基于循環(huán)工況的純電動汽車驅(qū)動電機(jī)參數(shù)優(yōu)化

王斌+林鑫焱+陳辛波+史晶晶

摘 要：通過對新歐洲循環(huán)工況（New European Driving Cycle，NEDC）的分析，指出了傳統(tǒng)方法匹配的電動汽車驅(qū)動電機(jī)高效區(qū)未得到充分利用的問題。提出了基于循環(huán)工況的驅(qū)動電機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法，推導(dǎo)了當(dāng)電機(jī)額定參數(shù)改變時(shí)，新電機(jī)效率Map的計(jì)算過程。優(yōu)化結(jié)果顯示NEDC工況下驅(qū)動電機(jī)工作點(diǎn)與電機(jī)高效區(qū)的匹配情況有所改善，電動汽車的續(xù)駛里程提高了8.9 km，同時(shí)整車動力性也得到了提高，表明基于循環(huán)工況的驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化方法對于提高電動汽車?yán)m(xù)駛里程是有效的。

關(guān)鍵詞：循環(huán)工況；電動汽車；驅(qū)動電機(jī)；參數(shù)匹配

中圖分類號：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.03.02

汽車工業(yè)發(fā)展帶來的石油資源短缺、環(huán)境污染等問題日益突出，而電動汽車在節(jié)能、環(huán)保方面具有傳統(tǒng)汽車無法比擬的優(yōu)勢，所以研發(fā)電動汽車是解決上述問題的有效途徑。但是，動力電池和電驅(qū)動等關(guān)鍵技術(shù)的不成熟使電動汽車的續(xù)駛里程比較短，嚴(yán)重制約了電動汽車的普及與發(fā)展。在這些關(guān)鍵技術(shù)取得有效突破之前，對驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)特別是驅(qū)動電機(jī)參數(shù)進(jìn)行更為合理的匹配，最大限度地挖掘現(xiàn)有電動汽車技術(shù)的潛能是提高電動汽車性能的重要手段之一[1-2]。

傳統(tǒng)的電動汽車驅(qū)動電機(jī)匹配方法首先根據(jù)整車動力性指標(biāo)（最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度）確定電機(jī)的峰值參數(shù)，其次根據(jù)經(jīng)驗(yàn)過載系數(shù)和經(jīng)驗(yàn)基速比確定額定參數(shù)，這種方法沒有考慮電機(jī)的效率分布情況，匹配的驅(qū)動電機(jī)在循環(huán)工況下運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)集中區(qū)域不一定是電機(jī)的高效區(qū)。電機(jī)的高效區(qū)一般位于額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩相交區(qū)域附近，如果循環(huán)工況下驅(qū)動電機(jī)的工作點(diǎn)能集中在這一區(qū)域，電動汽車的續(xù)駛里程將得到提高。文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)不同工況對混合動力汽車的混合度有很大的影響。文獻(xiàn)[4]和[5]根據(jù)給定循環(huán)工況的需求功率分布情況，對驅(qū)動電機(jī)的額定功率進(jìn)行匹配。文獻(xiàn)[6]研究了適合城市工況行駛的純電動汽車動力系統(tǒng)方案。文獻(xiàn)[7]引入行駛工況比例系數(shù)，分析了行駛工況比例系數(shù)與控制策略參數(shù)之間的關(guān)系。盡管如此，基于循環(huán)工況的驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配研究少之甚少。

本文對某款根據(jù)傳統(tǒng)方法匹配的純電動汽車驅(qū)動電機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩來移動電機(jī)高效區(qū)的位置，增大循環(huán)工況工作點(diǎn)集中區(qū)域與電機(jī)高效區(qū)的重合度，以提高電動汽車的續(xù)駛里程。其中驅(qū)動電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，傳動系去除變速器，采用單級主減速器固定速比傳動。整車基本參數(shù)及性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求見表1，驅(qū)動電機(jī)和動力電池參數(shù)見表2。

1 典型循環(huán)工況分析

選用NEDC工況作為典型循環(huán)工況進(jìn)行分析，其需求車速如圖1所示。

采用電動汽車仿真軟件ADVISOR對表1和表2中的參數(shù)進(jìn)行NEDC工況仿真，所得驅(qū)動電機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩分別如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可知，電動汽車在NEDC工況下運(yùn)行時(shí)驅(qū)動電機(jī)的最大輸出功率為33.16 kW，最大輸出轉(zhuǎn)矩為88.07 N·m。

利用Matlab軟件對圖1～3中的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，得到分別如圖4所示的驅(qū)動電機(jī)輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩以及輸出轉(zhuǎn)速的頻率分布。其中，輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩只對電機(jī)的驅(qū)動功率和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即只統(tǒng)計(jì)其變化曲線中的正值數(shù)據(jù)點(diǎn)。

