新能源汽车驱动电机的优化设计
随着能源危机的日益严重以及环保意识的不断提升，新能源汽车已经成为了人们关注的热点话题。而作为新能源汽车的重要组成部分，驱动电机的优化设计也越来越受到专家学者们的关注。本文将从新能源汽车驱动电机的设计背景、驱动电机的原理以及优化设计方案进行探讨。
一、设计背景
自从人类发现火车以来，汽车的发展经历了许多里程碑。然而，在历次的变革中都有一个共性，那就是不断地追求更快、更强的动力，这使得传统燃油汽车在性能上已经趋于极致。但是，它却给环境造成了严重的污染问题和能源枯竭的威胁。而新能源汽车在强调环保和节能方面却往往面临着一定的技术瓶颈。驱动电机是新能源汽车的重要装置之一，其性能的优化设计将对整车的可靠性、性能和使用寿命产生重要影响。
二、驱动电机的原理
驱动电机的原理其实很简单，就是利用电能驱动电机，产生动力，驱动汽车前行，因此在驱动电机中重要的参数就是功率和转矩。电动机的功率与转矩都与油耗有关。但是电动机似乎比发动机更加灵活和易于控制，因此在新能源汽车中逐渐成为了主流选择。而在驱动电机方面的主要优化设计，就是通过改变电机的工作状态和参数调整来适应不同路况和行驶需求，实现更高效的能量利用。
三、优化设计方案
1.磁场设计优化
在磁场的设计中，就需要考虑到电机电磁转矩和铁磁饱和问题。在磁场设计的过程中，可以通过选用不同的材料和形状来改变电机的磁场分布。同时也需要进行电磁场有限元分析，以及优化电机线圈匝数和堵转电流等参数。
2. 动控运动学模拟
在驱动电机的运动学模拟中，就可以通过传统的解析方法来估算力和力矩。同时也可以采用计算机仿真的方法，通过建立仿真模型，对驱动电机的工作状态进行监测和仿真，研究电机工作状态的规律和变化趋势，从而为车辆的动力传输和控制策略提供指导。
3.电机控制系统优化设计
电机控制系统的优化设计，主要目的就是控制电机输出功率和转矩，以实现最佳能量利用。可以采用有刷电机、无刷电机或混合式电机，提高电机效率。同时也可以通过电机调速器、转矩控制器和各种传感器效果实现精细控制。 4.材料优化设计
纯电动汽车的驱动电机系统详解
驱动电机系统是电动汽车三大核心系统之一，是车辆行驶的主要驱动系统，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。一、驱动电机系统介绍驱动电机系统由驱动电机、驱动电机控制器(MCU)构成，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接，如图1所示。整车控制器(VCU)根据加速踏板、制动踏板、挡位等信号通过CAN网络向电机控制器MCU发送指令，实时调节驱动电机的扭矩输出，以实现整车的怠速、加速、能量回收等功能。电机控制器能对自身温度、电机的运行温度、转子位置进行实时监测，并把相关信息传递给整车控制器VCU，进而调节水泵和冷却风扇工作，使电机保持在理想温度下工作。驱动电机技术指标参数，如表1所示，驱动电机控制器技术参数如表2所示。1、驱动电机永磁同步电机是一种典型的驱动电机(图2)，具有效率高、体积小、可靠性高等优点，是动力系统的执行机构，是电能转化为机械能载体。它依靠内置旋转变压器、温度传感器(图3)来提供电机的工作状态信息，并将电机运行状态信息实时发送给MCU。旋转变压器检测电机转子位置，经过电机控制器内旋变解码器解码后，电机控制器可获知电机当前转子位置，从而控制相应的IGBT功率管导通，按顺序给定子三个线圈通电，驱动电机旋转。温度传感器的作用是检测电机绕组温度，并提信息供给MCU，再由MCU通过CAN线传给VCU，进而控制水泵工作、水路循环、冷却电子扇工作，调节电机工作温度。驱动电机上有一个低压接口和三根高压线(V、U、W)接口，如图4所示。其中低压接口各端子定义如表3所示，电机控制器也正是通过低压端口获取的电机温度信息和电机转子当前位置信息。2、驱动电机控制器驱动电机控制器MCU结构如图5所示，它内部采用三相两电平电压源型逆变器，是驱动电机系统的控制核心，称为智能功率模块，它以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。MCU对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态信息通过CAN2.0网络发送给整车控制器VCU。驱动电机控制器内含故障诊断电路，当电机出现异常时，达到一定条件后，它将会激活一个错误代码并发送给VCU整车控制器，同时也会储存该故障码和相关数据。