10.16638/jki.1671-7988.2021.08.001
新能源汽车对主驱电机特性的敏感性研究*
李忠雨，刘宏鑫，李红雨，王国锋
（珠海英搏尔电气股份有限公司研发中心，广东珠海519000）
摘要：为研究新能源汽车能耗、性能匹配等关键因素对电机效率MAP的敏感性及其外特性影响，文章以一台8.5m 纯电动公交大巴为研究对象，结合高级车辆仿真软件ADVISOR，对主驱电机性能匹配的敏感性因素进行了详实的分析，校核了电机的爬坡动力性能、最高车速性能，以及模拟了车辆在中国典型城市道路工况下的行驶里程及能量消耗情况，并提出了两种电机方案分别对整车进行适配，结果表明第二种电机方案与整车匹配度较高，车辆大部分工况运行在主驱电机MAP的高效区里，为新能源汽车的驱动电机优化设计，提供了一定的参考。
关键词：主驱电机；性能匹配；效率MAP；敏感性分析
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)08-01-04
Research on Sensitivity of New Energy Vehicles to Main Drive Motor Characteristics*
Li Zhongyu, Liu Hongxin, Li Hongyu, Wang Guofeng
（Zhuhai Enpower Electric Co., Ltd., R&D Center, Guangdong Zhuhai 519000）
Abstract: In order to study how the new energy vehicle’s energy consumption, performance matching and other key factors affected the sensitivity of the motor efficiency MAP in this paper and external characteristics of motor, taking an 8.5m pure electric bus as the research object, combined with the advanced vehicle simulation software ADVISOR, the sensitivity factors of main drive motor performance matching were analyzed in detail, the climbing dynamic performance, maximum speed performance, and power performance of the motor were checked and the driving mileage and energy consumption of the vehicle under typical urban road conditions in China are simulated, and two motor schemes are proposed to adapt the whole vehicle respectively. The results show that the second motor scheme has a high matching degree with the whole vehicle, and most of the working conditions of the vehicle run in the high efficiency area of the main drive motor’ MAP, which provides a certain reference for the optimization design of the drive motor of new energy vehicles.
Keywords: Main drive motor; Performance matching; Efficiency MAP; Sensitivity analysis
CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)08-01-04
引言
交警手势图随着国家能源发展战略向低碳、节能型转移，纯电动新能源汽车近年得到了快速发展，不仅可以有效缓解我国能源与环境压力，还可以大幅度减少国民出行问题。汽车主驱电机作为电动汽车的核心部件，与整车的动力性能、运行经济密切相关[1-2]，良好的整车动力匹配方案不仅要满足整车动力性需求，还要使得电机外特性、效率MAP、车辆运行工况三者深度耦合，才能使整车动力更充沛，能耗更经济。
文献[3]根据整车参数利用汽车动力匹配解析法计算出了
作者简介：李忠雨（1988-），中级工程师，就职于珠海英搏尔电气股份有限公司研发中心，研究方向：新能源车用驱动电机电磁设计及多物理场耦合分析。基金项目：电动汽车用新型永磁磁阻电动机及其控制策略研究及产业化项目（ZH01110405180006PWC）。
汽车实用技术
电机的峰值功率、峰值转矩以及峰值转速，并通过advisor 对整车进行了仿真，佐证了电机的选型、电池的容量及整车参数特性匹配是合理的，文献[4]指出了以往对改装车动力仿真计算的缺乏，提出了电动汽车改制的设计方法，通过电机外特性的选择匹配，对被改制车型进行了最高车速、加速能力、爬坡性能和续航里程的仿真研究，分析表明，改制车型动力匹配是合理的；文献[5]根据外厂提供的三款电机MAP 图，并以一辆长度为2558mm 的电动汽车为研究对象，对速度特性、加速特性以及爬坡性能进行了一系列的仿真分析，得出可以通过调整传动比来获得良好的动力性能等结论。
综上所述，在现有的文献中，多数学者关于电机匹配的研究大都集中在电机对整车动力性能影响，而随着新能源汽车数量的激增，能耗问题越来越被重视，然而关于效率MAP 对整车运行的经济性影响及其匹配的文献少有报道。
1 动力性能匹配分析
