전기 차량의 다차원 최적화 및 성능 균형 파워 트레인 모터 선택

전기 차량의 다차원 최적화 및 성능 균형 파워 트레인 모터 선택

전기 자동차 (EV) 파워 트레인의 설계는 복잡한 시스템 엔지니어링 문제를 구성하며, 여기서 모터 선택은 전반적인 차량 성능, 효율성 및 비용을 결정하는 데 중추적 인 역할을합니다. 전통적인 모터 선택 방법론은 일반적으로 사전 정의 된 파워 트레인 아키텍처 가정 (예 : 기어 비율, 액슬 간 전력 분포)에 의존하는 동시에 모터 성능 및 전체 시스템에 대한 이러한 매개 변수의 포괄적 인 영향을 무시합니다. 이 연구는 3 가지 비교 분석을 통해 모터 관련 파워 트레인 설계 매개 변수가 운동 성능, 차량 중량, 비용 및 효율성에 어떻게 영향을 미치는지 체계적으로 조사합니다. ANSYS 소프트웨어를 사용하여 4 륜구동 픽업 트럭으로 사례 연구를 수행하여 정적/동적 차량 요구 사항 및 EPA 구동주기 테스트를 통해 다양한 모터 설계, 기어 비율 구성 및 전력 분배 체계의 성능을 평가했습니다. 이 결과는 기어 비율과 전력 분배를 갖는 모터의 조정 된 설계를 통해 체계적인 최적화가 전기 자동차의 전반적인 성능과 경제적 생존력을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.

 [기술 분석]

 기술 우월성

1. 시스템 수준 최적화 방법

전통적인 모터 디자인은 종종 다른 파워 트레인 구성 요소와 독립적으로 작동하여 하위 시스템의 과도하게 엔지니어링하거나 성능이 저하됩니다. 제안 된 시스템 수준 최적화 방법론은 모터, 기어 박스, 인버터 및 배터리를 포함한 구성 요소 상호 작용의 반복 평가를 통해 최적의 전반적인 파워 트레인 성능을 달성합니다. 예를 들어, 연구에 따르면 기어 비율 선택은 모터 타당성과 효율에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 고속 모터 (IPM-20KRPM)는 낮은 기어 비율 (3 : 1)에서 성능 요구 사항을 충족하지 못하는 반면, 기어 비율을 10 : 1로 조정할 때 상당한 성능 개선이 관찰됩니다.

2. 모터 유형 및 전력 분포의 유연성

이 연구는 영구 자석 모터 (PM)의 결합 된 성능을 유도 모터 (IM) 및 상처 로터 동기 모터 (WRSM)와 같은 비 영구 자석 모터와 비교했습니다. 결과에 따르면 PM 및 비 PM 모터의 하이브리드 사용은 효율성과 비용을 모두 최적화 할 수 있습니다. 예를 들어, IPM-WRSM 조합은 EPA 드라이브주기의 전체 효율이 높아졌습니다. WRSM은 고로드 시나리오에서 PM을 능가하는 반면 PM은 저 부하 조건에서보다 성능이 우수합니다.

3. 비용과 성능의 균형

최적화 된 설계를 통해 연구에 따르면 모든 PM 모터 구성이 최적의 비용 효율성을 제공하는 것은 아닙니다. 예를 들어, 듀얼 PM 모터 구성 (IPMB-IPMB)은 우수한 성능을 보여 주지만 비용이 더 높습니다. 대조적으로, IPM-WRSM 조합은 1%의 전력 손실로 비용을 3.3% 감소시킵니다. 또한 MOSFET과 IGBT 인버터 사이의 선택은 시스템 효율성과 비용에 크게 영향을 미칩니다. MOSFET은 더 높은 효율성을 제공하지만 더 큰 비용을 제공합니다.

주요 기술 매개 변수

1. 모터 성능 매개 변수

속도 및 토크 : 케이스 A는 다양한 정격 속도 (20,15 및 12 KRPM)의 3 개의 IPM 모터를 비교했습니다. 저속 모터 (IPM-12 KRPM)는 기어 비율 8 : 1에서 가장 잘 수행되는 반면, 고속 모터는 토크 요구를 충족시키기 위해 더 높은 기어 비율이 필요했습니다.

