1、純電動汽車驅動電機匹配研究現狀 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的生態改變等事實要求各國在能源需求結構上必須盡早進行模式轉換，主動轉向可再生能源。環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，傳統內燃機汽車的燃料不可持續性、高污染等問題越來越受到人們的重視。根據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%）用于交通領域。據IEA（國際能源機構）的統計數據顯示，預計到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、索和開發日益迫切，各國紛紛開始思考汽車業的發展方向。 目前，中國的人口、資源、環境已經出現瓶頸，持續發展理念與新能源的利用已經提到政府的發展日程上。汽車節能是一個重要課題，提高汽車能量效率，減少汽車尾氣有害物質排放，使用新能源，最終達到保護環境的目的已成為國際上的通行做法，也是我國現階段發展汽車工業的目標。 基于以上前提，構建綠色交通體系，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。但是電動汽車續駛里程制約了電動汽車的普及和發展。因此，對動力傳動系統參數進行合理設計和匹配，已成為電動汽車研究熱點之 一。目前，在動力電

3、池和其他技術取得有效突破之前，對電動汽車動力傳動系部件的設計參數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，而驅動電機直接影響電動汽車的動力性，傳動系統設計的關鍵是確定合理的傳動比。這些動力傳動系統參數均是影響電動汽車動力性和經濟性的因素。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、爬坡性能及續駛里程等, 因此初步確定電動機類型及其參數進而對電動機進行選擇是整車開發之前至關重要的工作。 1.純電動汽車驅動電機發展現狀 1.1電動汽車驅動電機類型及其性能比較 電動汽車驅動電機類型:1 電動汽車幾種常用驅動電機的性能比較： (1) 直

4、流電機是結構最簡單的一種電機。直流電機控制方法容易實現，利用電壓進行控制，具有交流電機不可比擬的電磁轉矩控制特性。但是直流電機有無法克服的缺點：直流電機有電刷，因此需要經常維護；同時直流電機的質量重和體積大，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代電動汽車上的應用,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、直接轉矩控制等控制方法，技術成熟，同時感應電機結構簡單、價格低、具有較高的能量密度，并且在運行過程中轉矩脈動小，調速范圍大，但感應電機耗電量大、轉子易發熱，控制系統復雜，同時電機的參數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電機作為驅動電機。3 (3) 開關磁阻電機是一種新型的電機，它結構簡單、控制技術易于實現，可 靠性高，效率高，成本較低，質量輕，便于維修，同時效率可達到8593， 轉速可達到15000r/min以上。但同時它的缺點也是不可忽視的，開關磁阻電機的運行噪聲大，轉矩脈動嚴重。因此，開關磁阻電機基本停留在應用研究階段，實際應用較少。45 (4)永磁同步電機是當前電動汽車驅動電機研究的熱點。永磁同步電機具有體積小、質量輕、功率密度大等優點，同時它的低速輸出轉矩大、效率高、維護方便，因此作為電動汽車驅動電機的優勢明顯。當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。當前的主要研究方向是無位置傳感器控制、轉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，我們總結四種電機的優劣比較情況。可以看出，永磁同步電機總體評價最高。在實際的應用中，交流異步電機成本低、性能穩定、可靠性高、控制方法靈活、綜合性能較好，應用更為廣泛。 電動汽車常用驅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比較3 7 電機主要應

7、用在混合動力汽車（包括轎車及客車）中，開關磁阻電機目前主要應用在客車中。 1.2純電動汽車驅動電機的不足和發展趨勢 目前車用驅動電機系統尚需提高的地方：7 全運行范圍內的轉矩、轉速控制精度，效率最優化； 系統可靠性及耐久性尚未得到充分驗證，和汽車行業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； 關鍵材料（如高性能的硅鋼片，絕緣材料）和關鍵元器件（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、滿足汽車工業標準的供應商體系。雖然具備了小批量供貨能力，但商品尚未通過TS16949質量體系認證。 電動汽車電機驅動系統的發展趨勢：7 8

8、 1.驅動電機本體永磁化。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動電機的重要發展方向。 2.驅動電機高速化，回饋制動范圍寬廣高效化。 3.驅動電機控制數字化；專用芯片及數字信號處理器的出現，促進了電機控制器的數字化。 4.驅動電機系統集成化，并支持整車產品的系列化和生產的規模化； 5.國內將出現獨立的新型汽車電氣驅動系統提供商，支持電動汽車及傳統汽車產業。 1.3電動汽車驅動電機選型 電動汽車對驅動電機系統有以下五個方面的基本要求：8 1.額定轉速以下輸出大轉矩，以適應車輛的啟動、加速、負荷爬坡和頻繁起停等復雜工況，即恒轉矩運行； 2.額定轉速以上為恒功率運行，以適應最

