)境的適應(yīng)度及維護等。 驅(qū)動電機的性能直接決定驅(qū)動系統(tǒng)性能。在電動汽車中，驅(qū)動電機的選型原則為：10(1)高性能、低自重、小尺寸；(2)在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較高的效率； (3)電磁輻射盡量?。?4)成本低。 另外，驅(qū)動電機的選用還要綜合考慮其控制系統(tǒng)的特點，能實現(xiàn)雙向控制，回饋

10、制動再生能量。從發(fā)展趨勢看，傳統(tǒng)的直流電機將失去競爭力，開關(guān)磁阻電機和永磁混合電機在電動汽車上的應(yīng)用有發(fā)展?jié)摿Α?2.驅(qū)動電機匹配研究現(xiàn)狀 長安大學(xué)成振坤等純電動城市客車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計及試驗11 長安大學(xué)成振坤等，通過理論分析，主要依據(jù)汽車功率平衡方程式，分別考慮了汽車在最大爬坡度、最高車速、最大加速度行駛工況下需求的功率；利用行汽車行駛方程轉(zhuǎn)化得出考慮加速爬坡的轉(zhuǎn)矩平衡式。基于此，系統(tǒng)地提出了電動城市客車各動力總成參數(shù)的設(shè)計原則。對整車系統(tǒng)進行了設(shè)計，完成了純電動城市客車的整車匹配。在長安大學(xué)汽車試驗場進行了實車試驗，試驗結(jié)果表明所設(shè)計的純電動城市客車的動力性和經(jīng)濟性（續(xù)駛里程）均達到了設(shè)

11、計要求，驗證了匹配參數(shù)選取的合理性。 同濟大學(xué)宋珂純電動和串聯(lián)式混合動力汽車電機傳動系參數(shù)匹配12 同濟大學(xué)的宋珂，對電動汽車以滿足加速性能要求，求取電機功率的方法進行理論與數(shù)值分析。理論與數(shù)值分析結(jié)果表明，車速與加速時間關(guān)系更接近三次冪函數(shù)關(guān)系。通過數(shù)值方法能較準(zhǔn)確地求取滿足加速性要求所需電機峰值功率。車用驅(qū)動電機選擇較大的擴大恒功率區(qū)系數(shù)，選用峰值功率較小的電機，就能夠滿足電動汽車動力性能要求。而對于功率一定的電機，較大的擴大恒功率區(qū)系數(shù)可獲得更好的加速性能，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)能獲得更大的峰值轉(zhuǎn)矩。選用高速電機，增大電機最高轉(zhuǎn)速，可以在不過分增大電機輸出軸轉(zhuǎn)矩的前提下獲得較大的擴大恒功率區(qū)系數(shù)。最后

12、給出在傳動減速比已知和未知兩種情況下，一般 純電動和串聯(lián)式混合動力汽車車用驅(qū)動電機參數(shù)匹配的正向設(shè)計流程與方法。通過實例驗證了所提出的流程和方法切實可行，對該型電動汽車的開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。 法國的本杰明Electric vehicle power systems: design approach based on modeling and simulation13 基于建模與仿真的電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計 法國的本杰明介紹了一種基于兩種不同建模水平的動力系統(tǒng)的設(shè)計方法。一是依據(jù)功率和能源要求估計功率大小的宏觀建模。然后建立一個帶有幫助功能的半自動模式微觀模型，并通過仿真模型來驗證宏觀模型。該

13、方法基于一個專門的工業(yè)軟件平臺的開發(fā)。宏觀模型，這種模式的主要目的是定義系統(tǒng)源頭的能量和功率參數(shù)。如果使用超過一個能量源則給出能量管理規(guī)則的一般思路。目前所有的流程和算法是不完全確定的，所以本課題的V模型和MOF技術(shù)是不完善的。這個概念的基本環(huán)境已經(jīng)建立并將完成進一步的發(fā)展。下一步是要盡量減少轉(zhuǎn)換步驟中模板的影響。它最有意義的是提出了一種可能，為動力系統(tǒng)匹配適合電機。 吉林大學(xué)趙立峰等純電動大客車動力傳動系統(tǒng)的研究14 吉林大學(xué)趙立峰等針對城市客車低速、頻繁停車和起動等典型運行工況，把車輛行駛速度和驅(qū)動力分布換算為電機運行的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并映射到電機機械特性圖上，使運行工況點在電機特性圖上的分布