효율성 및 전력 밀도 : PM 모터는 일반적으로 비 PM 모터보다 효율적이지만 비용이 많이 듭니다. 예를 들어, IPM-B (345kW)는 운전주기에서 잘 작동하지만 1,630 달러의 비용이 들지만 WRSM (330kw)은 990 달러에 불과합니다.

2. 기어 비율 효과

기어 비율 선택은 모터의 작동 범위 및 차량 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 IPM-15KRPM은 10 : 1의 기어 비율로 최대 범위 (395.64km)와 효율 (3.9525 km/kWh)을 달성 한 반면 IPM-12KRPM은 8 : 1의 기어 비율에서 더 잘 수행 한 것으로 나타났습니다.

3. 전력 분배 전략

전면 및 후면 액슬 모터 사이의 전력 분포를 최적화함으로써 차량의 효율이 더욱 향상됩니다. 예를 들어, IPMB-WRSM 조합은 IPM을 고효율 범위로 유지하도록 하중을 동적으로 분배합니다.

4. 인버터 성능

인버터 유형은 시스템의 효율성에 큰 영향을 미칩니다. MOSFET 인버터는 동일한 전류에서 IGBT보다 손실이 낮지 만 비용이 더 높습니다. 최적화 된 설계에서 고성능 체계는 MOSFET을 선택하는 경향이 있습니다.

산업 응용 분야

1. 전기 자동차의 파워 트레인 설계

이 연구는 전기 자동차 제조업체에게 모터 선택, 기어 비율 구성 및 전력 분배를 최적화하기위한 시스템 수준 설계 방법론을 제공합니다. 예를 들어, 전 륜구동 차량에서 PM 및 비 PM 모터의 하이브리드 사용은 성능을 유지하면서 비용을 줄일 수 있습니다. 또한 연구 결과는 데이터 중심의 의사 결정 지원을 제공하는 다목적 최적화 (범위 및 비용과 같은)를 지원합니다.

2. 공급망 및 비용 관리

모터 비용 (예 : PM 재료 비율) 및 인버터 선택을 분석함으로써 회사는 성능과 비용 사이의 균형을 찾을 수 있습니다. 예를 들어, 중간 전원 PM 모터 (예 : IPM-B)와 WRSM의 조합은 경제적이고 효율적인 솔루션입니다.

3. 표준화 된 테스트 및 검증

이 연구는 EPA 중심 사이클 및 정적/동적 테스트 표준을 사용하여 업계에 재사용 가능한 평가 프레임 워크를 제공합니다. 앞으로는 더 많은 차량 및 운영 조건 (예 : 극심한 날씨 또는 복잡한 도로 조건)으로 확장 될 수 있습니다.

4. 기술 트렌드

이 연구는 미래의 파워 트레인 디자인이 모터, 인버터 및 배터리의 공동 최적화를 더욱 통합해야한다고 지적합니다. 예를 들어, 고전압 배터리 시스템 (예 : 800V)과 효율적인 모터의 조합이 트렌드가 될 수 있습니다.

결론

시스템 수준 분석 및 다중 사례 연구를 통해 전기 차량 파워 트레인 설계에서 모터 선택의 핵심 위치가 입증되었습니다. 주로 포함합니다.

• 기어비와 모터 속도는 성능 요구 사항을 충족시키기 위해 조정하여 설계해야합니다.

• PM 및 비 PM 모터의 하이브리드 사용은 효율성과 비용을 최적화 할 수 있습니다.

• 인버터 (예 : MOSFET)의 선택은 시스템 효율성에 큰 영향을 미칩니다.

이러한 결론은 전기 차량 파워 트레인의 엔지니어링 실무에 대한 중요한 지침을 제공하고 업계가 더 높은 성능과 저렴한 비용 전기 화 솔루션을 달성 할 수 있도록 도와줍니다.