9、高車速和超車等要求； 3.全速運行范圍內的效率最優化，以提高車輛的續駛里程； 4.結構堅固、體積小、重量輕、良好的環境適應性和高可靠性； 5.低成本及大批量生產能力。 選擇一臺電動汽車驅動用電機, 主要應考慮驅動電機的如下一些參數: 9 電機的轉矩/轉速特性、效率、電動機的調速和控制特性、成本、功率密度、結構強度、對工作環境的適應度及維護等。 驅動電機的性能直接決定驅動系統性能。在電動汽車中，驅動電機的選型原則為：10(1)高性能、低自重、小尺寸；(2)在較寬的轉速范圍內有較高的效率； (3)電磁輻射盡量小；(4)成本低。 另外，驅動電機的選用還要綜合考慮其控制系統的特點，能實現雙向控制，回饋

10、制動再生能量。從發展趨勢看，傳統的直流電機將失去競爭力，開關磁阻電機和永磁混合電機在電動汽車上的應用有發展潛力。 2.驅動電機匹配研究現狀 長安大學成振坤等純電動城市客車動力系統匹配設計及試驗11 長安大學成振坤等，通過理論分析，主要依據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化得出考慮加速爬坡的轉矩平衡式。基于此，系統地提出了電動城市客車各動力總成參數的設計原則。對整車系統進行了設計，完成了純電動城市客車的整車匹配。在長安大學汽車試驗場進行了實車試驗，試驗結果表明所設計的純電動城市客車的動力性和經濟性（續駛里程）均達到了設

11、計要求，驗證了匹配參數選取的合理性。 同濟大學宋珂純電動和串聯式混合動力汽車電機傳動系參數匹配12 同濟大學的宋珂，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值分析。理論與數值分析結果表明，車速與加速時間關系更接近三次冪函數關系。通過數值方法能較準確地求取滿足加速性要求所需電機峰值功率。車用驅動電機選擇較大的擴大恒功率區系數，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系數可獲得更好的加速性能，恒轉矩區能獲得更大的峰值轉矩。選用高速電機，增大電機最高轉速，可以在不過分增大電機輸出軸轉矩的前提下獲得較大的擴大恒功率區系數。最后

12、給出在傳動減速比已知和未知兩種情況下，一般 純電動和串聯式混合動力汽車車用驅動電機參數匹配的正向設計流程與方法。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具有一定的指導意義。 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設計 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的設計方法。一是依據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軟件平臺的開發。宏觀模型，這種模式的主要目的是定義系統源頭的能量和功率參數。如果使用超過一個能量源則給出能量管理規則的一般思路。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技術是不完善的。這個概念的基本環境已經建立并將完成進一步的發展。下一步是要盡量減少轉換步驟中模板的影響。它最有意義的是提出了一種可能，為動力系統匹配適合電機。 吉林大學趙立峰等純電動大客車動力傳動系統的研究14 吉林大學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動力分布換算為電機運行的轉速和轉矩，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，提高車輛在典型工況下的經濟性。提出動力傳動系統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濟性、減輕動力沖擊。進行仿真測試，仿真和測試結果表明，通過動力傳動系統特性匹配，所采用的動力傳動系統在城市運行工況下，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濟性。 長安大學包建超 基于ADVISOR仿真的純電動汽車動力系統匹配研究15 長安大學包建超，進行理論分析計算，完成動力系統的參數匹配。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計的要求。 上海第二工業大學王小剛等Motor Drive System Design for Electric Vehicle16 DESIGN OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR DRIVE SYSTEM 永磁同步電機驅動系統的設計 永磁同步電機應該由

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，以實現弱磁高速和最優控制。王小剛以電動汽車電機驅動系統設計為例，從拓撲控制、功率需求預測、電機驅動系統設計、組件參數選擇，闡述了電動汽車電機驅動系統的設計過程和關鍵技術。它可以為電動汽車電機驅動系統的設計提供參考。 遼寧工業大學王天利等基于MAP圖的微型電動汽車驅動電機匹配研究17 驅動電機MAP圖，即為電機的轉矩轉速特性曲線。 遼寧工業大學王天利等給出某款車的整車參數和三款驅動電機的MAP圖，根據表整車參數和MAP 圖，分別對三款驅動電機做加速時間、最高車速、最大爬坡度的動力性仿真，對仿真結果進行分析。基于以上研究，進行驅

