以下文章來源于覺知汽車,作者邪道長
我們知道決定新能源汽車駕駛性能的重要因素之一是整車應用與驅動電機的適配度,因此為了讓整車具有良好的駕駛性能,驅動電機的選型便成為了車輛研發和設計過程中非常關鍵的一步,而在對驅動電機產品選型的過程中,將會涉及到對車輛性能、能耗、可靠性、成本等多個方面的因素評估,為了進一步了解此過程,在這里對驅動電機選型的主要步驟和考量因素進行歸納如下:
一、性能需求分析
性能需求分析主要指根據車輛的最高車速、加速性能、爬坡能力等整體性能需求,去確定該車輛搭載的驅動電機所需匹配的額定功率、峰值功率、最大扭矩、扭矩-轉速特性曲線(外特性曲線)等基本性能參數。
1.1.最高車速需求分析
最高車速主要取決于驅動電機在最高轉速下的輸出功率和傳動系統的最終傳動比。一般來說,驅動電機的最大轉速和該轉速所對應的輸出功率應足夠高,以確保在車輛達到最高目標車速時,能為其提供足夠的動力需求。
同時,由于驅動電機的輸出轉速通常是高于車輛車輪的轉速,因此需通過變速器的齒輪比設計,將驅動電機的高轉速轉換為車輪所需的適宜轉速?;诖?,在對此性能參數進行分析時,我們常需要計算驅動電機在最高車速下的理論輸出功率需求,并選擇能滿足這一功率需求的驅動電機產品。
1.2.加速性能需求分析
加速性能主要反映在驅動電機的瞬時扭矩輸出和持續功率輸出上。為了讓整車具有良好的加速性能,驅動電機需要在短時間內為車輛提供較大的扭矩,尤其是在車輛處于低速狀態時。為滿足此性能需求,這便要求所搭載的驅動電機具有較高的扭矩倍率和良好的扭矩-轉速曲線。
這里所說的“良好的扭矩-轉速曲線”是指驅動電機能夠在廣泛的轉速范圍內,可為車輛提供較為理想的扭矩輸出,以使車輛既能滿足在城市擁堵路況下的頻繁啟停和低速加速需求,同時又能適應高速巡航時的穩定功率輸出要求。
對于新能源汽車而言,驅動電機良好的扭矩-轉速曲線具體表現有以下幾個方面:
低速大扭矩:在車輛起步和低速行駛階段,尤其是車輛處于爬坡或承載重物時,此時驅動電機需要在較低轉速下就能為車輛提供較大的扭矩,以確保車輛在此狀態下具有足夠的牽引力和加速性能;
寬泛的高效區間:驅動電機在中高轉速下應保持較高的扭矩輸出,以使車輛在中高速行駛時仍能保持強勁的動力性能,同時,需確保驅動電機在這一轉速區間內具有較高的效率,以降低整車的運行能耗。
平滑過渡:扭矩-轉速曲線的斜率變化應盡可能平緩,避免扭矩突然大幅下降,因為扭矩的下跌便意味著同等轉速下輸出功率的下跌,于車端而言,駕駛員便會感覺到車輛動力的下降,而為了維持動力輸出,此時加速踏板將會被駕駛員踩下,由于不同轉速下的扭矩變化太大,因此將會出現車輛‘一頓一頓’的駕駛情況。
所以,具有平滑過渡的扭矩-轉速曲線可以使車輛在不同速度下的駕駛感覺更加順暢,同時也利于電機控制器對電流、電壓進行精確的控制,以實現在不同工況下驅動電機具有較為合理的輸出功率,從而滿足車輛在不同速度下的加速需求。
如上所述,這種良好的扭矩-轉速特性是在對驅動電機進行選型時,決定車輛性能的一個重要因素。
圖1 不通過需求下的驅動電機外特性曲線
1.3.爬坡能力需求分析
爬坡時車輛需要克服重力做功,此時對于驅動電機的恒定輸出扭矩則有較高的要求。因此,基于此性能需求,對驅動電機進行評估時,首先需要根據車輛的質量、輪胎與地面的摩擦系數以及坡道的傾斜角度去計算出爬坡所需的牽引力,然后再反推出所需應用的驅動電機在車輛處于低速狀態時需要提供的最小扭矩。通過評估車輛在較低轉速下,驅動電機能否為其提供充足的扭矩輸出,以此去滿足該車輛對于爬坡的需求。