驱动电机控制器主要依靠电流传感器(图6)、电压传感器、温度传感器来进行电机运行状态的监测，根据相应参数进行电压、电流的调整控制以及其它控制功能的完成。电流传感器用于检测电机工作实际电流，包括母线电流、三相交流电流。电压传感器用于检测供给电机控制器工作的实际电压，包括动力电池电压、12V蓄电池电压。温度传感器用于检测电机控制系统的工作温度，包括IGBT模块的温度。驱动电机控制器上分为低压接口和高压接口(图7)，低压接口端子定义如表4所示。二、驱动电机系统功能通过驱动电机工作状态可以了解新能源汽车驱动系统的基本功能，根据驾驶员意愿驱动电机的工作状态：挂D挡加速行驶时、减速制动时、挂R挡倒车时以及E挡行驶时来了解它的工作过程。1、D挡加速行驶驾驶员挂D挡并踩加速踏板，此时挡位信息和加速信息通过信号线传递给整车控制器VCU，VCU把驾驶员的操作意图通过CAN线传递给驱动电机控制器MCU，再由驱动电机控制器MCU结合旋变传感器信息(转子位置)，进而向永磁同步电动机的定子通入三相交流电，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速正向旋转。随着加速踏板行程不断加大，电机控制器控制的6个IGBT导通频率上升，电动机的转矩随着电流的增加而增加，因此，起步时基本上拥有最大的转矩。随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。在电动汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒定，即电动机的输出功率不随转速增加而变化，这要求在电动机转速增加时，电压保持恒定，其中永磁同步电机输出特性曲线如图8所示。与此同时，电机控制器也会通过电流传感器和电压传感器，感知电机当前功率、消耗电流大小、电压大小，并把这些信息数据通过CAN网络传送给仪表、整车控制器，其具体工作原理如图9所示。、R挡倒车时当驾驶员挂R挡时，驾驶员请求信号发给VCU，再通过CAN线发送给MCU，此时MCU结合当前转子位置(旋变传感器)信息，通过改变IGBT模块改变W\V\U通电顺序，进而控制电机反转。3、制动时能量回收驾驶员松开加速踏板时，电机由于惯性仍在旋转，设车轮转速为V轮、电机转速为V电机，设车轮与电机之间固定传动比为K，当车辆减速时，V轮K＜V电机时，电机仍是动力源，随着电机转速下降，当 V轮K＞V电机时，此时电机由于被车辆拖动而旋转，此时驱动电动机变为发电机(图10)。BMS可以根据电池充电特性曲线(充电电流、电压变化曲线与电池容量的关系)和采集电池温度等参数计算出相应的允许最大充电电流。MCU根据电池允许最大充电电流，通过控制IGBT模块，使“发电机”定子线圈旋转磁场角速度与电机转子角速度保持到发电电流不超过允许最大充电电流，以调整发电机向蓄电池充电的电流，同时这也控制了车辆的减速度，具体过程如图11所示。
纯电动汽车的驱动电机系统详解
驱动电机系统是电动汽车三大核心系统之一，是车辆行驶的主要驱动系统，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。一、驱动电机系统介绍驱动电机系统由驱动电机、驱动电机控制器(MCU)构成，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接，如图1所示。整车控制器(VCU)根据加速踏板、制动踏板、挡位等信号通过CAN网络向电机控制器MCU发送指令，实时调节驱动电机的扭矩输出，以实现整车的怠速、加速、能量回收等功能。电机控制器能对自身温度、电机的运行温度、转子位置进行实时监测，并把相关信息传递给整车控制器VCU，进而调节水泵和冷却风扇工作，使电机保持在理想温度下工作。驱动电机技术指标参数，如表1所示，驱动电机控制器技术参数如表2所示。1、驱动电机永磁同步电机是一种典型的驱动电机(图2)，具有效率高、体积小、可靠性高等优点，是动力系统的执行机构，是电能转化为机械能载体。它依靠内置旋转变压器、温度传感器(图3)来提供电机的工作状态信息，并将电机运行状态信息实时发送给MCU。旋转变压器检测电机转子位置，经过电机控制器内旋变解码器解码后，电机控制器可获知电机当前转子位置，从而控制相应的IGBT功率管导通，按顺序给定子三个线圈通电，驱动电机旋转。温度传感器的作用是检测电机绕组温度，并提信息供给MCU，再由MCU通过CAN线传给VCU，进而控制水泵工作、水路循环、冷却电子扇工作，调节电机工作温度。驱动电机上有一个低压接口和三根高压线(V、U、W)接口，如图4所示。