Многомерная оптимизация и баланс производительности выбора двигателя электропередачи электромобилей

Многомерная оптимизация и баланс производительности выбора двигателя электропередачи электромобилей

Проектирование электропередачи (EV) представляет собой сложную системную инженерную проблему, где выбор двигателя играет ключевую роль в определении общей производительности, эффективности и стоимости транспортных средств. Традиционные методологии выбора двигателя, как правило, полагаются на предопределенные допущения архитектуры трансмиссии (например, передаточные числа, межосное распределение мощности), пренебрегая всесторонним воздействием этих параметров на производительность двигателя и всю систему. Это исследование систематически исследует, как параметры проектирования трансмиссии, связанные с двигателем, влияют на производительность двигателя, вес автомобиля, стоимость и эффективность в течение трех сравнительных анализов. Используя программное обеспечение ANSYS, мы провели тематические исследования с полным приводом пикапа, оценивая производительность в различных конструкциях двигателя, конфигурации передач и схемы распределения мощности с помощью статических/динамических требований к транспортным средствам и тестирования цикла вождения EPA. Результаты демонстрируют, что систематическая оптимизация, особенно посредством скоординированного дизайна двигателей с передаточными числами и распределением мощности, может значительно повысить как общую производительность, так и экономическую жизнеспособность электромобилей.

 [Технический анализ]

 технологическое превосходство

1. Методы оптимизации системного уровня

Традиционный моторный дизайн часто работает независимо от других компонентов трансмиссии, что приводит к чрезмерному инжинирированию или недостаточной эффективности подсистем. Предлагаемая методология оптимизации на уровне системы обеспечивает оптимальную общую производительность трансмиссии посредством итеративной оценки компонентных взаимодействий, включая двигатели, коробки передач, инверторы и батареи. Например, исследования демонстрируют, что выбор передачного соотношения непосредственно влияет на осуществимость и эффективность двигателя: высокоскоростные двигатели (IPM-20 кр / мин) не соответствуют требованиям к производительности при низких передаточных числах (3: 1), в то время как значительные улучшения производительности наблюдаются при корректировке передаточного соотношения до 10: 1.

2. Гибкость типа двигателя и распределения мощности

В исследовании сравнивались комбинированные характеристики двигателей постоянных магнитов (PM) с непостоянными магнитными двигателями, такими как индукционные двигатели (IM) и синхронные двигатели-роторы раны (WRSM). Результаты показали, что гибридное использование двигателей PM и не-PM может оптимизировать как эффективность, так и стоимость. Например, комбинация IPM-WRSM продемонстрировала более высокую общую эффективность в циклах приводов EPA, поскольку WRSM превосходит PM в сценариях с высокой нагрузкой, в то время как PM превосходит его в условиях низкой загрузки.

3. Баланс между стоимостью и производительностью

Благодаря оптимизированному дизайну исследования показали, что не все конфигурации двигателей PM обеспечивают оптимальную эффективность затрат. Например, в то время как двойная конфигурация двигателя PM (IPMB-IPMB) демонстрирует превосходную производительность, она несет более высокие затраты. Напротив, комбинация IPM-WRSM снижает затраты на 3,3% с лишь 1% потерей мощности. Кроме того, выбор между инверторами MOSFET и IGBT значительно влияет на эффективность и стоимость системы - MOSFET обеспечивают более высокую эффективность, но поступают за большие расходы.

Ключевые технические параметры

1. Параметры производительности двигателя

Скорость и крутящий момент: случай A сравнивал три двигателя IPM с различными номинальными скоростями (20,15 и 12 вод). Низкоскоростный двигатель (IPM-12 KRPM) выполнялся лучше всего при передачке 8: 1, в то время как высокоскоростный двигатель нуждался в более высоком передаче, для удовлетворения требований крутящего момента.

Эффективность и плотность мощности: двигатели PM, как правило, более эффективны, чем не-PM-двигатели, но стоят дороже. Например, IPM-B (345 кВт) хорошо работает в циклах вождения, но стоит 1630 долларов, в то время как WRSM (330 кВт) стоит всего 990 долларов.

2. Эффект передаточного взаимодействия

Выбор передаточного соотношения напрямую влияет на эксплуатационный диапазон и эффективность автомобиля двигателя. Исследование показало, что IPM-15 км/мин достиг максимального диапазона (395,64 км) и эффективности (3,9525 км/кВт-ч) при передачке 10: 1, в то время как IPM-12-километровые минуты выполнялся лучше при передачке 8: 1.

3. Стратегия распределения власти

Эффективность транспортного средства дополнительно улучшается путем оптимизации распределения мощности между двигателями передней и задней оси. Например, комбинация IPMB-WRSM динамически распределяет нагрузку, чтобы поддерживать работу IPM в высокоэффективном диапазоне.

4. Производительность инвертора

Тип инвертора оказывает значительное влияние на эффективность системы. Инвертор MOSFET имеет более низкие потери, чем IGBT, при одном и том же токе, но его стоимость выше. В оптимизированном дизайне высокопроизводительная схема имеет тенденцию выбирать MOSFET.

Промышленные применения

1. Проект трансмиссии для электромобилей

Это исследование предоставляет производителям электромобилей с методологией проектирования системного уровня для оптимизации выбора двигателя, конфигурации передач и распределения мощности. Например, в транспортных средствах с полным приводом гибридное использование PM и не-PM-двигателей может снизить затраты при сохранении производительности. Кроме того, результаты исследований поддерживают многоцелевую оптимизацию (например, диапазон и стоимость), предлагая поддержку принятия решений, управляемые данными.

2. Цепочка поставок и контроль затрат

Анализируя моторные затраты (такие как доля материала PM) и выбор инвертора, компании могут найти баланс между производительностью и затратами. Например, комбинация двигателей PM средней мощности (например, IPM-B) и WRSM является экономичным и эффективным решением.

3. Стандартизированное тестирование и проверка

В исследовании используются циклы, управляемые EPA, и статические/динамические стандарты испытаний, чтобы обеспечить многоразовую структуру оценки для отрасли. В будущем он может быть распространен на большее количество транспортных средств и условий эксплуатации (таких как экстремальная погода или сложные дорожные условия).

4. Технологические тенденции

В исследовании указывается, что будущий дизайн трансмиссии должен дополнительно интегрировать совместную оптимизацию двигателей, инверторов и батарей. Например, комбинация высоковольтных батарейных систем (например, 800 В) и эффективных двигателей может стать тенденцией.

заключение

Посредством анализа системного уровня и многочисленных исследований подтверждается положение ядра выбора двигателя при проектировании трансмиссии электромобиля. В основном включает в себя:

• передаточное соотношение и скорость двигателя должны быть разработаны в координации для удовлетворения требований к производительности;

• Гибридное использование двигателей PM и не-PM может оптимизировать эффективность и стоимость;

• Выбор инвертора (например, MOSFET) оказывает значительное влияние на эффективность системы.

Эти выводы обеспечивают важное руководство для инженерной практики трансмиссии электромобилей и помогают отрасли достичь более высоких производительности и более низких решений по электрификации затрат.