新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的機電一體化技術(shù)應(yīng)用

1分類號：U463.63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639(2025)06-0013-03

TheApplication of MechatronicsTechnologyin theDrive Systemof New Energy Vehicles

Ren Fuguo，Zhang Peng

(Liaocheng Senior Finance and Economics Vocational School，Liaocheng )

【Abstract】This article elaborates on theapplication of mechatronics technology in the drive system of new energy vehicles，witha focusonanalyzing the designandoptimizationof the motordrivesystem，control systemand mechanical integration.Byhighly integrating the motor，power electronicsand mechanical transmissionsystem，the energyefficiencyof thedrive systemisimproved，thevehicleweight isreduced，andthecontrolaccuracyof thesystem is increased.Studiesshow thatthecombinationof permanent magnet synchronousmotorsand vectorcontrolstrategies has obviousadvantagesinperformanceandenergy eficiency，andthedesignof mechanical system integrationalsoffectively enhances the compactness and reliability of the system.

【Key words】new energy vehicles；drive system；mechatronics permanent；magnet synchronous motor；vector control；dynamicperformance

0 引言

廣義新能源汽車，又稱為代用燃料汽車，包括純電動汽車、燃料電池電動汽車這類全部使用非石油燃料的汽車，同時也包括混合動力電動汽車、乙醇汽油汽車等部分使用非石油燃料的汽車。目前市面上所有的新能源汽車均包含在這一概念范疇內(nèi)，具體可分為5大類：混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車、醇醚燃料汽車、天然氣汽車。通過將電機、功率電子與機械傳動系統(tǒng)進(jìn)行高度集成，機電一體化技術(shù)在提升驅(qū)動系統(tǒng)能效、減輕車體質(zhì)量以及提高控制精度等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為進(jìn)一步提升新能源汽車的動力表現(xiàn)和續(xù)航能力，探索并優(yōu)化機電一體化技術(shù)在驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用，已成為當(dāng)前技術(shù)研究的熱點。本研究將深入探究該技術(shù)在新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢及其發(fā)展趨勢。

1驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電機驅(qū)動系統(tǒng)

新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)是實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機械能的核心部件，其技術(shù)架構(gòu)與性能表現(xiàn)直接決定了整車的動力特性。當(dāng)前主流的電機驅(qū)動系統(tǒng)主要采用永磁同步電機、交流感應(yīng)電機以及開關(guān)磁阻電機等類型。其中，永磁同步電機憑借其高功率密度、高效率以及優(yōu)異的低速轉(zhuǎn)矩特性，成為新能源汽車的主要選擇1。永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩可由公式(1)表示：

式中： T_e ——電磁轉(zhuǎn)矩； p ——電機極對數(shù)；

λ_pm —永磁體產(chǎn)生的磁鏈； i_d —d軸電流分量；

i_q —q軸電流分量； L_d-d 軸電感； L_q —q軸電感。

公式(1)揭示了永磁同步電機轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩這兩個部分組成，這是電機設(shè)計與控制的理論基礎(chǔ)。在電機設(shè)計過程中，電磁場分析、熱管理與結(jié)構(gòu)優(yōu)化構(gòu)成了關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過有限元分析方法能夠精確計算電機磁場分布，優(yōu)化氣隙磁通密度，降低諧波含量，進(jìn)而減小轉(zhuǎn)矩脈動。先進(jìn)的熱管理技術(shù)采用水冷、油冷或復(fù)合冷卻方式，確保電機在高功率輸出狀態(tài)下溫升可控，避免永磁體退磁風(fēng)險。

收稿日期：2025-04-14收稿日期：任福國（1993—），男，助理講師，研究方向為機電技術(shù)應(yīng)用；張鵬（1990—），男，講師，研究方向為機電技術(shù)應(yīng)用。

電機驅(qū)動系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換單元采用碳化硅或氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體器件，顯著提高了開關(guān)頻率與效率，降低了功率損耗與熱量產(chǎn)生。多相繞組與分?jǐn)?shù)槽集中繞組技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提升了電機的功率密度與容錯能力。此外，對軸向磁通電機、橫向磁通電機等新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的探索，為驅(qū)動系統(tǒng)提供了更多樣化的技術(shù)路徑，以適應(yīng)不同車型與應(yīng)用場景的需求，推動電機驅(qū)動技術(shù)朝著更高效、更緊湊的方向發(fā)展[2]。

1.2 控制系統(tǒng)

新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換與平順駕駛體驗的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，其核心任務(wù)在于精確調(diào)控電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與功率輸出。現(xiàn)代控制系統(tǒng)主要采用基于模型的矢量控制策略，包括轉(zhuǎn)子磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩大類。FOC通過坐標(biāo)變換將三相電流轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，實現(xiàn)勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制3。該坐標(biāo)變換過程可通過Clarke-Park變換進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)：

式中： i_α 和 i_β 靜止坐標(biāo)系（ α-β 坐標(biāo)系）下的電流分量； θ ——電機轉(zhuǎn)子位置角。

該數(shù)學(xué)變換是矢量控制的基礎(chǔ)，使得交流電機的控制問題得以簡化為類似直流電機的控制模式。DTC則直接控制電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈，具有更快的動態(tài)響應(yīng)特性。在實際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)需要應(yīng)對參數(shù)變化、非線性干擾等復(fù)雜情況，因此高級控制算法如魯棒控制、自適應(yīng)控制和滑模控制被廣泛研究與應(yīng)用。基于DSP或FPGA的高性能微控制器構(gòu)成了控制系統(tǒng)的硬件平臺，其強大的計算能力確保復(fù)雜算法能夠?qū)崟r執(zhí)行。控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)通常采用分層設(shè)計，包括底層驅(qū)動、中間控制算法和頂層策略協(xié)調(diào)，各層次間通過明確的接口進(jìn)行交互。針對能量優(yōu)化，控制系統(tǒng)實現(xiàn)基于效率圖的最優(yōu)工作點跟蹤，在保證動力性能的同時最大化能量利用率。此外，控制系統(tǒng)還整合了故障診斷與容錯控制功能，通過實時監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)波動并進(jìn)行比對，識別潛在故障，并在故障條件下維持系統(tǒng)的基本功能，確保駕駛安全與系統(tǒng)可靠性。

