电动汽车驱动系统效率优化分析.pdf

汽车论坛1492023.7电动汽车驱动系统效率优化分析吴启帆（江西环境工程职业学院 江西 赣州 341000）摘要：随着汽车行业的快速发展，电动汽车作为一种新型的环保交通工具，越来越受到人们的重视。驱动系统是电动汽车的重要组成部分，直接影响车辆的性能、续航里程和用户体验。该文介绍电动汽车驱动系统工作原理，并对电动汽车驱动系统的效率优化策略进行探讨，以提高电动汽车的能量效率，实现电动汽车驱动系统的优化。关键词：电动汽车；驱动系统；效率优化作者简介：吴启帆，江西环境工程职业学院助教，研究方向为机械工程。电动汽车的发展对应对环境污染和气候变化问题具有重要意义。与燃油汽车相比，电动汽车更加环保，能在一定程度上改善空气质量。此外，电动汽车可以利用可再生能源驱动，如太阳能、风能等，实现零碳出行，对实现低碳、可持续交通具有重要作用。然而，电动汽车目前仍存在里程焦虑、充电不便等问题，因此必须优化电动汽车的关键技术，尤其是其驱动系统，以提高电动汽车性能、充电速度，延长电动汽车续航里程，从而为车主提供更好的使用体验1。具体而言，在提升电动汽车驱动系统效率的过程中，需要各个环节协同创新，对电池、电机、传动、控制等方面进行综合优化，最大限度地减少能量转化中的损耗，全面提升从电能到机械能的转换效率，以达到更优的综合性能。1 电动汽车驱动系统工作原理及其效率相关概述1.1电动汽车驱动系统工作原理驱动系统是电动汽车的核心部件，其工作原理：高能量密度的电池组释放电能，并且电能通过驱动系统的各关键部件进行转换和传递，最终驱动车轮产生机械能，推动汽车运行。电池组是电动汽车驱动系统的能量源。一般而言，电池组由多个小容量二次电池组成，采用锂离子、磷酸铁锂等电池技术，可输出高达数百伏的电压。放电时，电池组中的电化学反应释放出电子，形成电流传递能量。第一，电池组输出的直流电经过汽车上的电子控制器进行调节，然后进入驱动电机。驱动电机通常采用高效的三相交流异步电机或同步电机，其吸收电能并转换为机械能，产生转矩驱动传动机构和车轮。通常，对电机设计进行优化，可以让能量转化效率达到 90%以上。第二，电机输出的转矩通过传动机构传递增强，并驱动车轮。传动系统通常包括减速器、差速器、驱动轴等，而且电子控制的离合器可实现机械与电力传动的切换。复杂的传动系统可以使电机高速低扭矩的输出与车轮低速高扭矩的需求相匹配2。第三，车轮获得转矩后可推动汽车运行，同时在制动时，车轮转动会反向驱动电机发电，实现能量回收，给电池组充电，从而延长续航里程。电动汽车还会装配复杂的电子控制系统，对电池、电机、传动机构的工作进行精密控制，优化各部件的协调运转，提高驱动系统的综合效率和性能3。1.2电动汽车驱动系统效率相关概述1.2.1电动汽车驱动系统效率定义和计算方法电动汽车驱动系统效率指的是电池组储存的电能转换为机械能推动汽车行驶的效率，即车辆行驶过程中获得的机械能和电池组在此过程中放出的电能的比值。其中，机械能可以通过对车辆的行驶里程进行计算获得。电池放电的电量可以通过监测充电前后电池的状态电量变化来确定，也可以通过测试充电过程中电流积分获得。为了精确计算系统效率，需要在仪器测量下进行标准的路试，统计车辆在规定行驶条件下的行驶里程数值，以及电池组在整个过程中放出的电量。这样可以获得比较准确的驱动系统效率数值。同时，也可以在简化条件下做功率估算。如果设定车辆的平均速度，则车辆行驶过程中的平均机械功率是相对固定的，此时通过测量不同工汽车论坛150汽车测试报告况下电池的放电功率就可以估算驱动系统效率。通过标准的测试方法计算驱动系统效率，可以评价电动汽车驱动系统性能的优劣，并将其作为优化设计的参考，以延长电动汽车的续航里程。1.2.2电动汽车驱动系统效率影响因素电动汽车驱动系统效率直接决定电池电能转化为机械能的比例，从而影响续航里程。第一，电池效率是驱动系统效率的重要影响因素。