基于自適應控制算法的新能源汽車驅(qū)動電機能耗優(yōu)化研究

摘要：新能源汽車驅(qū)動電機作為動力系統(tǒng)核心部件，其性能對整車的續(xù)航里程、動力輸出、能耗水平及可靠性等關鍵指標影響深遠，提高驅(qū)動電機能量利用效率、降低能耗不僅直接提升了新能源汽車的續(xù)航里程，擴大了車輛使用范圍，還可顯著降低運營成本，提高產(chǎn)品競爭力。首先介紹了新能源汽車常用驅(qū)動電機的工作原理及分類，分析了影響電機能耗的主要因素；其次指出了當前電機控制策略在能耗優(yōu)化方面存在的不足，提出了基于自適應控制算法的新能源汽車驅(qū)動電機能耗優(yōu)化策略。相關研究結論為新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化提供了有效途徑，對提升新能源汽車的經(jīng)濟性和競爭力具有積極意義。

關鍵詞：新能源汽車；驅(qū)動電機；能耗優(yōu)化；自適應控制算法；數(shù)學建模

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-09-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.017

1 前言

新能源汽車作為未來汽車工業(yè)發(fā)展的必由之路，受到全球產(chǎn)業(yè)界和學術界的高度重視，其中驅(qū)動電機作為動力系統(tǒng)核心部件，其能量利用效率直接關系到整車的續(xù)航里程及經(jīng)濟性[1]。然而，傳統(tǒng)的驅(qū)動電機控制策略大多基于理想工況設計，未能充分考慮復雜多變的實際工況對電機能耗的影響，且難以根據(jù)瞬時狀態(tài)動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)以達到最佳能耗性能，這造成了能量的低效利用。為此，研究人員提出了基于自適應控制算法的驅(qū)動電機能耗優(yōu)化策略，建立了精確描述電機能耗特性的數(shù)學模型，并設計自適應控制算法在線識別實時工況，自動調(diào)整控制參數(shù)使電機始終維持在最佳工作狀態(tài)，從而最大限度降低能耗、提高能量利用效率。

2 新能源汽車驅(qū)動電機原理及類型

新能源汽車中的驅(qū)動電機是其動力系統(tǒng)的核心部件之一，負責將電能轉換為機械能，從而驅(qū)動汽車行駛，這種電機的設計和選擇直接影響到車輛的性能、效率及續(xù)航能力。

驅(qū)動電機主要通過電磁感應原理工作，這一原理是由法拉第的電磁感應定律所描述。當電流通過電機的繞組時，會在電機內(nèi)部產(chǎn)生旋轉磁場，此磁場與電機定子（靜止部分）和轉子（旋轉部分）中的磁鐵或繞組相互作用，產(chǎn)生力的作用，從而推動轉子轉動，輸出機械能[2]。電機的效率、輸出功率和扭矩等性能指標，主要由其內(nèi)部的電磁設計（如繞組的材料、數(shù)量和排列）、電機控制方法（如采用何種調(diào)速策略），以及電機本身的熱管理系統(tǒng)等因素決定。例如，采用高效率的永磁材料可以提高電機的能效比，而優(yōu)化的繞組設計可以減少能量損耗，提高電機的響應速度和運行效率。

新能源汽車中常用的驅(qū)動電機類型主要包括直流電機、異步交流電機（感應電機）和同步交流電機（包括永磁同步電機和電勵磁同步電機），每種電機類型都有其特定的優(yōu)勢和應用場景。

a.直流電機。由于控制簡單和成本低廉，直流電機曾廣泛應用于早期的電動車中，然而，由于其維護復雜（碳刷磨損）和效率較低的問題，現(xiàn)在越來越少在新能源汽車中被使用[3]。

b.異步交流電機。也稱為感應電機，它的主要優(yōu)點是結構簡單、耐用且成本較低，這種電機不依賴永磁材料，通過電流在定子中產(chǎn)生旋轉磁場來感應轉子中的電流和磁場，從而驅(qū)動轉子旋轉，感應電機廣泛應用于需要高可靠性和維護簡便的應用場景。

c.同步交流電機。該電機包括永磁同步電機和電勵磁同步電機，永磁同步電機因其高效率和優(yōu)良的控制特性而在現(xiàn)代新能源汽車中得到了廣泛應用，永磁同步電機使用高性能的永磁材料在轉子上產(chǎn)生恒定的磁場，與定子的交變磁場同步旋轉，提供更高的效率和更好的性能，電勵磁同步電機則通過電流激勵的方式產(chǎn)生磁場，這允許更精細的磁場控制，但通常成本和復雜性較高。