1.3 機械系統(tǒng)集成

新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的機械系統(tǒng)集成是將電機、電力電子與傳動機構(gòu)融合為一體化部件的技術(shù)過程，其設(shè)計理念已從傳統(tǒng)的分立式結(jié)構(gòu)向高度集成的三合一或多合一電驅(qū)動單元轉(zhuǎn)變。現(xiàn)代集成驅(qū)動系統(tǒng)通常將電機、功率電子器件與減速器緊密耦合，形成緊湊的整體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)功能融合與空間優(yōu)化。在集成設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與輕量化技術(shù)被廣泛應(yīng)用，通過精確的有限元分析與多物理場仿真，在保證結(jié)構(gòu)強度與剛度的前提下最小化材料用量。高強度鋁合金、鎂合金以及碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料的應(yīng)用，有效降低了系統(tǒng)整體質(zhì)量。傳動系統(tǒng)方面，高精度齒輪設(shè)計與制造工藝確保能量傳遞的高效性與靜音性，而平行軸、行星齒輪與諧波減速器等多樣化的減速機構(gòu)為不同車型提供了靈活的技術(shù)選擇。軸承系統(tǒng)采用陶瓷滾動體與特種潤滑技術(shù)，延長了使用壽命并降低了維護(hù)成本。在散熱設(shè)計上，機械系統(tǒng)集成了液冷通道與散熱鰭片，形成統(tǒng)一的熱管理網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同解決電機與功率電子的散熱需求。密封系統(tǒng)則采用迷宮式結(jié)構(gòu)與多重密封圈設(shè)計，有效防止灰塵與水分侵入，提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的可靠性，為新能源汽車提供穩(wěn)定持久的動力保障[5]。

2 試驗測試

2.1 試驗設(shè)計

本試驗旨在評估機電一體化技術(shù)在新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的實際應(yīng)用效果，重點考察其對動力性能和能效提升的具體貢獻(xiàn)。試驗通過對比多種驅(qū)動系統(tǒng)配置，驗證不同電機類型（如永磁同步電機、交流感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機）、控制策略（如矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制）以及機械集成方式（如一體化電驅(qū)動單元）的性能差異。試驗選用不同電機類型，在恒定的輸入電壓、負(fù)載和環(huán)境溫度條件下運行，測試其功率輸出、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和效率表現(xiàn)。通過結(jié)合控制策略與機械集成技術(shù)，分析其對系統(tǒng)整體性能的協(xié)同影響。為確保數(shù)據(jù)精度，試驗采用高精度傳感器實時采集數(shù)據(jù)，并通過專業(yè)分析軟件進(jìn)行處理。這種設(shè)計不僅能夠反映各配置的實際性能，還能為優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)，推動新能源汽車技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 動力測試結(jié)果

動力測試結(jié)果是評估不同驅(qū)動系統(tǒng)配置性能的關(guān)鍵依據(jù)，以下通過試驗數(shù)據(jù)展示各配置在功率輸出、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和效率上的表現(xiàn)差異。測試中，永磁同步電機、交流感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機分別與矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制策略結(jié)合，形成多種典型配置，動力測試結(jié)果如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，配置1（永磁同步電機 + 矢量控制）在最大功率、最大轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)效率上均表現(xiàn)卓越，分別達(dá)到150kW、 320N?m 和 95% ，顯著優(yōu)于其他配置。這表明永磁同步電機在低速轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性和高效能量轉(zhuǎn)化方面具有優(yōu)勢，而矢量控制策略進(jìn)一步優(yōu)化了中高速范圍內(nèi)的電能利用率。配置2和配置4雖然在功率和轉(zhuǎn)矩上表現(xiàn)良好，但效率略低于配置1，顯示出控制策略與電機類型的匹配度對性能有著重要影響。配置3（開關(guān)磁阻電機 + 矢量控制）則因電機特性限制，在功率和轉(zhuǎn)矩上稍顯遜色，但仍具備一定的應(yīng)用潛力。總體而言，永磁同步電機結(jié)合矢量控制的配置在動力性能和能效上均展現(xiàn)出最佳表現(xiàn)，為新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要參考。

3結(jié)束語

綜上所述，機電一體化技術(shù)在新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢，尤其是在提高動力性能、能效和系統(tǒng)集成度方面。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源汽車的驅(qū)動系統(tǒng)將進(jìn)一步朝著高效、緊湊、智能化的方向邁進(jìn)。未來，隨著電機和控制技術(shù)的進(jìn)一步突破，新能源汽車的性能將得到持續(xù)優(yōu)化，推動整個行業(yè)的快速發(fā)展。同時，隨著材料和制造技術(shù)的進(jìn)步，驅(qū)動系統(tǒng)的輕量化、集成化將成為行業(yè)發(fā)展的主要趨勢，為實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的交通工具奠定堅實基礎(chǔ)。

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(編輯凌波）

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