新能源汽车驱动电机能耗检测方法研究.pdf

新能源技术792023.6新能源汽车驱动电机能耗检测方法研究蒋 斌 邬 磊（上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西 柳州 545007）摘要：该文对新能源汽车驱动电机进行概述，包括驱动电机的主要组成部分、工作原理、类型及特性，分析新能源汽车驱动电机在工作过程中的机械损失和电气损失两种能耗问题，探讨新能源汽车驱动电机能耗检测方法，包括实验室试验法、车辆道路测试法和模拟计算法，以更好地提升驱动电机的性能，降低新能源汽车的能耗。关键词：新能源汽车；驱动电机；能耗检测作者简介：蒋斌，上汽通用五菱汽车股份有限公司助理工程师，研究方向为新能源汽车技术；邬磊，上汽通用五菱汽车股份有限公司助理工程师，研究方向为新能源汽车技术。驱动电机是新能源汽车的核心部件之一，其功能是将电能转换为机械能，驱动汽车行驶。与传统内燃机汽车相比，新能源汽车的驱动电机具有高效率、低噪声等优点。新能源汽车驱动电机性能直接影响行驶过程中的动力性能、能耗和驾驶舒适性，因此对其进行优化和调整是新能源汽车技术领域的重要研究课题。本文对新能源汽车驱动电机能耗测试方法进行概述，以更有效地评估和优化新能源汽车驱动电机性能，推动新能源汽车技术的进一步发展和完善1。1 新能源汽车驱动电机概述1.1驱动电机主要组成部分新能源汽车驱动电机主要由定子和转子两个核心部分组成（图 1）。定子是电机的静止部分，通常包括一个或多个绕线或线圈，这些线圈在通电后会产生磁场。转子是电机的旋转部分，位于定子的内部，也包含绕线或线圈。当定子产生的磁场发生变化时，会在转子中产生电流，从而使转子转动。此外，驱动电机还包括电子控制单元，用于控制电流的输入，以调整驱动电机的转速和扭矩。1.2驱动电机工作原理新能源汽车驱动电机的工作原理主要是利用电磁感应原理。当电流通过电动机的线圈时，会产生磁场，而当磁场与驱动电机中的永磁体相互作用时就会产生转矩，从而驱动新能源汽车前进。驱动电机的转速由供电电压控制，而扭矩由电流控制2。通过控制电流和电压，可以调整驱动电机的转速和扭矩，以满足新能源汽车在不同驾驶条件下的需求。1.3驱动电机类型及特性新能源汽车驱动电机主要有交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机和直流电机 4 种类型。第一，交流异步电机以其结构简单、成本低廉和维护方便的特点在新能源汽车中得到广泛应用。其基本原理是通过交流电源产生一个旋转磁场，这个旋转磁场会感应到电流在转子上，从而使转子产生磁场并随着电源产生的磁场旋转。交流异步电机的转速不会超过供电磁场的转速，否则转子就不会感应到电流，因此其在高速、低扭矩条件下的效率和性能有待提高。第二，永磁同步电机的效率高、性能好，得到了广泛认可。永磁同步电机的工作原理为在转子中使用永磁物质产生恒定的磁场，然后通过对定子中1定子 2永磁体 3定子绕组 4转子图 1 驱动电机构造新能源技术汽车测试报告80的电流进行精确的控制，产生一个旋转磁场。当这个旋转磁场与转子中的磁场相互作用时，就会产生扭矩，使转子旋转。但需要注意的是，永磁同步电机需要精密的电流控制，以确保旋转磁场与转子磁场同步3。第三，开关磁阻电机结构简单、耐用性好，其工作原理与其他类型的电机有所不同。在开关磁阻电机中，定子和转子都由磁性材料构成，并且都具有多个独立的电极。转子和定子磁极之间的距离不同会导致磁阻发生变化，从而产生扭矩。通过控制定子磁极上的电流，可以改变定子磁极产生的磁场，进而控制转子的旋转。但开关磁阻电机结构复杂，需要使用复杂的电力电子和控制算法。第四，直流电机在早期的纯电动汽车中得到广泛的应用，其工作原理相对简单。