主驱电机作为新能源电动汽车的关键动力部件，其运行特性直接影响着整车的加速性能、爬坡性能、最高车速、能耗等性能，对电动汽车的动力性及舒适性有着重要意义，一套好的动力系统，不仅要求电机一侧要有充沛的动力输出，更要与整车的物理参数形成深度的配合，才会全面地发挥出电机的动力潜能。本文以一台8.5m 纯电动公交车为研究对象，使用由美国再生能源实验室（NREL ，National Renewable Energy Laboratory ）开发的高级车辆仿真系统ADVISOR （ADvanced VehIcle SimulatOR ）对其性能匹配进行深入地分析。 1.1 数学模型
Advisor 采用了后向仿真为主，前向反馈为辅的前、后双向仿真技术，如图1所示，其整个能量流动是从道路行驶工况发起，然后依次传递到整车、车轮、减速器、变速器、电机、电池，然后逐级向前传递反馈，形成闭环仿真系统，所以具有非常高的车辆仿真精度。
图1 纯电动车仿真系统架构
整车逻辑算法是以上一级车速请求作为系统的输入，通过力学平衡方程（1）计算得到整车需要的牵引力和速度，并将求解得到的牵引力和速度输出到车轮，车轮会将计算出的牵引力和极限反馈到整车作为判定，整车逻辑算法如图2所示：
（1） 其中
包括：滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、加速阻
力。
图2 整车逻辑算法
电机逻辑算法模块是以减速器模块输出的转速和转矩作为请求输入，电机算法针对预置电机MAP 及其外特性进行查表计算，并计算出需求的功率传递至电池模块，电池模块会依据电池实际的放电情况，计算出实际可以提供功率，并向前反馈到电机模块处理，最终得到实际的转矩和转速输出，电机逻辑算法如图3所示。
图3 电机逻辑算法
1.2 整车物理参数
整车物理参数对于动力系统的选择及其匹配是非常重要的参考依据，动力匹配时需要准确地列出其整车物理参数以便电机的选型和匹配，详细参数如表1所示：
表1 整车物理参数
1.3 整车性能需求
整车性能需求是衡量动力系统是否满足整车设计的重要
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李忠雨等：新能源汽车对主驱电机特性的敏感性研究
指标，也是动力系统选择的重要参考，本文中整车性能需求表如表2所示：
柯斯达明锐表2 整车性能需求表
NEDC工况虽然具有国际普适性，但是与我国道路交通还有较大的区别，由于我国车流量密集程度高、刹车制动频繁、车速相对较低，所以中国城市道路工况更好地反映出我国的道路实际工况，如图4所示。
图4 中国城市道路工况
1.4 适配电机参数
通过以上整车的物理参数及整车性能需求，选择了一款永磁同步电机，其具体参数如下表3所示：
表3 电机特性
为了明确上述适配电机的各项指标能否满足表2中对整车性能的需求，利用高级车辆仿真系统ADVISOR，对整车动力系统进行了全面地分析。
1.5 仿真结果
根据以上整车物理参数、电机特性参数及中国典型城市道路工况，利用高级车辆仿真系统ADVISOR，对整车动力性能进行了仿真计算，得到了以下运行结果。
图5 整车工况跟随状态
整车要求实际运行工况曲线需要与道路工况完全跟随，不允许有延时跟随及速度偏差现象。从图5中可以看出，工况跟随曲线与城市工况曲线完全重合，说明整车所适配的电机很好地满足工况曲线跟随，满足匹配要求。
通过仿真结果图6可以看出，0-69km/h加速时间计算结果为17.2s，满足整车22s的性能需求；最高车速计算值为76.4km/h，满足整车69km/h的车速需求，最大爬坡度计算后为15%，达到设计标准。
图6 整车性能计算结果
2 能耗对电机效率MAP敏感性研究
通过以上计算结果可以看出，适配电机满足动力性需求，但是由于新能源汽车搭载的电池数量有限，且其能量密度远远低于燃油车，所以对能耗及行驶里程等信息更加敏感，针对以上问题，对比分析了两款外特性指标参数相同，但效率MAP分布不同的电机，通过两款电机的能耗和里程的不同贡献值，判断出两款电机的优劣。
2.1 不同方案下的工况分布
为了分析电机能耗及行驶里程对电机效率MAP的敏感性，分别对两款绕组匝数、永磁体用量及MAP分布不同的电机带入ADVISOR模块，进行了中国典型城市道路工况的仿真，得到了工况对应的效率分布落点，如图7、8所示。
图7 方案一效率
北京 丹东
MAP
图8 方案二效率MAP
2.2 结果分析
通过两方案MAP分布可以看出，方案二高效区域较广且相对靠前，（下转第9页）
吴雪松等：纯电动物流车用PMSM降开关损耗控制
参考文献
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[13] 税永波.纯电动物流车动力系统参数稳健性设计[J].汽车实用技
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（上接第3页）
且大部分工况点落在了高效区里面，工况与电机效率MAP 的高效区耦合程度更深，使得整车能耗更加经济，两款电机方案最终的能耗及行驶里程结果如表4所示：
表4 能耗及行驶里程对比结果
e400通过表4可以看出，电机方案一能耗为0.42kWh/km，电机方案二能耗为0.38 kWh/km，相差10.5%，行驶里程相差9.1%，可以看出方案二的经济表现明显优于方案一，更加适合中国典型城市道路工况，能耗更经济，续航里程更远。
3 结论
本文以一台8.5m新能源公交大巴为例，通过搭建完整的车辆仿真模型，并对其关键的仿真模块进行了细致的阐述，且在中国典型城市道路工况的基础之上，对适配电机进行了全面的动力性能分析以及能耗分析。在动力性能方面，通过高级车辆仿真平台ADVISOR计算结果可以看出，适配电机的峰值转矩、峰值转速、峰值功率及额定功率等参数的选取是合理的，满足整车设计需求；在能耗方面，通过对比两款参数相同而效率MAP分布不同的电机发现，整车能耗及续航里程对效率MAP分布和道路工况有很强的敏感性，佐证了驱动电机的机外特性、效率MAP、车辆运行工况三者深度耦合的重要性，为新能源汽车驱动电机的设计，提供了一定的参考。
参考文献
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