從圖4中可以看出，在NEDC工況下，驅(qū)動電機(jī)的工作點(diǎn)主要集中在低功率、低轉(zhuǎn)矩以及低轉(zhuǎn)速區(qū)域。其中，驅(qū)動電機(jī)的輸出功率在0～20 kW，輸出轉(zhuǎn)矩在0～80 N·m，輸出轉(zhuǎn)速在0～2 400 r/min區(qū)間內(nèi)，占整個循環(huán)工況驅(qū)動工作點(diǎn)的比例分別為96.1%、98.4%、79.0%。

由此可見，原電機(jī)在NEDC工況下運(yùn)行時(shí)，絕大部分工作點(diǎn)位于電機(jī)的欠載區(qū)，其額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩的選擇偏大，偏離了電機(jī)工作點(diǎn)集中區(qū)域，故其附近的高效區(qū)沒有得到充分利用。因此，若減小驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩，將其高效區(qū)朝低轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩處移動，可增大NEDC工況工作點(diǎn)集中區(qū)域與電機(jī)高效區(qū)的重合度，提高驅(qū)動電機(jī)的總體效率。

2 額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩的取值范圍

在保證動力性的前提下，本文保持驅(qū)動電機(jī)的峰值功率和最高轉(zhuǎn)速不變，以驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化變量，以電動汽車的續(xù)駛里程最長為優(yōu)化目標(biāo)。

根據(jù)上文對NEDC工況的分析，原電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩的選擇偏大，因此選擇額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速的取值范圍上限分別為80 N·m和2 400 r/min。

在目前的技術(shù)條件下，永磁同步電機(jī)的過載系數(shù)最大能達(dá)到3，則最大轉(zhuǎn)矩Tmax≥240 N·m，再由電機(jī)峰值功率、最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系有nN≥1 592 r/min。

綜上所述，本文取設(shè)計(jì)變量額定轉(zhuǎn)速的取值范圍為nN（i）=1 600+i×100，i=0，1，2，……，8；額定轉(zhuǎn)矩的取值范圍為TN（j）=80-j×5，j=0，1，2，……，且TN≥9 549Pmax/[3nN（i）]。

3 驅(qū)動電機(jī)效率Map的建立

本文提出的基于循環(huán)工況的驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化方法其關(guān)鍵在于找出當(dāng)電機(jī)的額定參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，電機(jī)效率Map隨之變化的規(guī)律。

3.1 電機(jī)各工作點(diǎn)效率的計(jì)算

電機(jī)在運(yùn)行過程中的損耗由可變損耗和不變損耗兩部分組成，其中可變損耗包括銅損和附加損耗，不變損耗包括鐵損和機(jī)械損耗，鐵損主要由渦流損耗和磁滯損耗組成。

電機(jī)在峰值點(diǎn)（峰值功率與額定轉(zhuǎn)速相交處）的總損耗Ploss可通過式（1）計(jì)算。其中銅損PCu和鐵損PFe占總損耗的比例分別為0.59和0.22。峰值點(diǎn)電機(jī)的渦流損耗Pe和磁滯損耗Ph相等，各占鐵損的一半。

。

式中，h為散熱系數(shù)，W/m2·k；T為溫升限度，℃；A為鐵心表面積，mm2。

電機(jī)在其它任意工作點(diǎn)的銅損PCu_i、渦流損耗Pe_i和磁滯損耗Ph_i與峰值點(diǎn)的銅損、渦流損耗和磁滯損耗分別都有一定的關(guān)系[10]，如式（2）～（4）。

。

。

。

式（2）～（4）中，nN為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；ni為電機(jī)在任意工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，r/min；Pi為電機(jī)在任意工作點(diǎn)的功率，kW，可通過功率-轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩關(guān)系公式求得；Pmax為電機(jī)的峰值功率，kW。

電機(jī)在任意工作點(diǎn)的機(jī)械損耗Pm和附加損耗Ps可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求得

。

。

電機(jī)在任意工作點(diǎn)的總損耗Ploss_i為

。

則電機(jī)在整個工作區(qū)域內(nèi)任意工作點(diǎn)的效率ηi為

。

3.2 額定參數(shù)改變時(shí)電機(jī)效率Map的建立

根據(jù)電機(jī)的相似性定律，額定參數(shù)改變后的新電機(jī)在峰值點(diǎn)的銅損PCu1和鐵損PFe1與原電機(jī)在峰值點(diǎn)的銅損PCu和鐵損PFe有一定的比例關(guān)系[10]：

。

。

式（9）和式（10）中，K為比例系數(shù)；nN1和nN分別為新電機(jī)和原電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min。