但是由于直流电机效率低和维护成本高，目前在新能源汽车中应用较少。2 新能源汽车驱动电机能耗问题新能源汽车驱动电机在工作过程中的能耗问题主要分为机械损失和电气损失两部分。第一，机械损失主要包括摩擦损失和风阻损失。摩擦损失主要发生在驱动电机的轴承和其他机械部件之间，这种摩擦会消耗一部分输入驱动电机的能量，从而降低驱动电机的效率。风阻损失则主要发生在驱动电机的风扇和其他旋转部件上，这些部件在旋转时会与空气产生阻力，消耗一部分驱动电机的能量。在设计和维护驱动电机时，通过优化结构和使用高质量的润滑剂，可以有效地减少机械损失。第二，电气损失主要由铁损、铜损和额外损耗构成。铁损主要是指驱动电机铁心中由于磁场变化引起的损耗，通常以热能的形式散失。铜损是由于驱动电机线圈内通过电流时会产生电阻热，并以热能的形式散失。这些损失都会降低电机的效率，并可能引起电机过热，影响其使用寿命和可靠性。此外，还有一些额外的电气损耗，比如谐波损耗等。虽然这些损耗占比较小，但也不能忽视。3 新能源汽车驱动电机能耗检测方法在新能源汽车领域，驱动电机能耗是关键的性能指标，因此对其进行准确、高效的测试和评估是至关重要的。第一，电机能耗直接关系新能源汽车的行驶范围和能源利用效率。通过准确的能耗检测，可以评估驱动电机的效率，找出驱动电机在工作过程中可能存在的能耗问题，从而进行针对性的优化和改进。第二，驱动电机能耗检测也是评估新能源汽车环保性能的重要指标，因为低能耗意味着更少的电力消耗和更低的碳排放量。此外，在不同的速度、扭矩或温度条件下，驱动电机的能耗可能会有所不同4。而通过开展驱动电机能耗检测，检测人员可以全面了解驱动电机在不同工作状态下的性能表现。常见的新能源汽车驱动电机能耗检测方法有 3 种。3.1实验室试验法实验室试验法是一种在严格控制的环境下进行的新能源汽车驱动电机能耗检测方法。第一，这个过程需要一个专用的测试台架，用于安装驱动电机，以便进行后续的检测工作。第二，需利用专门的测试设备进行试验，这些设备包括电力分析仪、电压和电流传感器等。其中，电力分析仪主要用于测量和分析驱动电机的电力输入，可以精确地测量驱动电机在运行过程中消耗的电能；电压和电流传感器可以实时监控驱动电机的电压和电流状态。通过对这些数据的分析，检测人员可以了解驱动电机在各种工况下的运行情况。第三，在应用实验室试验法时，还需要测量驱动电机的机械功率输出，可通过在测试台架上安装扭矩和转速传感器来实现。扭矩传感器可以测量驱动电机输出的扭矩，转速传感器可以测量驱动电机的转速，将二者相结合可以计算出驱动电机的机械功率输出。通过比较驱动电机的电力输入和机械功率输出，可以计算出驱动电机的效率，得到驱动电机的能耗情况。实验室试验法的优点是能提供非常精确的能耗数据，因为所有的测试都是在严格控制的环境下进行的，可以消除许多外部因素对测试结果的影响。然而，这种方法的缺点是成本较高、操作复杂，因为需要专门的设备和专业的人员进行测试。此外，由于实验室环境与实际驾驶环境存在许多不同，所以只能将利用实验室试验法测得的能耗数据作为参考，而不能用其完全代表驱动电机在实际使用中的能耗。3.2车辆道路测试法车辆道路测试法是针对新能源汽车驱动电机能耗的实地检测方法，指的是在实际道路或闭合赛道上进行测试，以更准确地反映实际驾驶条件下的能耗情况。在应用该方法时，首先需要一辆装有测量和记录设备的新能源汽车。这些设备主要有能量计、车速传感器、GPS 定位设备等，以实时收集驱动电机和整车的能耗数据。在实际行驶过程中，能量计新能源技术812023.6用来记录驱动电机的电能消耗，车速传感器可以记录汽车的运行速度，GPS 定位设备则可以记录汽车的行驶路线和地理位置。通过对这些数据的实时收集和分析，可以详细了解驱动电机在各种驾驶条件下的能耗情况。