其中低压接口各端子定义如表3所示，电机控制器也正是通过低压端口获取的电机温度信息和电机转子当前位置信息。2、驱动电机控制器驱动电机控制器MCU结构如图5所示，它内部采用三相两电平电压源型逆变器，是驱动电机系统的控制核心，称为智能功率模块，它以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。MCU对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态信息通过网络发送给整车控制器VCU。驱动电机控制器内含故障诊断电路，当电机出现异常时，达到一定条件后，它将会激活一个错误代码并发送给VCU整车控制器，同时也会储存该故障码和相关数据。驱动电机控制器主要依靠电流传感器(图6)、电压传感器、温度传感器来进行电机运行状态的监测，根据相应参数进行电压、电流的调整控制以及其它控制功能的完成。电流传感器用于检测电机工作实际电流，包括母线电流、三相交流电流。电压传感器用于检测供给电机控制器工作的实际电压，包括动力电池电压、12V蓄电池电压。温度传感器用于检测电机控制系统的工作温度，包括IGBT模块的温度。驱动电机控制器上分为低压接口和高压接口(图7)，低压接口端子定义如表4所示。二、驱动电机系统功能通过驱动电机工作状态可以了解新能源汽车驱动系统的基本功能，根据驾驶员意愿驱动电机的工作状态：挂D挡加速行驶时、减速制动时、挂R挡倒车时以及E挡行驶时来了解它的工作过程。1、D挡加速行驶驾驶员挂D挡并踩加速踏板，此时挡位信息和加速信息通过信号线传递给整车控制器VCU，VCU把驾驶员的操作意图通过CAN线传递给驱动电机控制器MCU，再由驱动电机控制器MCU结合旋变传感器信息(转子位置)，进而向永磁同步电动机的定子通入三相交流电，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速正向旋转。随着加速踏板行程不断加大，电机控制器控制的6个IGBT导通频率上升，电动机的转矩随着电流的增加而增加，因此，起步时基本上拥有最大的转矩。随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。在电动汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒定，即电动机的输出功率不随转速增加而变化，这要求在电动机转速增加时，电压保持恒定，其中永磁同步电机输出特性曲线如图8所示。与此同时，电机控制器也会通过电流传感器和电压传感器，感知电机当前功率、消耗电流大小、电压大小，并把这些信息数据通过CAN网络传送给仪表、整车控制器，其具体工作原理如图9所示。、R挡倒车时当驾驶员挂R挡时，驾驶员请求信号发给VCU，再通过CAN线发送给MCU，此时MCU结合当前转子位置(旋变传感器)信息，通过改变IGBT模块改变W\V\U通电顺序，进而控制电机反转。3、制动时能量回收驾驶员松开加速踏板时，电机由于惯性仍在旋转，设车轮转速为V轮、电机转速为V电机，设车轮与电机之间固定传动比为K，当车辆减速时，V轮K＜V电机时，电机仍是动力源，随着电机转速下降，当 V轮K＞V电机时，此时电机由于被车辆拖动而旋转，此时驱动电动机变为发电机(图10)。BMS可以根据电池充电特性曲线(充电电流、电压变化曲线与电池容量的关系)和采集电池温度等参数计算出相应的允许最大充电电流。MCU根据电池允许最大充电电流，通过控制IGBT模块，使“发电机”定子线圈旋转磁场角速度与电机转子角速度保持到发电电流不超过允许最大充电电流，以调整发电机向蓄电池充电的电流，同时这也控制了车辆的减速度，具体过程如图11所示。
纯电动汽车的驱动电机系统详解
驱动电机系统是电动汽车三大核心系统之一，是车辆行驶的主要驱动系统，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。一、驱动电机系统介绍驱动电机系统由驱动电机、驱动电机控制器(MCU)构成，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接，如图1所示。整车控制器(VCU)根据加速踏板、制动踏板、挡位等信号通过CAN网络向电机控制器MCU发送指令，实时调节驱动电机的扭矩输出，以实现整车的怠速、加速、能量回收等功能。电机控制器能对自身温度、电机的运行温度、转子位置进行实时监测，并把相关信息传递给整车控制器VCU，进而调节水泵和冷却风扇工作，使电机保持在理想温度下工作。