比例系數(shù)K的表達(dá)式為

。

。

式（11）和式（12）中，PN1和PN分別為新電機(jī)和原電機(jī)的額定功率，kW；cosδ1和cosδ分別為新電機(jī)和原電機(jī)的功率因數(shù)；P為電機(jī)的極對數(shù)；fN為電源的額定頻率，Hz，永磁同步電機(jī)的額定頻率fN=nNP/60。

而電機(jī)變頻器的效率可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]中的經(jīng)驗(yàn)公式求得，不是本文研究的重點(diǎn)，故不作說明。

至此，通過上文的推導(dǎo)，可以求出不同額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩的電機(jī)在任意工作點(diǎn)的效率，即可確定電機(jī)在整個工作區(qū)域內(nèi)的效率Map。計(jì)算所需電機(jī)基本參數(shù)見表3。

4 優(yōu)化結(jié)果及分析

4.1 優(yōu)化結(jié)果

采用ADVISOR對不同額定參數(shù)的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行NEDC工況續(xù)駛里程仿真，仿真結(jié)果見表4。當(dāng)額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩分別為1 700 r/min和75 N·m時(shí)，續(xù)駛里程最長，達(dá)到212.4 km。

因此，優(yōu)化后的新電機(jī)額定轉(zhuǎn)速取1 700 r/min，額定轉(zhuǎn)矩取75 N·m，峰值功率和最高轉(zhuǎn)速保持不變。再求得額定功率為14 kW，最大轉(zhuǎn)矩為225 N·m。綜上所述，優(yōu)化前后驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)見表5。

4.2 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比

驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化前后，在NEDC工況下電機(jī)工作點(diǎn)與驅(qū)動電機(jī)高效區(qū)的匹配情況對比如圖5所示?？梢钥闯?，相對于優(yōu)化前，優(yōu)化后驅(qū)動電機(jī)效率在90 %以上的高效區(qū)向左下方即低轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩區(qū)域發(fā)生了移動，電機(jī)效率在85 %以上區(qū)域包含的電機(jī)工作點(diǎn)數(shù)目有所增加，并且落在效率為90 %以上的高效區(qū)內(nèi)的電機(jī)工作點(diǎn)相比優(yōu)化前明顯增多。優(yōu)化后驅(qū)動電機(jī)工作點(diǎn)與電機(jī)高效區(qū)的匹配比優(yōu)化前有了顯著改善，因此提升了驅(qū)動電機(jī)的總體效率。

驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化前后，電動汽車的整車動力性和續(xù)駛里程仿真結(jié)果對比見表6。

驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化后，電動汽車的續(xù)駛里程達(dá)到212.4 km，比優(yōu)化前提高了8.9 km。從表4中可以看出，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速或額定轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，電動汽車的續(xù)駛里程增大。這是因?yàn)镹EDC工況下驅(qū)動電機(jī)的工作點(diǎn)集中在低轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩區(qū)域，當(dāng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速或額定轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，電機(jī)的高效區(qū)隨之向此區(qū)域移動，與電機(jī)工作點(diǎn)集中區(qū)域的重合度增大，即落在電機(jī)高效區(qū)的工作點(diǎn)增加，因此提升了驅(qū)動電機(jī)的總體效率，電動汽車的續(xù)駛里程也得以提高。

驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化前后，電動汽車的最高車速未發(fā)生變化。這是由于驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速未發(fā)生改變，并且傳動系采用的是固定速比傳動，因此電動汽車的最高車速不會發(fā)生變化。

驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化后，電動汽車的0-50 km/h和0-100 km/h加速時(shí)間分別為5.2 s和17.4 s，分別比優(yōu)化前縮短了1.7 s和1.8 s，15 km/h最大爬坡度為32.7 %，比優(yōu)化前提高了10.7 %。根據(jù)電機(jī)的機(jī)械特性，當(dāng)電機(jī)的峰值功率保持不變時(shí)，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩隨額定轉(zhuǎn)速的減小而增大，因此整車的加速性能和爬坡性能增強(qiáng)。

4.3 不同循環(huán)工況優(yōu)化結(jié)果

運(yùn)用本文的優(yōu)化方法，針對其它幾種不同的循環(huán)工況進(jìn)行優(yōu)化，續(xù)駛里程優(yōu)化結(jié)果見表7?？梢钥闯?，優(yōu)化后電動汽車在不同循環(huán)工況下的續(xù)駛里程均有不同程度的提高，進(jìn)一步表明基于循環(huán)工況的驅(qū)動電機(jī)匹配方法對于提高電動汽車?yán)m(xù)駛里程是有效的。