17、動電機初選及傳動比調整。以傳統匹配方法為基礎，結合MAP 圖分析，可以實現驅動電機的優選；在選定驅動電機后，可以通過調整傳動比使整車獲得綜合性能良好的動力性；高效區轉速范圍較大的驅動電機有利于整車實現較大的最高車速；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要求有所側重，因此對驅動電機的選擇也應有不同的依據。 Jigao Niu Design and Simulation of the Power-train System for an Electric Vehicle18 某款電動汽車動力系統設計與仿真 Jigao N

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

19、要求，動力傳動系參數的設計可以滿足整車動力性要求。 山東理工大學譚德榮等基于Cruise的微型純電動貨車動力系統的匹配仿真19 山東理工大學譚德榮，基于Cruise軟件建立了整車模型，設置各個模塊的參數，建立模塊之間的物理連接與信號連接，并通過添加相關的計算任務，使純電動車運行于某一設定工況。根據城郊的交通狀況，添加了四個計算任務，分別驗證設計車輛的爬坡性能、最高車速、加速性能、續駛里程。完成模型的搭建后運行模型進行任務計算，對仿真結果分析和參數優化。在設計階段，通過使用Cruise對整車動力傳動系統參數進行優化匹配，提高了整車的性能，縮短了設計周期，降低了設計成本，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計的高層次優化 K.Jaber介紹了電動汽車功率和時間響應的決定性因素的優化。反電動勢常數，定子D和q軸電感，開關時間，電池電壓，定子電阻和電磁轉矩的齒輪比為選擇TR和P.的影響因素，優化過程是伴隨Doehlert實驗設計進行的。優化控制策略，K. Jaber采用通過應用Doehlert實驗設計的方法，考慮了六個影響因素，反電動勢常數、定子d和q軸電感、開關時間

21、、定子電阻、電池電壓、轉矩傳動比。根據許多因素，為了考慮主要影響和限制運行次數，進行篩選研究是必要的。因此，第一步篩選使用分數因子設計進行。最后是涉及六個因素的至少45個實驗。分析實驗結果，優化控制策略。開發了一個VHDL-AMS描述車輛的牽引鏈，采用矢量控制Id = 0的策略來設計永磁同步電動機驅動。K. Jaber已經表明，響應面分析再加上精心構造的實驗設計是一個對于電動汽車控制策略仿真優化有用的工具。 合肥工業大學尹安東等基于ISIGHT的純電動汽車動力系統匹配優化21 合肥工業大學尹安東應用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化。建立CRUISE與

22、ISIGHT集成優化模型，建立目標函數，采用并列選擇法建立目標函數，目標函數表達為： ?11?minF?X?Fec?X?，Ft?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函數。 基于ISIGHT的傳動系速比優化，根據所設計的純電動汽車主要技術指標和動力傳動系參數初步匹配結果，采用NEDC循環工況，啟動并運行CRUISE/ISIGHT集成優化模型，并基于遺傳算法通過多次迭代運行直至收斂，得各變量的最優解。優化后加速性能和最大爬坡度比優化前略有下降，最高車速比優化前略有提高，但各項動力性指標均滿足設計要求。優化后驅

23、動電機特性比優化前有明顯改善，百公里能量消耗比優化前降低10.4。因此，選用的動力傳動系統參數匹配方法及基于遺傳算法的傳動系統優化方法較為合理可行。 湖南大學景柱純電動汽車動力傳動系統的匹配與仿真22 湖南大學的景柱，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 擋變速器早已產業化，而兩擋變速器正處于研發階段，使用5 擋變速器不但能降低研發成本，還能降低對電機和電池的要求，是未來電動汽車發展的方向。結合ADVISOR 進行5 擋變速器與15 kW 電機續駛里程仿真，其續駛里程為121 km，很好地滿足了設計標準，為高效率、低成本的電動車動力系統概念設計指出了一個方向。 參考文獻 1柴海波，鄢治國，況明偉，吳建東. 電動車驅動電機發展現狀J.微特電機，2013，41 （4）:52-57. 2王瑩.電動汽車常用驅動電機分析J.科協論壇，2013，（3）:53-54. 3閆大偉，陳世元. 電動汽車驅動電機性能比較J.汽車電器，20

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