驱动电机技术指标参数，如表1所示，驱动电机控制器技术参数如表2所示。1、驱动电机永磁同步电机是一种典型的驱动电机(图2)，具有效率高、体积小、可靠性高等优点，是动力系统的执行机构，是电能转化为机械能载体。它依靠内置旋转变压器、温度传感器(图3)来提供电机的工作状态信息，并将电机运行状态信息实时发送给MCU。旋转变压器检测电机转子位置，经过电机控制器内旋变解码器解码后，电机控制器可获知电机当前转子位置，从而控制相应的IGBT功率管导通，按顺序给定子三个线圈通电，驱动电机旋转。温度传感器的作用是检测电机绕组温度，并提信息供给MCU，再由MCU通过CAN线传给VCU，进而控制水泵工作、水路循环、冷却电子扇工作，调节电机工作温度。驱动电机上有一个低压接口和三根高压线(V、U、W)接口，如图4所示。其中低压接口各端子定义如表3所示，电机控制器也正是通过低压端口获取的电机温度信息和电机转子当前位置信息。2、驱动电机控制器驱动电机控制器MCU结构如图5所示，它内部采用三相两电平电压源型逆变器，是驱动电机系统的控制核心，称为智能功率模块，它以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。MCU对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态信息通过CAN2.0网络发送给整车控制器VCU。驱动电机控制器内含故障诊断电路，当电机出现异常时，达到一定条件后，它将会激活一个错误代码并发送给VCU整车控制器，同时也会储存该故障码和相关数据。驱动电机控制器主要依靠电流传感器(图6)、电压传感器、温度传感器来进行电机运行状态的监测，根据相应参数进行电压、电流的调整控制以及其它控制功能的完成。电流传感器用于检测电机工作实际电流，包括母线电流、三相交流电流。电压传感器用于检测供给电机控制器工作的实际电压，包括动力电池电压、12V蓄电池电压。温度传感器用于检测电机控制系统的工作温度，包括IGBT模块的温度。驱动电机控制器上分为低压接口和高压接口(图7)，低压接口端子定义如表4所示。二、驱动电机系统功能通过驱动电机工作状态可以了解新能源汽车驱动系统的基本功能，根据驾驶员意愿驱动电机的工作状态：挂D挡加速行驶时、减速制动时、挂R挡倒车时以及E挡行驶时来了解它的工作过程。1、D挡加速行驶驾驶员挂D挡并踩加速踏板，此时挡位信息和加速信息通过信号线传递给整车控制器VCU，VCU把驾驶员的操作意图通过CAN线传递给驱动电机控制器MCU，再由驱动电机控制器MCU结合旋变传感器信息(转子位置)，进而向永磁同步电动机的定子通入三相交流电，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速正向旋转。随着加速踏板行程不断加大，电机控制器控制的6个IGBT导通频率上升，电动机的转矩随着电流的增加而增加，因此，起步时基本上拥有最大的转矩。随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。在电动汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒定，即电动机的输出功率不随转速增加而变化，这要求在电动机转速增加时，电压保持恒定，其中永磁同步电机输出特性曲线如图8所示。与此同时，电机控制器也会通过电流传感器和电压传感器，感知电机当前功率、消耗电流大小、电压大小，并把这些信息数据通过CAN网络传送给仪表、整车控制器，其具体工作原理如图9所示。、R挡倒车时当驾驶员挂R挡时，驾驶员请求信号发给VCU，再通过CAN线发送给MCU，此时MCU结合当前转子位置(旋变传感器)信息，通过改变IGBT模块改变W\V\U通电顺序，进而控制电机反转。3、制动时能量回收驾驶员松开加速踏板时，电机由于惯性仍在旋转，设车轮转速为V轮、电机转速为V电机，设车轮与电机之间固定传动比为K，当车辆减速时，V轮K＜V电机时，电机仍是动力源，随着电机转速下降，当 V轮K＞V电机时，此时电机由于被车辆拖动而旋转，此时驱动电动机变为发电机(图10)。BMS可以根据电池充电特性曲线(充电电流、电压变化曲线与电池容量的关系)和采集电池温度等参数计算出相应的允许最大充电电流。MCU根据电池允许最大充电电流，通过控制IGBT模块，使“发电机”定子线圈旋转磁场角速度与电机转子角速度保持到发电电流不超过允许最大充电电流，以调整发电机向蓄电池充电的电流，同时这也控制了车辆的减速度，具体过程如图11所示。
