基于循环工况的纯电动汽车驱动电机参数优化

王斌+林鑫焱+陈辛波+史晶晶

摘 要：通过对新欧洲循环工况（New European Driving Cycle，NEDC）的分析，指出了传统方法匹配的电动汽车驱动电机高效区未得到充分利用的问题。提出了基于循环工况的驱动电机参数优化方法，推导了当电机额定参数改变时，新电机效率Map的计算过程。优化结果显示NEDC工况下驱动电机工作点与电机高效区的匹配情况有所改善，电动汽车的续驶里程提高了8.9 km，同时整车动力性也得到了提高，表明基于循环工况的驱动电机优化方法对于提高电动汽车续驶里程是有效的。

关键词：循环工况；电动汽车；驱动电机；参数匹配

中图分类号：U469.72文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.03.02

汽车工业发展带来的石油资源短缺、环境污染等问题日益突出，而电动汽车在节能、环保方面具有传统汽车无法比拟的优势，所以研发电动汽车是解决上述问题的有效途径。但是，动力电池和电驱动等关键技术的不成熟使电动汽车的续驶里程比较短，严重制约了电动汽车的普及与发展。在这些关键技术取得有效突破之前，对驱动系统的参数特别是驱动电机参数进行更为合理的匹配，最大限度地挖掘现有电动汽车技术的潜能是提高电动汽车性能的重要手段之一[1-2]。

传统的电动汽车驱动电机匹配方法首先根据整车动力性指标（最高车速、加速时间和最大爬坡度）确定电机的峰值参数，其次根据经验过载系数和经验基速比确定额定参数，这种方法没有考虑电机的效率分布情况，匹配的驱动电机在循环工况下运行时的工作点集中区域不一定是电机的高效区。电机的高效区一般位于额定转速和额定转矩相交区域附近，如果循环工况下驱动电机的工作点能集中在这一区域，电动汽车的续驶里程将得到提高。文献[3]发现不同工况对混合动力汽车的混合度有很大的影响。文献[4]和[5]根据给定循环工况的需求功率分布情况，对驱动电机的额定功率进行匹配。文献[6]研究了适合城市工况行驶的纯电动汽车动力系统方案。文献[7]引入行驶工况比例系数，分析了行驶工况比例系数与控制策略参数之间的关系。尽管如此，基于循环工况的驱动电机参数匹配研究少之甚少。

本文对某款根据传统方法匹配的纯电动汽车驱动电机参数进行优化，通过调节电机的额定转速和额定转矩来移动电机高效区的位置，增大循环工况工作点集中区域与电机高效区的重合度，以提高电动汽车的续驶里程。其中驱动电机采用永磁同步电机，传动系去除变速器，采用单级主减速器固定速比传动。整车基本参数及性能指标设计要求见表1，驱动电机和动力电池参数见表2。

1 典型循环工况分析

选用NEDC工况作为典型循环工况进行分析，其需求车速如图1所示。

采用电动汽车仿真软件ADVISOR对表1和表2中的参数进行NEDC工况仿真，所得驱动电机的输出功率和输出转矩分别如图2和图3所示。由图2和图3可知，电动汽车在NEDC工况下运行时驱动电机的最大输出功率为33.16 kW，最大输出转矩为88.07 N·m。

利用Matlab软件对图1～3中的数据点进行频率统计，得到分别如图4所示的驱动电机输出功率、输出转矩以及输出转速的频率分布。其中，输出功率和输出转矩只对电机的驱动功率和驱动转矩进行统计，即只统计其变化曲线中的正值数据点。

从图4中可以看出，在NEDC工况下，驱动电机的工作点主要集中在低功率、低转矩以及低转速区域。其中，驱动电机的输出功率在0～20 kW，输出转矩在0～80 N·m，输出转速在0～2 400 r/min区间内，占整个循环工况驱动工作点的比例分别为96.1%、98.4%、79.0%。

由此可见，原电机在NEDC工况下运行时，绝大部分工作点位于电机的欠载区，其额定转速和额定转矩的选择偏大，偏离了电机工作点集中区域，故其附近的高效区没有得到充分利用。因此，若减小驱动电机的额定转速和额定转矩，将其高效区朝低转速、低转矩处移动，可增大NEDC工况工作点集中区域与电机高效区的重合度，提高驱动电机的总体效率。

2 额定转速和额定转矩的取值范围

在保证动力性的前提下，本文保持驱动电机的峰值功率和最高转速不变，以驱动电机的额定转速和额定转矩为优化变量，以电动汽车的续驶里程最长为优化目标。

根据上文对NEDC工况的分析，原电机额定转速和额定转矩的选择偏大，因此选择额定转矩和额定转速的取值范围上限分别为80 N·m和2 400 r/min。

在目前的技术条件下，永磁同步电机的过载系数最大能达到3，则最大转矩Tmax≥240 N·m，再由电机峰值功率、最大转矩和额定转速之间的关系有nN≥1 592 r/min。

综上所述，本文取设计变量额定转速的取值范围为nN（i）=1 600+i×100，i=0，1，2，……，8；额定转矩的取值范围为TN（j）=80-j×5，j=0，1，2，……，且TN≥9 549Pmax/[3nN（i）]。

3 驱动电机效率Map的建立

本文提出的基于循环工况的驱动电机优化方法其关键在于找出当电机的额定参数发生改变时，电机效率Map随之变化的规律。

3.1 电机各工作点效率的计算

电机在运行过程中的损耗由可变损耗和不变损耗两部分组成，其中可变损耗包括铜损和附加损耗，不变损耗包括铁损和机械损耗，铁损主要由涡流损耗和磁滞损耗组成。

电机在峰值点（峰值功率与额定转速相交处）的总损耗Ploss可通过式（1）计算。其中铜损PCu和铁损PFe占总损耗的比例分别为0.59和0.22。峰值点电机的涡流损耗Pe和磁滞损耗Ph相等，各占铁损的一半。

