提高电动汽车效率及性能的轮毂电机系统基准模型仿真研究

1、Protean Drive® 轮毂电机

Protean Electric设计、开发和制造适用于完全集成的轮毂直驱方案的Protean Drive^®轮毂电机。Protean Electric的轮毂电机技术致力于在全球混合动力汽车和电动汽车市场中扮演主要角色，并为其提供布置空间优势、全新汽车设计机遇、性能收益以及成本节约等综合竞争力。

Protean目前的PD18产品（图1）采用获得专利的可扩展的子电机结构和设计，适配18英寸及以上尺寸轮辋，为C级到轻型商务车系列的混合动力及纯电动汽车提供澎湃的驱动扭矩和功率。

图1、Protean Drive^®轮毂电机分解图

Protean在英国、中国上海和美国设有运营机构，并在中国天津设有生产制造基地。

更多信息，请访问Protean官网www.proteanelectric.com。

2、效率及性能对比研究设定

Protean Electric使用已公开的最新型电动汽车的测试数据来研究Protean Drive^®轮毂电机驱动系统与中置驱动系统的效率及性能。

这里选择了四款搭载中置电机和齿轮装置的电动汽车：2014款宝马i3、2013款日产聆风、2013款福特福克斯、2015款雪佛兰斯帕可电动版。美国阿贡实验室（ANL）已使用测功机研究并测得该四款车型的数据。

这里所采用的是代表典型运行模式的三种完整工况：UDDS城市工况、USHwy高速工况、US06激进驾驶工况（图2）。这三种工况均由美国国家环境保护局创建。

众多电动汽车的驱动效率及工况能耗数据均可在阿贡实验室网站获得http://www.anl.gov/energy-systems/group/downloadable-dynamometer-database。

图2、UDDS-USHwy-US06运行工况

测功机测得的数据为：测功机转速、测功机扭矩、电池组电压、电池组电流。

根据能量守恒原理，可得出：

其中：

P_ancillary是车载辅助系统消耗的电功率；

P_m+g是电机与传动从逆变器输入到轮端输出的损耗功率；

P_brake是摩擦制动器消耗的功率；                                      

P_tyre是驱动轮的滚动阻力损耗；

P_dyno是提供到测功机的机械功率。

基于上述的设定和假设，试验使用两台Protean Drive^®轮毂电机（单机1250牛米/75千瓦峰值）替代原厂配置的中置电机和齿轮装置，并使用Protean的电机损耗图谱（图3）在MATLAB®中分别对四款车型进行仿真。

图3、Protean Drive^®轮毂电机损耗图谱

3、效率与能耗结果数据

针对前述三种工况，将使用Protean Drive^®系统的仿真结果与阿贡实验室的中置系统数据进行对比分析。总结如下（图4、图5、图6）。

图4、针对UDDS工况的效率与能耗对比

图5、针对USHwy工况的效率与能耗对比

图6、针对US06工况的效率与能耗对比

4、加速性能对比研究

另外，针对百公里加速性能也进行了对比分析（图7）。

图7、百公里加速性能对比

5、Protean Drive^®系统对比中置驱动系统

MATLAB^® simulation的仿真结果清晰的显示Protean Drive^®轮毂电机驱动系统比所对比的中置电机驱动系统在性能、效率和能耗上更具优势（图8）。

使用两台PD18轮毂电机替代中置电机和轮轴套装在提供卓越驾驶性能的同时，还有可能降低整车的重量。另外，目标车型的工况能耗也得到了显著提升。

宝马i3的平均工况能耗提高超过15%，日产聆风的平均工况能耗提高超过12%，福特福克斯的平均工况能耗提高超过10%，雪佛兰斯帕可电动版的平均工况能耗提高超过8%。

另外，即便考虑到测试车辆电池最大输出能力的不确定性，测试数据也显示这四款车的百公里加速性能均有提升。

图8、加速性能及系统功耗对比

整车换装轮毂电机驱动系统所获得的其他优势，诸如得益于扭矩矢量控制的整车控制与操控、得益于取消中置驱动系统零部件的空间占有率等均可实现，但在本次研究中并未涵盖及量化。

6、总结

考虑到降低能耗的显著表现和锂离子电池的高昂成本，整车制造企业拥有降低系统总成本的可能性。配装Protean Drive^®轮毂电机对于系统的优化可以减小电池规格，或同样规格电池能取得更长续航里程，并取得更优性能。

现有车型和全新车型的轮毂电机集成均很便捷，并可以配置ABS、牵引力控制、启动控制和搭载四台Protean Drive^®轮毂电机的全驱功能。

Protean Drive^®轮毂电机为整车制造商的量产车型提供了最优效率、最佳性能和最低总成本的电驱动方案。