基于循环工况的电动汽车驱动电机参数优化

王 康，陈庆樟，王正义

（1.苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215000；2.常熟理工学院汽车工程学院，江苏 常熟 215500）

1 引言

电动汽车运行性能与驱动电机的性能有直接联系，电机驱动系统决定汽车运行时的各项性能指标。对驱动电机参数进行合理的匹配及优化，可以有效的提升汽车运行性能指标[1]。

电动汽车驱动电机传统匹配的方法是保证驱动电机的各项参数首先应先满足汽车的整车动力性的要求：如最高车速、加速时间和最大爬坡度等。在考虑整车动力性要求情况下，确定驱动电机额定功率、峰值功率、转速和转矩。但是这种方法仅仅从动力性能方面考虑驱动电机的参数匹配，没有考虑汽车在行驶中的不同循环工况，会对驱动电机的性能要求不同。文献[2]以电动汽车性能指标为依据，分析了电动汽车性能指标中机动性对驱动电机系统设计的要求，兼顾公路和越野路面两种工况；文献[3]利用ADVISOR软件对某电动汽车驱动电机的匹配进行了仿真研究；文献[4]研究了适合城市工况行驶的电动汽车驱动电机的匹配方案。尽管如此，基于不同循环工况，并采用ADVISOR软件对电动汽车驱动电机匹配，并针对不同的循环工况对驱动电机参数进行优化以提高整车动力性和经济性的研究相对较少。因此，为了解决电动汽车驱动电机传统匹配的方法只能满足动力性要求的缺陷，以及解决在不同循环工况下对驱动电机参数匹配结果具有不同程度影响的难题，针对某品牌电动汽车的驱动电机根据传统的匹配方法对驱动电机进行匹配，再利用ADVISOR软件对所匹配的驱动电机在不同的循环工况进行仿真，对仿真结果和性能设计指标比较并进行优化，最终确定驱动电机的最优参数值。

2 基本参数及性能设计指标确定

2.1 整车基本参数及性能设计指标

所研究的车型为某品牌电动轿车，其整车基本参数及性能设计指标，如表1所示。

表1 整车基本参数及性能设计指标（优化目标）Tab.1 Vehicle Basic Parameters and Performance Design Indexes（Optimization Target）

3 驱动电机参数设计

所研究的某品牌电动汽车驱动电机采用永磁同步电机，驱动电机的功率选择可以根据最高车速和最大爬坡度两种方式确定。由于永磁同步电机在高速运行时有保持恒定功率的特性，并且已给出最高车速的设计指标，因此根据最高车速确定驱动电机的额定功率。驱动电机的额定功率等于汽车在最高车速行驶时的阻力功率之和，即：

驱动电机的峰值功率一般在汽车行驶极限情况下才会出现，例如爬极限陡坡行驶，而且持续时间也相对较短，持续时间过长会对电机造成损坏。峰值功率是根据额定功率来确定的，一般情况下，峰值功率是额定功率与过载系数的乘积，即：

式中：λ—功率过载系数，一般取值为（2～3），这里取 λ=3。

当驱动电机转速达到额定转速附近时，其功率因数和效率较高，因此按照汽车正常行驶的速度确定驱动电机的额定转速，其计算公式为：

驱动电机的额定功率和额定转速决定了驱动电机的额定转矩的大小，其计算公式为：

因此可初步驱动电机参数，如表2所示。

表2 驱动电机基本参数Tab.2 Basic Parameters of Drive Motor

4 驱动电机参数优化目标分析

以驱动电机的动力性和经济性作为参数优化的目标，动力性指标为：最高车速、爬坡度和加速时间；经济性指标为行驶里程。从数学解析法的角度进行电动汽车动力性和经济性的分析如下。

