基于自適應控制算法的新能源汽車驅動電機能耗優化研究

摘要：新能源汽車驅動電機作為動力系統核心部件，其性能對整車的續航里程、動力輸出、能耗水平及可靠性等關鍵指標影響深遠，提高驅動電機能量利用效率、降低能耗不僅直接提升了新能源汽車的續航里程，擴大了車輛使用范圍，還可顯著降低運營成本，提高產品競爭力。首先介紹了新能源汽車常用驅動電機的工作原理及分類，分析了影響電機能耗的主要因素；其次指出了當前電機控制策略在能耗優化方面存在的不足，提出了基于自適應控制算法的新能源汽車驅動電機能耗優化策略。相關研究結論為新能源汽車驅動系統的節能優化提供了有效途徑，對提升新能源汽車的經濟性和競爭力具有積極意義。

關鍵詞：新能源汽車；驅動電機；能耗優化；自適應控制算法；數學建模

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-09-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.017

1 前言

新能源汽車作為未來汽車工業發展的必由之路，受到全球產業界和學術界的高度重視，其中驅動電機作為動力系統核心部件，其能量利用效率直接關系到整車的續航里程及經濟性[1]。然而，傳統的驅動電機控制策略大多基于理想工況設計，未能充分考慮復雜多變的實際工況對電機能耗的影響，且難以根據瞬時狀態動態調整控制參數以達到最佳能耗性能，這造成了能量的低效利用。為此，研究人員提出了基于自適應控制算法的驅動電機能耗優化策略，建立了精確描述電機能耗特性的數學模型，并設計自適應控制算法在線識別實時工況，自動調整控制參數使電機始終維持在最佳工作狀態，從而最大限度降低能耗、提高能量利用效率。

2 新能源汽車驅動電機原理及類型

新能源汽車中的驅動電機是其動力系統的核心部件之一，負責將電能轉換為機械能，從而驅動汽車行駛，這種電機的設計和選擇直接影響到車輛的性能、效率及續航能力。

驅動電機主要通過電磁感應原理工作，這一原理是由法拉第的電磁感應定律所描述。當電流通過電機的繞組時，會在電機內部產生旋轉磁場，此磁場與電機定子（靜止部分）和轉子（旋轉部分）中的磁鐵或繞組相互作用，產生力的作用，從而推動轉子轉動，輸出機械能[2]。電機的效率、輸出功率和扭矩等性能指標，主要由其內部的電磁設計（如繞組的材料、數量和排列）、電機控制方法（如采用何種調速策略），以及電機本身的熱管理系統等因素決定。例如，采用高效率的永磁材料可以提高電機的能效比，而優化的繞組設計可以減少能量損耗，提高電機的響應速度和運行效率。

新能源汽車中常用的驅動電機類型主要包括直流電機、異步交流電機（感應電機）和同步交流電機（包括永磁同步電機和電勵磁同步電機），每種電機類型都有其特定的優勢和應用場景。

a.直流電機。由于控制簡單和成本低廉，直流電機曾廣泛應用于早期的電動車中，然而，由于其維護復雜（碳刷磨損）和效率較低的問題，現在越來越少在新能源汽車中被使用[3]。

b.異步交流電機。也稱為感應電機，它的主要優點是結構簡單、耐用且成本較低，這種電機不依賴永磁材料，通過電流在定子中產生旋轉磁場來感應轉子中的電流和磁場，從而驅動轉子旋轉，感應電機廣泛應用于需要高可靠性和維護簡便的應用場景。

c.同步交流電機。該電機包括永磁同步電機和電勵磁同步電機，永磁同步電機因其高效率和優良的控制特性而在現代新能源汽車中得到了廣泛應用，永磁同步電機使用高性能的永磁材料在轉子上產生恒定的磁場，與定子的交變磁場同步旋轉，提供更高的效率和更好的性能，電勵磁同步電機則通過電流激勵的方式產生磁場，這允許更精細的磁場控制，但通常成本和復雜性較高。

3 當前新能源汽車驅動電機能耗存在的問題

3.1 控制策略缺乏針對性和自適應性

新能源汽車驅動電機的能耗問題在很大程度上受到其控制策略的影響。目前，驅動電機的控制策略普遍存在缺乏針對性和自適應性的問題，既影響了電機的能效，又限制了整車性能的最優化。

現有的電機控制策略是基于一般化的設計原則和標準，缺少對特定車型特性、使用環境和駕駛行為的深入考慮[4]。例如，多數驅動電機的控制系統采用的是標準的矢量控制技術，這種技術雖然在普遍情況下能保證電機運行的穩定性和效率，但它沒有根據車輛負載變化、路況復雜性以及駕駛模式的不同進行優化，這就導致在特定的駕駛條件下，如高速行駛或山區道路行駛，電機無法達到最佳的能效表現。對于不同類型的電動車（如純電動車與插電式混合動力車），其驅動需求差異顯著，但許多控制策略并未作出相應的調整來適應這些差異，導致電機在非最佳工作點上運行，無法實現能源的最優使用。

驅動電機的控制系統通常缺乏足夠的自適應能力，難以根據實時的車輛狀態和外部環境變化動態調整。在現實世界的駕駛過程中，車輛會遇到各種各樣的運行條件，如溫度變化、道路坡度、風速等，這些因素都會影響電機的效率和功耗。然而，現有的電機控制策略很少能夠實時感知這些環境因素的變化，并據此優化電機的運行參數。缺乏環境感知和實時調整功能意味著電機可能在不適宜的工作點上運行，例如，在低溫環境下電機和電池的效率通常會下降，而控制系統如果不能根據這種狀態調整電流和頻率，就可能導致更高的能耗和降低行駛里程。同樣，對于車輛負載的變化，如車輛載重或載客數量的增減，控制系統如果無法調整電機的輸出功率和扭矩以適應這種變化，也會造成能源的浪費。