14、更多處于高效率區(qū)，提高車輛在典型工況下的經(jīng)濟性。提出動力傳動系統(tǒng)中采用手動離合器和3擋變速器，來提高大型電動客車能量經(jīng)濟性、減輕動力沖擊。進行仿真測試，仿真和測試結(jié)果表明，通過動力傳動系統(tǒng)特性匹配，所采用的動力傳動系統(tǒng)在城市運行工況下，滿足整車爬坡、高速和起動等動力要求，同時兼顧整車能耗的經(jīng)濟性。 長安大學(xué)包建超 基于ADVISOR仿真的純電動汽車動力系統(tǒng)匹配研究15 長安大學(xué)包建超，進行理論分析計算，完成動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配。利用ADVISOR軟件對純電動轎車的動力性能進行仿真, 求其最高車速、加速時間和最大爬坡度。選擇UDDS作為仿真道路的循環(huán)工況，進行仿真。電動汽車最大車速為72.5k m

15、 / h , 030k m / h 加速時間6.5 s ，15 % 的爬坡度時車速可達到13k m / h ，最大爬坡度為30.6678% 。同仿真結(jié)果相比較, 包建超所選的純電動汽車的最大車速、加速性能、爬坡性能非常滿足設(shè)計要求, 說明整車匹配方案是 合理的, 包建超所選電機能夠確保整車動力性能達到設(shè)計的要求。 上海第二工業(yè)大學(xué)王小剛等Motor Drive System Design for Electric Vehicle16 DESIGN OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR DRIVE SYSTEM 永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 永磁同步電機應(yīng)該由

16、逆變器的最大輸出電流，最大輸出電壓限制。使用不同的電流、電壓矢量軌跡，以實現(xiàn)弱磁高速和最優(yōu)控制。王小剛以電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計為例，從拓撲控制、功率需求預(yù)測、電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、組件參數(shù)選擇，闡述了電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計過程和關(guān)鍵技術(shù)。它可以為電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。 遼寧工業(yè)大學(xué)王天利等基于MAP圖的微型電動汽車驅(qū)動電機匹配研究17 驅(qū)動電機MAP圖，即為電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。 遼寧工業(yè)大學(xué)王天利等給出某款車的整車參數(shù)和三款驅(qū)動電機的MAP圖，根據(jù)表整車參數(shù)和MAP 圖，分別對三款驅(qū)動電機做加速時間、最高車速、最大爬坡度的動力性仿真，對仿真結(jié)果進行分析?；谝陨涎芯?，進行驅(qū)

17、動電機初選及傳動比調(diào)整。以傳統(tǒng)匹配方法為基礎(chǔ)，結(jié)合MAP 圖分析，可以實現(xiàn)驅(qū)動電機的優(yōu)選；在選定驅(qū)動電機后，可以通過調(diào)整傳動比使整車獲得綜合性能良好的動力性；高效區(qū)轉(zhuǎn)速范圍較大的驅(qū)動電機有利于整車實現(xiàn)較大的最高車速；如果電機扭矩衰減慢則能使整車獲得較好的綜合加速性能。由于路況、行駛工況、用途等因素的差異，會造成對整車動力性不同指標(biāo)要求有所側(cè)重，因此對驅(qū)動電機的選擇也應(yīng)有不同的依據(jù)。 Jigao Niu Design and Simulation of the Power-train System for an Electric Vehicle18 某款電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與仿真 Jigao N

18、iu，應(yīng)用Cruise和Simulink建立聯(lián)合仿真平臺。使用Matlab的兩個模塊，（API）：應(yīng)用程序接口， (DLL)：動態(tài)鏈接庫。對于API，在Simulink下建立的參數(shù)化模型被Cruise調(diào)用。對于DLL，Matlab模型編譯出口與實施工作域（Real-Time-Workshop）動態(tài)鏈接。通過聯(lián)系Simulink和Cruise建立聯(lián)合仿真實驗平臺。依據(jù)提到的準(zhǔn)則和程序，參數(shù)匹配可以通過理論和工程分析初步模擬得以實現(xiàn)。實際應(yīng)用證明該方法是有效的，可以保證設(shè)計規(guī)范的目標(biāo)。從模擬 的結(jié)果，可以推斷出以下結(jié)論。由于考慮到附件的能量消耗，因此動力參數(shù)的設(shè)計更為合理。實際速度可以達到目標(biāo)速度

19、要求，動力傳動系參數(shù)的設(shè)計可以滿足整車動力性要求。 山東理工大學(xué)譚德榮等基于Cruise的微型純電動貨車動力系統(tǒng)的匹配仿真19 山東理工大學(xué)譚德榮，基于Cruise軟件建立了整車模型，設(shè)置各個模塊的參數(shù)，建立模塊之間的物理連接與信號連接，并通過添加相關(guān)的計算任務(wù)，使純電動車運行于某一設(shè)定工況。根據(jù)城郊的交通狀況，添加了四個計算任務(wù)，分別驗證設(shè)計車輛的爬坡性能、最高車速、加速性能、續(xù)駛里程。完成模型的搭建后運行模型進行任務(wù)計算，對仿真結(jié)果分析和參數(shù)優(yōu)化。在設(shè)計階段，通過使用Cruise對整車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化匹配，提高了整車的性能，縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計成本，縮短了反饋鏈。 K.Jab