4.1 最高车速

最高速度是指汽车在水平良好的路面上行驶时，可以达到的最高行驶速度。最高车速有两种确定方式，分别为：

（1）最大转速限制确定：

式中：β—转速过载系数，一般取值为2-4。

（2）驱动力-阻力的计算确定：

式中：α—转矩过载系数，一般取值为3-5。

最高车速取最大转速和驱动力-阻力计算的最高车速的最小值：

4.2 爬坡度

爬坡度是指电动汽车以某一恒定速度在坡面能克服的坡度大小，研究20（km·h-1）速度行驶的电动汽车爬坡度。

4.3 加速时间

加速时间是指原地起步加速时间，以最大加速度从静止状态逐渐换挡加速，达到某一恒定速度所需的时间。研究（0～60）km·h-1和（0～100）km·h-1两个加速时间。

式中：x—加速的末速度，取60或100；δ—旋转质量换算系数。

4.4 行驶里程

行驶里程指的是等速续驶里程，代表电动汽车以某一常规速度行驶的最大续驶里程。

其中，

式中：W—蓄电池的总放电量；W—以umax匀速行驶需求功率；C—单节电池额定能量；U—单节电池电压；N—电池数目；ηDOD—放电深度；ηe—电机及电机控制器的总效率。

5 仿真模型建立

5.1 整车仿真模型建立

利用ADVISOR建立整车模型，整车模型包括车辆模型、车轮模型、主减速器模型、驱动电机模型、储能模块等模型，如图1所示。

图1 整车仿真模型Fig.1 The Complete Vehicle Simulation Mode

在ADVISOR参数输入的界面，对整车、电池、车轮等参数进行预定值的修改。

5.2 驱动电机模型建立

驱动电机仿真模型，如图2所示。驱动电机模型反映的是驱动电机输入和输出之间的关系，将需求的转速和转矩最终转换成实际输出的转速和转矩。模型主要分为两部分，上半部分是向后仿真部分，输入需求的转速和转矩以计算出电池所需求的输入功率；下半部分是向前仿真部分，根据有效的输入功率计算出可实现电机转速和转矩作为输出[5]。

图2 驱动电机仿真模型Fig.2 Drive Motor Simulation Model

6 工况选定及仿真结果

纯电动汽车主要行驶于城市道路，因此汽车在行驶时会频繁的启动、减速以及怠速。结合实际情况，选择ADVISOR中CYC_UDDS（美国城市循环工况）和CYC_ECE_EUDC（欧洲循环工况）两种循环工况进行仿真[6]。两种循环工况基本参数，如表3所示。

表3 行驶循环工况基本参数Tab.3 Basic Parameters of Driving Cycles

根据多次仿真，设定13次循环工况重复次数（#of cycles），得到仿真结果对比，如表4所示。比较两种循环工况仿真结果，两种循环工况都符合设计指标，而且两种循环工况的加速性能以及爬坡性能基本相同，但是UDDS相对于ECE_EUDC循环工况在最高车速和行驶里程性能更好。因此，选择UDDS循环工况进行进一步的仿真分析和参数优化。

表4 仿真结果对比Tab.4 Comparison of Simulation Results

7 驱动电机参数优化

由于采用的是永磁同步电机，实际中可通过变频器改变永磁同步电的功率[7-8]，因此可采用改变驱动电机额定功率，并在UDDS工况下的仿真，比较汽车动力性和经济性变化。仿真结果，如表5所示。

表5 不同功率下仿真结果对比Tab.5 Comparison of Simulation Results at Different Power

根据表5在不同功率下仿真的动力性和经济性参数可以得出，驱动电机的额定功率对最大爬坡度、行驶里程有较大影响，而对原地启动加速时间和影响较小，甚至对最高车速无任何影响。最高车速无变化是因为汽车传动系采用的是固定传动比，传动比不改变最高车速不会改变。对于提高提高汽车行驶的最高车速，可考虑通过改变变速器相应的参数以改善其性能。因此，通过对驱动电机额定功率的优化只能对爬坡度和行驶里程进行性能提高改善，而对最高车速或者原地启动加速的时间不能进行性能改善。通过比较表5数据，当选择额定功率为23kW时，在其他整车参数不变的情况下，行驶里程最大；当选择额定功率为30kW时，在其他整车参数不变的情况下，以20km·h-1的速度爬坡，爬坡度最大。所以为了更好地进行参数匹配，又选择ADVISOR中Auto-Size（尺寸自动优化）工具进行自动优化。该工具包含优化电动汽车驱动电机功率、蓄电池组个数和整车质量等参数以提高整车的动力性和经济性。优化方法选择VisualDOC优化方法，并调整相应的结构参数和约束条件。修改后的约束条件为：