二、效率和能耗
對于新能源汽車而言,行車能耗是決定用戶日常用車成本的關鍵因素,因此為了降低用車成本,車載用電器在性能上常需具備較高的運行效率,而作為新能源汽車大三電之一的驅動電機,其輸出效率的高低對車輛百公里電耗的多少有著至關重要的作用。
基于此背景,驅動電機運行區間的效率成為了評價其性能的重要指標之一。所以,在對驅動電機進行選擇時,應盡可能的確保所搭載的驅動電機產品,在寬泛的轉速和負載范圍內可始終保持較高效率,尤其是車輛常用的工況區間中。通過對高效區間的應用,可降低整車的能耗,從而起到延長續航里程的目的。
圖2 不同應用背景下的電機MAP
三、扭矩和轉速匹配
需通過傳動系統的設計,去考慮驅動電機的扭矩和轉速是否與車輛需求相匹配。如在乘用車領域,由于其車型總質量相對小,且日常用車多處于城市、高速等較為平坦的路面上,此時車輛對于驅動電機扭矩輸出的要求相對于轉速性能會更低些,為此在車端將更關注通過減速器去調整驅動電機的高轉速與車輪低轉速之間的關系。
但對于商用車而言,其多以載貨運輸為主要應用,且此類車輛的最高行駛速度相對于乘用車要更低,同時在重載應用環境下,車輛對于爬坡能力的要求將更為注重?;诖藨锰匦?,此時車輛對于驅動電機的扭矩關注度會相較于轉速更高,尤其是低速時的大扭矩輸出特性。
圖3 不同領域車輛對驅動電機的性能關注差異
四、體積和重量限制
由于車輛布置空間有限,同時受到車型總質量的制約,因此在進行驅動電機選型時需確保其具有較高的功率密度,即功率/重量或功率/體積的比值,以便實現在有限的空間內實現最大化性能輸出。此性能需求下,便需對驅動電機的材料、集成度等方面提出了更高的要求,為此,高性能多合一產品在業內不斷被推出。
五、冷卻方式
驅動電機的冷卻系統在整車熱管理中占據著重要作用,在汽車能量精細化管理的發展趨勢中,合適的冷卻系統不僅可確保驅動電機在高負載運行時能夠得到有效的散熱,以防止其因過熱而導致性能的下降和壽命縮減,同時也是實現整車熱管理中各模塊交互的重要基礎條件。
六、可靠性
驅動電機需在嚴苛的汽車環境中長期穩定運行,因此在選型時要考慮驅動電機的可靠性、耐用性以及維護便利性等因素。
七、成本與技術成熟度
作為大三電的核心之一,驅動電機的成本在整車零部件中占據較高位置,因此在選型時需進一步考慮其制造成本和采購成本,再結合整車定位,以達到選取具有高性價比產品的目的。并通過對供應商的考察,進一步確保所選擇的產品具有高技術成熟度和高可靠的質量保證。
八、法規和標準
相關產品需符合國家和地區的相關法規、標準及認證要求。
九、發展趨勢
考慮到新能源汽車技術的快速發展,驅動電機在選型時還需兼顧未來技術升級的可能性,如高壓平臺的兼容化、產品的智能化、集成化等趨勢,以及與之相關的接口兼容性、可拓展性等。
對上述內容總結如下圖:
圖4驅動電機選型過程及影響因素
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原文標題:新能源汽車驅動電機選型過程及影響因素
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