电池在工作过程中会由于材料的活性物质利用率低、电解质参与副反应、电极界面电荷传输速率较慢等多种因素产生一定的能量损耗。而通过优化电极材料的电化学活性，改善电解质的稳定性，制定合理的电池管理策略等手段，可以降低电池自身的能量转换损耗，提高电化学反应效率，使更多电量可以被有效利用。第二，电机转换效率直接影响驱动系统效率。电机在将电能转化为机械能的过程中，会有铜损、铁损等损耗，从而影响驱动系统效率。而采用更优的磁性材料，减少涡流损耗，优化内部结构，可以使电机达到更高的转换效率，一般要求达到或超过90%。这需要在材料、电机设计、控制策略等多个方面进行协同创新。第三，传动系统的机械效率影响能量从电机到车轮的有效传递。优化传动系统中的传动比、增减速器、齿轮传动等设计，采用更高效的润滑技术，可以最大限度地降低不必要的机械损耗。此外，让电机输出的动力尽可能多地传递到轮胎，推动车辆运行，也是提高驱动系统效率的重要手段。1.2.3电动汽车驱动系统效率研究情况目前，关于电动汽车驱动系统效率的研究主要集中在 3 个方面，仍有一定的不足之处。第一，在电池技术层面，现有研究主要针对电池材料、界面化学、热管理等方面进行大量探索，一定程度上提高了单体电池和电池包的工作效率。但对于电池在实际使用中的老化机理及如何建立高效的电池管理系统，现有研究还不够深入，电池的实际效率还有较大的提升空间。第二，现有对驱动电机效率的研究包括比较系统地开展有关材料、结构、控制等方面的优化设计，使得电机的转换效率得到大幅提高，但要想进一步提升电机效率，则需要更多地关注非确定性因素的影响，以及电机在复杂工况下的协调控制。第三，在传动系统方面，现有研究主要停留在传统的机械传动结构优化上，采用多种成熟的技术，但是在如何进一步降低传动损耗方面仍需不断探讨。总体来说，现有电动汽车驱动系统效率研究已经取得一定进展，但距离大幅提升驱动系统效率以实现更长的续航里程还存在一定差距。因此，要更多地关注电池、电机、传动系统在复杂条件下的协同控制，以及新技术在驱动系统中的创新应用，并对各技术领域的深层次融合进行探索4。2 电动汽车驱动系统效率优化策略2.1电机控制策略优化在电动汽车驱动系统效率优化过程中，电机控制策略优化是一个非常关键的方面。通过合理的控制，可以充分发挥电机的性能，提高驱动系统的综合效率。针对交流异步电机，可以通过矢量控制技术实现电机的最优控制。该方法是通过测量和分析电机的磁场和转子方向，实现对转矩、磁链和功率因数等的精确控制。与 V/F 控制相比，这种方式可以减少电机的铜损和铁损，从而显著提高电机的效率。针对同步电机，可以利用解析器、编码器等设备反馈转子位置信息，并建立数学模型，采用空间矢量脉宽调制技术精确控制定子电流的幅值和相角，使其与旋转磁场保持同步，实现高效运转。此外，可构建电机故障诊断与容错控制系统，以在电机发生故障时快速做出反应，避免严重故障的扩大，保证系统的可靠性。同时，也可采用兼顾电机温度的智能控制算法，避免电机过热。通过建立整体的电机驱动系统优化模型，考虑车辆工况和路线信息，可以实现电机的协调控制，使其在不同工况下采取最优控制策略，既满足驱动需求，又可实现高效运转。总之，电机控制策略的优化在提升驱动系统效率方面发挥重要作用。这需要电机设计、模拟仿真、检测诊断、控制算法等多方面技术的相互配合，才能实现电机性能的最优化。2.2电池管理系统优化优化电动汽车电池管理系统控制策略，可以提高电池的利用效率，延长电池使用寿命，确保电池系统安全稳定运行。具体而言，在优化电池管理系统时，可从 3 个方面入手。第一，建立精确的电池模型，采用电化学测试分析电池特性参数，结合电池工作原理，建立精确的数学模型，以实时预测电池的电量、电压、电荷状态等，为制定控制策略提供依据。同时，可将电池的动力学、热学特性组合起来建模，从而提升模型的精度。汽车论坛1512023.7第二，开发智能电量管理策略。可根据车辆工况和路线信息，合理分配电池组输出的电量，优化各单体电池，通过主动均衡管理提高电池的综合利用效率，结合电量预测结果，实时调节输出功率，实现节能。