电池模块数目：15≤N≤30，N初始值为18；

电机额定功率：15≤Pe≤35，Pe初始值为25kW；

调节主减速比限定每分钟最高车速：umax=144.8（km·h-1）。

根据约束条件进行优化匹配后的结果，如表6所示。

表6 自动优化结果Tab.6 Results of Automatic Optimization

根据表6中自动优化所得参数在UDDS循环工况下进行仿真，动力性和经济性结果，如表7所示。

表7 自动优化参数仿真结果及对比Tab.7 Simulation Results and Comparison of Automatic Optimization Parameters

从自动优化后的仿真结果与优化前的仿真结果以及设计指标对比得出，进行参数自动优化后的电动汽车的动力性和经济性都符合设计指标，原地启动加速时间、爬坡度、行驶里程都较优化前初步匹配的参数明显提高，最高车速较优化前初步匹配参数略低，但是仍然满足设计指标，并且优化的数值仍然远大于设计指标。从自动优化后的动力性和经济性整体分析，各参数达到了最优的匹配，匹配效果好。

优化前后驱动电机在UDDS循环工况下工作状况，如图3、图4所示。比较自动优化前后驱动电机工作状况，优化后的电机效率在80%以上的较高效率区域向高转矩区域扩大，相同的转速所获得的转矩越大，使得同样条件下的汽车加速性能越好。并且优化后落在80%以上效率区域的工作点相对优化前略有增加。优化后的驱动电机高效率区域的匹配相对于优化前有了适当的提升，优化提升了驱动电机工作的整体效率和性能。

图3 优化前驱动电机工作状况Fig.3 Working Condition of Drive Motor Before Optimizing

图4 优化后驱动电机工作状况Fig.4 Working Condition of Drive Motor After Optimizing

为了验证所得出的驱动电机参数优化结果的准确性和增强所提出的驱动电机参数优化方法的说服性，选择文献[6]中在NEDC循环工况下，利用ADVISOR进行电动汽车驱动电机仿真优化的整车动力性和经济性结果进行参考验证，如表8所示。

表8 优化结果参考验证Tab.8 Reference Verification of Optimization Results

通过比较发现，所得出的驱动电机参数优化结果变化方向与文献[6]中优化结果变化方向一致，在爬坡度、加速时间和行驶里程上都有一定的提升，而且均满足了设计的指标。因而进一步说明了所提出的驱动电机参数优化的方法切实可行。

8 结论

以某品牌纯电动汽车为研究对象，重新匹配该车驱动电机的参数，并建立了整车的模型，进行了动力性和经济性的仿真及驱动电机参数的优化分析，得出结论有：（1）对于永磁同步电机，可通过改变驱动电机的额定功率值获得不同的最大爬坡度、行驶里程性能。通过优化驱动电机的额定值优化电机参数也是一种提高纯电动汽车动力性和经济性的有效方式，但是无法改变汽车行驶的最高车速。（2）利用ADVISOR自动优化功能进行相应参数自动优化，可以明显提高汽车行驶的动力性和经济性。自动优化中不仅有驱动电机的参数优化，也包含电池、整车装备质量等参数的优化。因此，对纯电动汽车动力性和经济性的提升，驱动电机的参数优化只是其中一种方式，应该结合电池、电机、变速器、整车等多个系统进行参数优化以获得最优的动力性和经济性。（3）对纯电动汽车驱动电机匹配和参数优化，应该尽量扩大驱动电机实际运行的高效率区域，提高电机的工作效率，也使得驱动电机与整车进行更好的匹配，以获得更佳的整车动力性和经济性。