5 結(jié)論

（1）通過對NEDC工況的分析，指出了按照傳統(tǒng)方法匹配的電動汽車驅(qū)動電機(jī)存在的問題：在NEDC工況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的高效區(qū)沒有得到充分利用，與工作點(diǎn)集中區(qū)域的重合度較低，驅(qū)動電機(jī)的總體效率不高。

（2）給出了當(dāng)驅(qū)動電機(jī)的額定參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，不同額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩的電機(jī)效率Map的計(jì)算

方法。

（3）優(yōu)化后NEDC工況下驅(qū)動電機(jī)工作點(diǎn)與電機(jī)高效區(qū)的匹配情況有所改善，電動汽車的續(xù)駛里程比優(yōu)化前提高了8.9 km，同時(shí)整車的動力性還得到了提高，此外不同循環(huán)工況優(yōu)化后的續(xù)駛里程均有所提高，表明基于循環(huán)工況的驅(qū)動電機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法對于提高電動汽車?yán)m(xù)駛里程是有效的。

參考文獻(xiàn)（References）：

郭孔輝，姜輝，張建偉. 電動汽車傳動系統(tǒng)的匹配及優(yōu)化 [J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（16）：3892-3896.

Guo Konghui，Jiang Hui，Zhang Jianwei. Power-Train Matching and Optimization of Electric Vehicles [J]. Science Technology and Engineering，2010，10（16）：3892-3896. （in Chinese）

薛念文，高非，徐興，等. 電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)的匹配設(shè)計(jì) [J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，30（2）：303-307.

Xue Nianwen，Gao Fei，Xu Xing，et al. Matching of Parameters of Power Transmission for Electric Vehicles [J]. Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2011，30（2）：303-307.（in Chinese）

羅玉濤，胡紅斐，沈繼軍. 混合動力電動汽車行駛工況分析與識別 [J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（6）：8-13.

Luo Yutao，Hu Hongfei，Shen Jijun. Analysis and Recognizition of Running Cycles of Hybrid Electric Vehicle [J]. Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2007，35（6）：8-13. （in Chinese）

李紅朋，胡明輝，謝紅軍，等. 基于工況分析法的電動汽車參數(shù)匹配 [J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2013，27 （1）：13-17.

Li hongpeng，Hu Minghui，Xie Hongjun，et al. Study on the Electric Vehicle Parameters Matching Based on the Conditions Analysis [J]. Journal of Chongqing University of Technology （Natural Science），2013，27 （1）：13-17.（in Chinese）

王偉，王慶年，王鵬宇，等. 基于車輛循環(huán)工況并聯(lián)混合動力汽車感應(yīng)電機(jī)額定功率和效率的匹配 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008，38（S1）：12-17.

Wang Wei，Wang Qingnian，Wang Pengyu，et al. Rated Power and Efficiency Matching of Induction Motor for Parallel Hybrid Electric Vehicle Based on Vehicle Drive Cycle [J]. Journal of Jilin University （Engineering and

Technology Edition），2008，38（S1）：12-17.（in Chinese）

周媛，陳君毅，王宏雁，等. 適用于城市行駛工況的電動車動力系統(tǒng)方案的匹配研究 [J]. 上海汽車，2012（2）：11-14.

Zhou Yuan，Chen Junyi，Wang Hongyan，et al. Research of the Matching of Electric Vehicle Power System for Urban Driving Condition [J]. Shanghai Auto，2012（2）：11-14.（in Chinese）

田毅，張欣，張昕，等. 計(jì)及行駛工況影響的混合動力汽車控制策略 [J]. 汽車工程，2010，32（8）：659-663.

Tian Yi，Zhang Xin，Zhang Xin，et al. Hybrid Electric Vehicle Control Strategy with Consideration of the Effects of Driving Cycle [J]. Automotive Engineering，2010，32（8）：659-663.（in Chinese）

胡建輝，李錦庚，鄒繼斌，等. 變頻器中的IGBT模塊損耗計(jì)算及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（3）：159-163.

Hu Jianhui，Li Jingeng，Zou Jibin，et al. Losses Calcu-lation of IGBT Module and Heat Dissipation System Design of Inverters [J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24（3）：159-163.（in Chinese）

毛鵬，謝少軍，許澤剛. IGBT模塊的開關(guān)暫態(tài)模型及損耗分析 [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（15）：40-47.

Mao Peng，Xie Shaojun，Xu Zegang. Switching Tran-sients Model and Loss Analysis of IGBT Module [J]. Proceedings of the CSEE，2010，30（15）：40-47.（in Chinese）

HALL E，RAMAMAURTHY M S S，BALDA J C. Optimum Speed Ratio of Induction Motor Drivers for Electric Vehicle Propulsion [C]// Proceedings of the 2001 Applied Power Electrical Conference，Anaheim，California，2001：371-377.