第三，建立完善的电池保护系统，以监测电池电压、温度、内阻等参数，预测电池的健康状态，以使电池保护系统在发现潜在故障时立即启动保护机制，断开电路连接，确保电池免受损坏。同时，要确保电池保护系统可以为用户提供使用、维护提示，以使车主及时保养和维修动力电池，延长电池使用寿命。要想更好地优化电池管理系统控制策略，则需要从建模、电量控制、保护机制等方面入手，采用先进算法，在复杂条件下实现电池性能的最优化，在提高驱动系统效率的同时，确保电池使用安全。这需要汽车、电子、计算机多个领域的紧密协同。2.3电子控制系统优化电动汽车驱动系统中，优化电子控制系统对提高车辆整体运行效率至关重要。第一，构建精确的数学模型。应建立包含电池、电机、传动等部件特性的参数化模型，采集车辆行驶数据，识别模型参数，实现对整车状态的准确预测，并且需要考虑环境条件和使用场景对模型的影响。第二，开发自适应的系统控制策略。可根据对车辆当前状态的判断，选择最优的控制策略，比如电机转速控制、电池输出控制等，从而实现对系统的协调管理，并使电子控制系统基于反馈结果不断优化控制策略，实现闭环控制。第三，建立健全的状态监测和故障诊断系统。可通过电子控制系统采集各关键部件的工作数据，应用信号处理和模式识别算法，对电机、电池、传动机构等的健康状态进行实时监测和故障预测，以保证系统安全可靠。3 电动汽车驱动系统效率优化策略模拟和验证在优化电动汽车驱动系统效率时，开展仿真模拟和实车验证是非常关键的环节。第一，需要建立高精度的系统模型，包括电池的热力学模型、电机的数学模型、传动系统的动力学模型等，还要考虑影响车辆运行的环境因素，利用试验数据训练和修正模型，使其尽可能反映实际的系统行为。第二，在多物理场协同仿真平台上加载系统模型，设定不同工况场景，开展系统协同仿真，评估优化策略的有效性、经济性等指标，并重复优化，直到达到满意效果。也可以在仿真环境中加入噪声等随机因素，模拟实际系统的各类不确定性。第三，建立硬件在环仿真平台，连接实际的电机、电池样本，测试控制代码的运行效果。这比全部使用软件进行仿真更加精确，可以及时发现程序健壮性方面存在的问题。在在环仿真中，通过进行多次验证、迭代优化，可以提高优化策略的可实现性。第四，在电动汽车样车上加载控制系统，开展各种路况的实车测试，收集车辆的实时状态数据和能耗指标，判断优化策略的实际效果，并与仿真结果进行对比分析，根据实车测试结果进一步修正优化策略。第五，在通过大量实车运行验证，确保优化策略的有效性和可靠性后，才能实现最终的工程化应用。针对电动汽车驱动系统效率优化，可以在试验阶段进行更深入的研究，如测量不同优化策略下驱动系统的效率，通过试验数据验证所制定的优化策略的应用效果。同时，在得出结论阶段，可以对试验结果进行深入分析，探讨优化策略对电动汽车能量效率的影响及其在实际应用中可能出现的问题和改进方向。4 结束语驱动系统在电动汽车能效、续航里程、加速性能、驾驶体验和可持续发展等方面的重要性不可忽视。不断优化和改进驱动系统，可以提高电动汽车的性能和可靠性，促进电动汽车的广泛应用和普及。对电动汽车驱动系统效率优化做了整体阐述，介绍了电动汽车驱动系统工作原理，并对电动汽车驱动系统优化策略进行模拟和验证，以促进电动汽车驱动系统效率的优化，推动电动汽车行业的可持续发展。参考文献：1 焦保华,陈勇.纯电动汽车驱动系统匹配优化与仿真分析 J .北京信息科技大学学报(自然科学版),2 0 2 3(1):3 2-3 9.2 林程,孙建侠,徐垚,等.电动汽车驱动系统直流母线稳定性分析 J .汽车工程,2 0 2 2(4):5 8 3-5 9 0.3 尹彦秋,张俊深.纯电动汽车驱动系统的技术现状与发展趋势 J .内燃机与配件,2 0 2 1(1 7):2 1 5-2 1 7.4 刘春晖.浅谈电动汽车驱动系统的结构及分类 J .汽车实用技术,2 0 2 1(1 6):1 1-1 3.