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Otimização multidimensional e equilíbrio de desempenho da seleção do motor do trem de força de veículos elétricos
Otimização multidimensional e equilíbrio de desempenho da seleção do motor do trem de força de veículos elétricos
O design do trem de força do veículo elétrico (EV) constitui um desafio complexo de engenharia de sistemas, onde a seleção do motor desempenha um papel fundamental na determinação do desempenho, eficiência e custo gerais do veículo. As metodologias tradicionais de seleção de motores normalmente dependem de suposições de arquitetura de trem de força predefinidos (por exemplo, relações de transmissão, distribuição de energia entre eixos), enquanto negligencia o impacto abrangente desses parâmetros no desempenho motor e em todo o sistema. Este estudo investiga sistematicamente como os parâmetros de projeto do trem de força relacionados ao motor influenciam o desempenho do motor, o peso do veículo, o custo e a eficiência por meio de três análises comparativas. Utilizando o software ANSYS, realizamos estudos de caso com uma caminhonete de tração nas quatro rodas, avaliando o desempenho em diferentes projetos de motores, configurações de relação de engrenagem e esquemas de distribuição de energia através de requisitos de veículos estáticos/dinâmicos e testes de ciclo de condução da EPA. Os resultados demonstram que a otimização sistemática - principalmente através do projeto coordenado de motores com relações de transmissão e distribuição de energia - pode aumentar significativamente o desempenho geral e a viabilidade econômica dos veículos elétricos.
[Análise técnica]
superioridade tecnológica
1. Métodos de otimização no nível do sistema
O design do motor tradicional geralmente opera independentemente de outros componentes do trem de força, levando a uma engenharia excessiva ou sub-desempenho dos subsistemas. A metodologia de otimização do nível do sistema proposta alcança o desempenho geral do trem de força geral através da avaliação iterativa de interações componentes, incluindo motores, caixas de câmbio, inversores e baterias. Por exemplo, a pesquisa demonstra que a seleção da relação de transmissão afeta diretamente a viabilidade e a eficiência do motor: motores de alta velocidade (IPM-20KRPM) não atendem aos requisitos de desempenho em relações de transmissão baixa (3: 1), enquanto melhorias significativas de desempenho são observadas ao ajustar a relação de transmissão para 10: 1.
2. Flexibilidade do tipo de motor e distribuição de energia
O estudo comparou o desempenho combinado de motores de ímã permanente (PM) com motores de ímã não permanentes, como motores de indução (IM) e motores síncronos de rotores de feridas (WRSM). Os resultados mostraram que o uso híbrido de motores PM e não-PM pode otimizar a eficiência e o custo. Por exemplo, a combinação IPM-WRSM demonstrou maior eficiência geral nos ciclos de acionamento da EPA, pois o WRSM supera o PM em cenários de alta carga, enquanto o PM o supera em condições de baixa carga.
3. Equilíbrio entre custo e desempenho
Através do design otimizado, a pesquisa revelou que nem todas as configurações de motor de PM oferecem ótima relação custo-benefício. Por exemplo, embora a configuração de motor PM dual (IPMB-IPMB) demonstre desempenho superior, ele incorre em custos mais altos. Por outro lado, a combinação IPM-WRSM reduz os custos em 3,3%, com apenas uma perda de energia de 1%. Além disso, a escolha entre os inversores de MOSFET e IGBT afeta significativamente a eficiência e o custo do sistema - os modelos oferecem maior eficiência, mas custam maior.
Parâmetros técnicos -chave
1. Parâmetros de desempenho do motor
Velocidade e torque: Caso A comparou três motores IPM com diferentes velocidades classificadas (20,15 e 12 krpm). O motor de baixa velocidade (IPM-12 KRPM) teve um desempenho melhor em uma relação de transmissão de 8: 1, enquanto o motor de alta velocidade exigia uma relação de transmissão mais alta para atender às demandas de torque.
Eficiência e densidade de energia: os motores de PM são geralmente mais eficientes que os motores não PM, mas custam mais. Por exemplo, o IPM-B (345kW) tem um bom desempenho em ciclos de direção, mas custa US $ 1.630, enquanto o WRSM (330kW) custa apenas US $ 990.
2. Efeito da relação de transmissão
A seleção da relação de transmissão afeta diretamente a faixa operacional e a eficiência do veículo do motor. A pesquisa constatou que o IPM-15KRPM alcançou o alcance máximo (395,64 km) e a eficiência (3,9525 km/kWh) a uma relação de transmissão de 10: 1, enquanto o IPM-12KRPM teve um desempenho melhor em uma relação de transmissão de 8: 1.
3. Estratégia de distribuição de energia
A eficiência do veículo é melhorada, otimizando a distribuição de energia entre os motores de eixo dianteiro e traseiro. Por exemplo, a combinação IPMB-WRSM distribui dinamicamente a carga para manter o IPM operando em um intervalo de alta eficiência.
4. Desempenho do inversor
O tipo de inversor tem um impacto significativo na eficiência do sistema. O inversor MOSFET tem menor perda que o IGBT na mesma corrente, mas seu custo é maior. No design otimizado, o esquema de alto desempenho tende a escolher o MOSFET.
Aplicações industriais
1. Design do trem de força para veículos elétricos
Este estudo fornece aos fabricantes de veículos elétricos uma metodologia de design no nível do sistema para otimizar a seleção do motor, a configuração da relação de transmissão e a distribuição de energia. Por exemplo, em veículos com tração nas quatro rodas, o uso híbrido de PM e motores não PM pode reduzir custos, mantendo o desempenho. Além disso, os resultados da pesquisa suportam a otimização multi-objetiva (como intervalo e custo), oferecendo suporte à tomada de decisão orientado a dados.
2. Cadeia de suprimentos e controle de custos
Ao analisar os custos motores (como a proporção de material de MP) e seleção de inversores, as empresas podem encontrar um equilíbrio entre desempenho e custo. Por exemplo, a combinação de motores de PM de potência média (como IPM-B) e WRSM é uma solução econômica e eficiente.
3. Teste e verificação padronizados
O estudo utiliza ciclos acionados por EPA e padrões de teste estáticos/dinâmicos para fornecer uma estrutura de avaliação reutilizável para a indústria. No futuro, pode ser estendido a mais veículos e condições de operação (como clima extremo ou condições complexas da estrada).
4. Tendências de tecnologia
O estudo ressalta que o design futuro do trem de força precisa integrar ainda mais a otimização colaborativa de motores, inversores e baterias. Por exemplo, a combinação de sistemas de bateria de alta tensão (por exemplo, 800V) e motores eficientes pode se tornar uma tendência.
conclusão
Através de análises no nível do sistema e estudos de vários casos, é comprovada a posição central da seleção de motores no projeto do trem de força de veículos elétricos. Inclui principalmente:
• A relação de transmissão e a velocidade do motor devem ser projetadas em coordenação para atender aos requisitos de desempenho;
• O uso híbrido de MP e motores não PM pode otimizar a eficiência e o custo;
• A seleção do inversor (por exemplo, MOSFET) tem um impacto significativo na eficiência do sistema.
Essas conclusões fornecem orientações importantes para a prática de engenharia do trem de força de veículos elétricos e ajudam o setor a alcançar um maior desempenho e soluções de eletrificação de custo mais baixo.