车辆道路测试法具备一定的复杂性，并且影响驱动电机能耗的因素非常多。比如，驾驶员的驾驶习惯（加速和制动方式、驾驶速度等）、坡度和路面状况等道路条件，以及气温、风速、降雨等气候条件，都有可能改变驱动电机的工作状态，从而影响驱动电机能耗。虽然该方法存在一些不足，但其是评估新能源汽车驱动电机实际能耗的一种重要方法，可以反映出实际驾驶条件下驱动电机的工作状态和能耗情况，有利于设计人员更好地了解和优化驱动电机性能。3.3模拟计算法模拟计算法是一种集物理模型构建、大规模数据处理和复杂计算过程于一体的方法。第一，其核心在于构建一个能准确反映驱动电机在不同工作状态下性能的物理模型，这个模型需要包含电磁场模型、热传导模型等。第二，通过计算机软件模拟新能源汽车的实际行驶过程。在这个过程中，需要考虑到汽车的行驶速度、加速度，以及路面状况、风速、气温等众多环境因素，因为这些因素都会对驱动电机的工作状态产生影响5。在模拟过程中，计算机软件会实时计算驱动电机的电流、电压等参数，然后根据这些参数及已经建立的驱动电机物理模型进行大规模的数据处理和计算，从而得出驱动电机的能耗。这涉及大量的数据处理和复杂的计算过程，所以对计算资源的需求很大。在完成一系列的模拟和计算之后，需要分析计算结果，评估驱动电机的能耗，以及各种因素对驱动电机能耗的影响，从而为新能源汽车驱动电机的设计和优化提供重要的参考信息，降低整车的能耗。在实际应用中，模拟计算法具有两大优势。一是可以在设计阶段预测和优化驱动电机的能耗，从而减少实际测试的需求，节约时间和成本。二是提供了一个安全的虚拟环境，可以模拟各种可能发生的危险或者在实际中无法实现的极端工况，比如过载或过热，有利于设计人员对各种工况下的驱动电机性能形成深入的理解并进行预测。模拟计算法存在 3 方面的局限。第一，模型构建对结果的准确性有很大的影响。建立精确的驱动电机模型是一项挑战，需要设计人员具备丰富的经验和专业知识。同时，虽然强化模型的细节有利于提高计算结果的准确性，但也会增加模拟计算的复杂度。第二，模拟计算过程可能非常耗时和耗费计算资源，特别是对于大型系统或者复杂的工况，而且模拟结果只能作为参考，其准确性需要通过试验进行验证。第三，在某些情况下，通过应用模拟计算法，设计人员可能无法完全捕捉到真实环境中的制造误差、材料非线性行为等影响因素，导致模拟结果与实际情况有所偏差。4 结束语新能源汽车驱动电机能耗检测方法多种多样，各有优缺点。其中，实验室试验法能在严格控制的环境下提供精确的能耗数据，但其成本高、操作复杂，并不能完全反映实际驾驶条件下的能耗情况。车辆道路测试法则能更准确地反映实际驾驶条件下的能耗情况，但影响能耗的因素多、复杂性高。模拟计算法可以在设计阶段实现对驱动电机能耗的预测和优化，节约时间和成本，但模型建立的准确性、计算资源的消耗和试验验证是其面临的主要挑战。通过灵活运用这些检测方法，可以更全面、更准确地评估和优化新能源汽车驱动电机的能耗，从而推动新能源汽车技术的发展和进步。参考文献：1 廉馨春.新能源汽车驱动电机能耗检测方法 J .汽车测试报告,2 0 2 2(1 6):8 3-8 5.2 陈松乐,游云鹏,马钦锋.基于不同测试循环的电动汽车续驶里程与能耗分析 J .现代车用动力,2 0 2 1(3):2 6-2 9,3 4.3 王良成,汪源,张永辉.P L C 技术下新能源汽车电机驱动系统故障检测 J .机械设计与制造,2 0 2 2 (6):1 9 9-2 0 2,2 0 7.4 肖丽,高峰,侯淑萍,等.新能源汽车驱动系统速度传感器故障检测与容错控制法 J .电工技术学报,2 0 2 0(2 4):5 0 7 5-5 0 8 6.5 彭伟,赵峰,王永兴,等.永磁同步电机匝间短路故障在线检测方法 J .电工电能新技术,2 0 1 8 (3):4 1-4 8.