3 當前新能源汽車驅(qū)動電機能耗存在的問題

3.1 控制策略缺乏針對性和自適應性

新能源汽車驅(qū)動電機的能耗問題在很大程度上受到其控制策略的影響。目前，驅(qū)動電機的控制策略普遍存在缺乏針對性和自適應性的問題，既影響了電機的能效，又限制了整車性能的最優(yōu)化。

現(xiàn)有的電機控制策略是基于一般化的設計原則和標準，缺少對特定車型特性、使用環(huán)境和駕駛行為的深入考慮[4]。例如，多數(shù)驅(qū)動電機的控制系統(tǒng)采用的是標準的矢量控制技術，這種技術雖然在普遍情況下能保證電機運行的穩(wěn)定性和效率，但它沒有根據(jù)車輛負載變化、路況復雜性以及駕駛模式的不同進行優(yōu)化，這就導致在特定的駕駛條件下，如高速行駛或山區(qū)道路行駛，電機無法達到最佳的能效表現(xiàn)。對于不同類型的電動車（如純電動車與插電式混合動力車），其驅(qū)動需求差異顯著，但許多控制策略并未作出相應的調(diào)整來適應這些差異，導致電機在非最佳工作點上運行，無法實現(xiàn)能源的最優(yōu)使用。

驅(qū)動電機的控制系統(tǒng)通常缺乏足夠的自適應能力，難以根據(jù)實時的車輛狀態(tài)和外部環(huán)境變化動態(tài)調(diào)整。在現(xiàn)實世界的駕駛過程中，車輛會遇到各種各樣的運行條件，如溫度變化、道路坡度、風速等，這些因素都會影響電機的效率和功耗。然而，現(xiàn)有的電機控制策略很少能夠?qū)崟r感知這些環(huán)境因素的變化，并據(jù)此優(yōu)化電機的運行參數(shù)。缺乏環(huán)境感知和實時調(diào)整功能意味著電機可能在不適宜的工作點上運行，例如，在低溫環(huán)境下電機和電池的效率通常會下降，而控制系統(tǒng)如果不能根據(jù)這種狀態(tài)調(diào)整電流和頻率，就可能導致更高的能耗和降低行駛里程。同樣，對于車輛負載的變化，如車輛載重或載客數(shù)量的增減，控制系統(tǒng)如果無法調(diào)整電機的輸出功率和扭矩以適應這種變化，也會造成能源的浪費。

3.2 電機能耗建模不夠精確

現(xiàn)有的驅(qū)動電機能耗模型往往為了計算的便利和模型的通用性，采用了許多簡化的假設。例如，模型中常常假設電機在所有操作條件下的效率都是恒定的，或者忽略了電機和控制系統(tǒng)之間的動態(tài)交互影響。這些假設雖然簡化了模型的構建和計算過程，但忽視了電機在實際運行中會受到的多種復雜因素的影響，如溫度變化、負載波動和電池狀態(tài)等。在實際應用中，這些因素都會對電機的效率和能耗產(chǎn)生顯著影響，但簡化的模型無法精確反映這些影響，導致能耗預測的不準確。電機啟動和停止的能耗損失、電機內(nèi)部摩擦和磁滯損耗等也常常在模型中被忽略，這進一步降低了模型的精確度和實用性。

驅(qū)動電機的能耗模型沒有考慮電機在不同運行狀態(tài)下的特性變化。在實際工作中，電機的工作狀態(tài)可能會因為駕駛模式的切換、路況的變化或氣候條件的影響而頻繁變動，這會直接影響電機的能耗和性能。例如，電機在高速運行與低速行駛時的能效明顯不同；在上坡和下坡時，電機的能耗和回收能量的策略也大不相同，而許多能耗模型并不區(qū)分這些不同的運行條件，僅使用統(tǒng)一的參數(shù)來描述電機的性能，忽略了實際操作中電機性能的復雜多變性。缺乏細化的建模方式無法為車輛控制系統(tǒng)提供足夠詳細的數(shù)據(jù)支持，從而無法優(yōu)化電機的運行策略，影響了整車的能源效率和動力表現(xiàn)。