。

式中，h为散热系数，W/m2·k；T为温升限度，℃；A为铁心表面积，mm2。

电机在其它任意工作点的铜损PCu_i、涡流损耗Pe_i和磁滞损耗Ph_i与峰值点的铜损、涡流损耗和磁滞损耗分别都有一定的关系[10]，如式（2）～（4）。

。

。

。

式（2）～（4）中，nN为电机的额定转速，r/min；ni为电机在任意工作点的转速，r/min；Pi为电机在任意工作点的功率，kW，可通过功率-转速-转矩关系公式求得；Pmax为电机的峰值功率，kW。

电机在任意工作点的机械损耗Pm和附加损耗Ps可根据经验公式求得

。

。

电机在任意工作点的总损耗Ploss_i为

。

则电机在整个工作区域内任意工作点的效率ηi为

。

3.2 额定参数改变时电机效率Map的建立

根据电机的相似性定律，额定参数改变后的新电机在峰值点的铜损PCu1和铁损PFe1与原电机在峰值点的铜损PCu和铁损PFe有一定的比例关系[10]：

。

。

式（9）和式（10）中，K为比例系数；nN1和nN分别为新电机和原电机的额定转速，r/min。

比例系数K的表达式为

。

。

式（11）和式（12）中，PN1和PN分别为新电机和原电机的额定功率，kW；cosδ1和cosδ分别为新电机和原电机的功率因数；P为电机的极对数；fN为电源的额定频率，Hz，永磁同步电机的额定频率fN=nNP/60。

而电机变频器的效率可以参考相关文献[8-9]中的经验公式求得，不是本文研究的重点，故不作说明。

至此，通过上文的推导，可以求出不同额定转速和额定转矩的电机在任意工作点的效率，即可确定电机在整个工作区域内的效率Map。计算所需电机基本参数见表3。

4 优化结果及分析

4.1 优化结果

采用ADVISOR对不同额定参数的驱动电机进行NEDC工况续驶里程仿真，仿真结果见表4。当额定转速和额定转矩分别为1 700 r/min和75 N·m时，续驶里程最长，达到212.4 km。

因此，优化后的新电机额定转速取1 700 r/min，额定转矩取75 N·m，峰值功率和最高转速保持不变。再求得额定功率为14 kW，最大转矩为225 N·m。综上所述，优化前后驱动电机的参数见表5。

4.2 优化前后仿真结果对比

驱动电机优化前后，在NEDC工况下电机工作点与驱动电机高效区的匹配情况对比如图5所示。可以看出，相对于优化前，优化后驱动电机效率在90 %以上的高效区向左下方即低转速、低转矩区域发生了移动，电机效率在85 %以上区域包含的电机工作点数目有所增加，并且落在效率为90 %以上的高效区内的电机工作点相比优化前明显增多。优化后驱动电机工作点与电机高效区的匹配比优化前有了显著改善，因此提升了驱动电机的总体效率。

驱动电机优化前后，电动汽车的整车动力性和续驶里程仿真结果对比见表6。

驱动电机优化后，电动汽车的续驶里程达到212.4 km，比优化前提高了8.9 km。从表4中可以看出，当驱动电机的额定转速或额定转矩减小时，电动汽车的续驶里程增大。这是因为NEDC工况下驱动电机的工作点集中在低转速、低转矩区域，当电机的额定转速或额定转矩减小时，电机的高效区随之向此区域移动，与电机工作点集中区域的重合度增大，即落在电机高效区的工作点增加，因此提升了驱动电机的总体效率，电动汽车的续驶里程也得以提高。

驱动电机优化前后，电动汽车的最高车速未发生变化。这是由于驱动电机的最高转速未发生改变，并且传动系采用的是固定速比传动，因此电动汽车的最高车速不会发生变化。

驱动电机优化后，电动汽车的0-50 km/h和0-100 km/h加速时间分别为5.2 s和17.4 s，分别比优化前缩短了1.7 s和1.8 s，15 km/h最大爬坡度为32.7 %，比优化前提高了10.7 %。根据电机的机械特性，当电机的峰值功率保持不变时，电机的最大转矩随额定转速的减小而增大，因此整车的加速性能和爬坡性能增强。

4.3 不同循环工况优化结果

运用本文的优化方法，针对其它几种不同的循环工况进行优化，续驶里程优化结果见表7。可以看出，优化后电动汽车在不同循环工况下的续驶里程均有不同程度的提高，进一步表明基于循环工况的驱动电机匹配方法对于提高电动汽车续驶里程是有效的。

5 结论

（1）通过对NEDC工况的分析，指出了按照传统方法匹配的电动汽车驱动电机存在的问题：在NEDC工况下运行时，电机的高效区没有得到充分利用，与工作点集中区域的重合度较低，驱动电机的总体效率不高。

（2）给出了当驱动电机的额定参数发生变化时，不同额定转速和额定转矩的电机效率Map的计算

方法。

（3）优化后NEDC工况下驱动电机工作点与电机高效区的匹配情况有所改善，电动汽车的续驶里程比优化前提高了8.9 km，同时整车的动力性还得到了提高，此外不同循环工况优化后的续驶里程均有所提高，表明基于循环工况的驱动电机参数优化方法对于提高电动汽车续驶里程是有效的。

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