3.2 電機能耗建模不夠精確

現有的驅動電機能耗模型往往為了計算的便利和模型的通用性，采用了許多簡化的假設。例如，模型中常常假設電機在所有操作條件下的效率都是恒定的，或者忽略了電機和控制系統之間的動態交互影響。這些假設雖然簡化了模型的構建和計算過程，但忽視了電機在實際運行中會受到的多種復雜因素的影響，如溫度變化、負載波動和電池狀態等。在實際應用中，這些因素都會對電機的效率和能耗產生顯著影響，但簡化的模型無法精確反映這些影響，導致能耗預測的不準確。電機啟動和停止的能耗損失、電機內部摩擦和磁滯損耗等也常常在模型中被忽略，這進一步降低了模型的精確度和實用性。

驅動電機的能耗模型沒有考慮電機在不同運行狀態下的特性變化。在實際工作中，電機的工作狀態可能會因為駕駛模式的切換、路況的變化或氣候條件的影響而頻繁變動，這會直接影響電機的能耗和性能。例如，電機在高速運行與低速行駛時的能效明顯不同；在上坡和下坡時，電機的能耗和回收能量的策略也大不相同，而許多能耗模型并不區分這些不同的運行條件，僅使用統一的參數來描述電機的性能，忽略了實際操作中電機性能的復雜多變性。缺乏細化的建模方式無法為車輛控制系統提供足夠詳細的數據支持，從而無法優化電機的運行策略，影響了整車的能源效率和動力表現。

當前新能源汽車驅動電機能耗建模的不夠精確主要表現在模型的過度簡化和對不同運行狀態缺乏詳細思考上，這會使能耗模型難以準確反映電機的真實工作情況，從而影響了電機控制策略的制定和能效優化的實施。對于新能源汽車的開發和優化而言，提高驅動電機能耗建模的精確度是提升整車性能的重要前提。

4 新能源汽車驅動電機能耗優化策略

4.1 建立精確的電機能耗數學模型

在基于自適應控制算法的新能源汽車驅動電機能耗優化策略中，建立一個精確的電機能耗數學模型是關鍵步驟，這個模型需要能夠準確描述電機在各種運行條件下的能耗行為，以便于算法能夠根據實時數據調整控制參數，實現能耗最優。

為了提高模型的精確度，研究人員需要考慮電機運行中影響能耗的多個關鍵參數，如電機轉速[n]、扭矩[τ]、溫度[T]，以及電池電壓[V]和電流[I]。電機的能耗[P]可以用以下非線性函數表示：

由上文方法可以構建出一個精確的電機能耗數學模型，該模型不僅可以準確描述電機在靜態條件下的能耗特性，也能夠捕捉到動態運行條件下的能耗變化，從而為基于自適應控制算法的能耗優化提供堅實的數學基礎，這樣的模型使得新能源汽車的驅動電機能在各種環境和運行條件下達到能效最優，顯著提高整車的經濟性和環保性。

4.2 設計自適應控制算法實現在線優化

在基于自適應控制算法的新能源汽車驅動電機能耗優化策略中，設計一個能夠實現在線優化的自適應控制算法是核心環節，這種控制算法需要能夠實時調整控制策略以適應車輛運行狀態的變化，確保能耗始終處于最低狀態。

通過上述兩個步驟，自適應控制算法可以有效地在線調整新能源汽車驅動電機的控制策略，以適應不斷變化的運行環境和狀態，從而實現能耗的最優化，這種策略的實施有助于提升電動車的整體性能和能效，是電動車技術發展中的一個重要方向。

5 結語

基于自適應控制算法的新能源汽車驅動電機能耗優化策略為解決當前電機控制系統針對性不足、能耗建模精度低等問題提供了有效途徑，該策略通過建立精確的電機能耗數學模型，融合先進的自適應控制理論、優化算法和機器學習技術，實現了對電機在各種復雜工況下運行狀態的精準描述和實時優化，使電機能夠動態調整控制參數，持續保持在最優工作點，有效降低了能耗水平。相較于傳統的電機控制方式，所提出的自適應控制策略不僅理論基礎扎實、技術路線明確，而且具備出色的適應性和魯棒性，能夠最大限度地發揮電機的能效潛能，為新能源汽車的節能減排和綠色可持續發展注入新的動力。未來，相關研究成果的深化和產業化推廣，必將進一步提升新能源汽車的經濟性和競爭力，促進汽車產業的綠色低碳轉型。

參考文獻：

[1]蔣斌，鄔磊.新能源汽車驅動電機能耗檢測方法研究[J].汽車測試報告，2023（11）：79-81.

[2]任曉勇.新能源汽車與電機驅動控制技術[J].自動化應用，2022（5）：95-97.

[3]陳楷翼.純電動商用車驅動電機損耗計算及溫度場分析[D].重慶：重慶理工大學，2024.

[4]王政，叢日振，郭宇輝，等.某混合動力車型低溫純電續航能耗分解[J].時代汽車，2024（12）：128-130.

作者簡介：

周少璇，男，1989年生，講師，研究方向為新能源汽車技術。