當前新能源汽車驅(qū)動電機能耗建模的不夠精確主要表現(xiàn)在模型的過度簡化和對不同運行狀態(tài)缺乏詳細思考上，這會使能耗模型難以準確反映電機的真實工作情況，從而影響了電機控制策略的制定和能效優(yōu)化的實施。對于新能源汽車的開發(fā)和優(yōu)化而言，提高驅(qū)動電機能耗建模的精確度是提升整車性能的重要前提。

4 新能源汽車驅(qū)動電機能耗優(yōu)化策略

4.1 建立精確的電機能耗數(shù)學模型

在基于自適應控制算法的新能源汽車驅(qū)動電機能耗優(yōu)化策略中，建立一個精確的電機能耗數(shù)學模型是關鍵步驟，這個模型需要能夠準確描述電機在各種運行條件下的能耗行為，以便于算法能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)能耗最優(yōu)。

為了提高模型的精確度，研究人員需要考慮電機運行中影響能耗的多個關鍵參數(shù)，如電機轉速[n]、扭矩[τ]、溫度[T]，以及電池電壓[V]和電流[I]。電機的能耗[P]可以用以下非線性函數(shù)表示：

由上文方法可以構建出一個精確的電機能耗數(shù)學模型，該模型不僅可以準確描述電機在靜態(tài)條件下的能耗特性，也能夠捕捉到動態(tài)運行條件下的能耗變化，從而為基于自適應控制算法的能耗優(yōu)化提供堅實的數(shù)學基礎，這樣的模型使得新能源汽車的驅(qū)動電機能在各種環(huán)境和運行條件下達到能效最優(yōu)，顯著提高整車的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

4.2 設計自適應控制算法實現(xiàn)在線優(yōu)化

在基于自適應控制算法的新能源汽車驅(qū)動電機能耗優(yōu)化策略中，設計一個能夠?qū)崿F(xiàn)在線優(yōu)化的自適應控制算法是核心環(huán)節(jié)，這種控制算法需要能夠?qū)崟r調(diào)整控制策略以適應車輛運行狀態(tài)的變化，確保能耗始終處于最低狀態(tài)。

通過上述兩個步驟，自適應控制算法可以有效地在線調(diào)整新能源汽車驅(qū)動電機的控制策略，以適應不斷變化的運行環(huán)境和狀態(tài)，從而實現(xiàn)能耗的最優(yōu)化，這種策略的實施有助于提升電動車的整體性能和能效，是電動車技術發(fā)展中的一個重要方向。

5 結語

基于自適應控制算法的新能源汽車驅(qū)動電機能耗優(yōu)化策略為解決當前電機控制系統(tǒng)針對性不足、能耗建模精度低等問題提供了有效途徑，該策略通過建立精確的電機能耗數(shù)學模型，融合先進的自適應控制理論、優(yōu)化算法和機器學習技術，實現(xiàn)了對電機在各種復雜工況下運行狀態(tài)的精準描述和實時優(yōu)化，使電機能夠動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，持續(xù)保持在最優(yōu)工作點，有效降低了能耗水平。相較于傳統(tǒng)的電機控制方式，所提出的自適應控制策略不僅理論基礎扎實、技術路線明確，而且具備出色的適應性和魯棒性，能夠最大限度地發(fā)揮電機的能效潛能，為新能源汽車的節(jié)能減排和綠色可持續(xù)發(fā)展注入新的動力。未來，相關研究成果的深化和產(chǎn)業(yè)化推廣，必將進一步提升新能源汽車的經(jīng)濟性和競爭力，促進汽車產(chǎn)業(yè)的綠色低碳轉型。

參考文獻：

[1]蔣斌，鄔磊.新能源汽車驅(qū)動電機能耗檢測方法研究[J].汽車測試報告，2023（11）：79-81.

[2]任曉勇.新能源汽車與電機驅(qū)動控制技術[J].自動化應用，2022（5）：95-97.

[3]陳楷翼.純電動商用車驅(qū)動電機損耗計算及溫度場分析[D].重慶：重慶理工大學，2024.

[4]王政，叢日振，郭宇輝，等.某混合動力車型低溫純電續(xù)航能耗分解[J].時代汽車，2024（12）：128-130.

作者簡介：

周少璇，男，1989年生，講師，研究方向為新能源汽車技術。