20、er等High level Optimization of Electric Vehicle Power-Train with Doehlert Experimental Design20 基于Doehlert實驗的電動汽車動力傳動系設(shè)計的高層次優(yōu)化 K.Jaber介紹了電動汽車功率和時間響應(yīng)的決定性因素的優(yōu)化。反電動勢常數(shù)，定子D和q軸電感，開關(guān)時間，電池電壓，定子電阻和電磁轉(zhuǎn)矩的齒輪比為選擇TR和P.的影響因素，優(yōu)化過程是伴隨Doehlert實驗設(shè)計進行的。優(yōu)化控制策略，K. Jaber采用通過應(yīng)用Doehlert實驗設(shè)計的方法，考慮了六個影響因素，反電動勢常數(shù)、定子d和q軸電感、開關(guān)時間

21、、定子電阻、電池電壓、轉(zhuǎn)矩傳動比。根據(jù)許多因素，為了考慮主要影響和限制運行次數(shù)，進行篩選研究是必要的。因此，第一步篩選使用分數(shù)因子設(shè)計進行。最后是涉及六個因素的至少45個實驗。分析實驗結(jié)果，優(yōu)化控制策略。開發(fā)了一個VHDL-AMS描述車輛的牽引鏈，采用矢量控制Id = 0的策略來設(shè)計永磁同步電動機驅(qū)動。K. Jaber已經(jīng)表明，響應(yīng)面分析再加上精心構(gòu)造的實驗設(shè)計是一個對于電動汽車控制策略仿真優(yōu)化有用的工具。 合肥工業(yè)大學(xué)尹安東等基于ISIGHT的純電動汽車動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化21 合肥工業(yè)大學(xué)尹安東應(yīng)用CRUISE軟件進行仿真，基于ISIGHT軟件利用遺傳算法進行傳動系速比優(yōu)化。建立CRUISE與

22、ISIGHT集成優(yōu)化模型，建立目標(biāo)函數(shù)，采用并列選擇法建立目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)表達為： ?11?minF?X?Fec?X?，F(xiàn)t?X? FXFXv?i? Fec?X?、Ft?X?、Fi?X?和Fv?X?分別為能量消耗、加速時間、最大爬坡度和最高車速的單目標(biāo)函數(shù)。 基于ISIGHT的傳動系速比優(yōu)化，根據(jù)所設(shè)計的純電動汽車主要技術(shù)指標(biāo)和動力傳動系參數(shù)初步匹配結(jié)果，采用NEDC循環(huán)工況，啟動并運行CRUISE/ISIGHT集成優(yōu)化模型，并基于遺傳算法通過多次迭代運行直至收斂，得各變量的最優(yōu)解。優(yōu)化后加速性能和最大爬坡度比優(yōu)化前略有下降，最高車速比優(yōu)化前略有提高，但各項動力性指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。優(yōu)化后驅(qū)

23、動電機特性比優(yōu)化前有明顯改善，百公里能量消耗比優(yōu)化前降低10.4。因此，選用的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配方法及基于遺傳算法的傳動系統(tǒng)優(yōu)化方法較為合理可行。 湖南大學(xué)景柱純電動汽車動力傳動系統(tǒng)的匹配與仿真22 湖南大學(xué)的景柱，將配置5 擋手動變速器的某車型，改成電動汽車。按整車性能要求計算出所需電機的額定功率和峰值功率，確定電機參數(shù)后分別與單擋、兩擋和5 擋變速器進行動力性分析與匹配，計算表明在相同整車動力性要求下，采用兩擋變速器則需要電機額定功率為30 kW，而5 擋變速器只需將電機額定功率選為15 kW，這使電池的放電倍率由1.28 降低為0.64，電池放電功率隨之降低，從而降低了對動力電池的要求

24、和減少了整車成本。目前，5 擋變速器早已產(chǎn)業(yè)化，而兩擋變速器正處于研發(fā)階段，使用5 擋變速器不但能降低研發(fā)成本，還能降低對電機和電池的要求，是未來電動汽車發(fā)展的方向。結(jié)合ADVISOR 進行5 擋變速器與15 kW 電機續(xù)駛里程仿真，其續(xù)駛里程為121 km，很好地滿足了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，為高效率、低成本的電動車動力系統(tǒng)概念設(shè)計指出了一個方向。 參考文獻 1柴海波，鄢治國，況明偉，吳建東. 電動車驅(qū)動電機發(fā)展現(xiàn)狀J.微特電機，2013，41 （4）:52-57. 2王瑩.電動汽車常用驅(qū)動電機分析J.科協(xié)論壇，2013，（3）:53-54. 3閆大偉，陳世元. 電動汽車驅(qū)動電機性能比較J.汽車電器，20

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