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電気自動車のパワートレインモーターの選択の多次元最適化とパフォーマンスバランス
電気自動車のパワートレインモーターの選択の多次元最適化とパフォーマンスバランス
電気自動車（EV）パワートレインの設計は、複雑なシステムエンジニアリングチャレンジを構成します。この課題は、モーター選択が全体的な車両のパフォーマンス、効率、コストを決定する上で極めて重要な役割を果たします。従来のモーター選択方法論は、通常、事前に定義されたパワートレインアーキテクチャの仮定（たとえば、ギア比、軸間配電）に依存し、これらのパラメーターがモーターパフォーマンスとシステム全体に及ぼす包括的な影響を無視します。この研究では、3つの比較分析を通じて、モーター関連のパワートレイン設計パラメーターがモーターパフォーマンス、車両の重量、コスト、効率にどのように影響するかを体系的に調査します。 ANSYSソフトウェアを利用して、4輪駆動のピックアップトラックでケーススタディを実施し、静的/動的車両要件とEPA駆動サイクルテストを通じて、さまざまなモーター設計、ギア比構成、および配電スキームのパフォーマンスを評価しました。調査結果は、系統的な最適化は、特にギア比と配電を備えたモーターの調整された設計を通じて、電気自動車の全体的な性能と経済的実行可能性の両方を大幅に向上させることを示しています。
[テクニカル分析]
技術的優位性
1。システムレベルの最適化方法
従来のモーター設計は、多くの場合、他のパワートレインコンポーネントとは独立して動作し、サブシステムの過剰エンジニアリングまたはパフォーマンスの低下につながります。提案されているシステムレベルの最適化方法論は、モーター、ギアボックス、インバーター、バッテリーなどのコンポーネント相互作用の反復評価を通じて、最適な全体的なパワートレインパフォーマンスを実現します。たとえば、研究では、ギア比の選択がモーターの実現可能性と効率に直接影響することが実証されています。高速モーター（IPM-20kRPM）は、低ギア比（3：1）でパフォーマンス要件を満たしていませんが、ギア比を10：1に調整すると大幅なパフォーマンスの改善が観察されます。
2。モーターの種類と配電の柔軟性
この研究では、永久磁石モーター（PM）の結合された性能を、誘導モーター（IM）や創傷旋同調モーター（WRSM）などの非透過磁石モーターと比較しました。結果は、PMおよび非PMモーターのハイブリッド使用が効率とコストの両方を最適化できることを示しました。たとえば、IPM-WRSMの組み合わせは、EPAドライブサイクルの全体的な効率が高いことを示しています。WRSMは、低負荷のシナリオでPMを上回り、PMは低負荷条件下でそれを上回ります。
3。コストとパフォーマンスのバランス
最適化された設計を通じて、研究により、すべてのPMモーター構成が最適な費用対効果をもたらすわけではないことが明らかになりました。たとえば、デュアルPMモーター構成（IPMB-IPMB）は優れたパフォーマンスを示していますが、より高いコストが発生します。対照的に、IPM-WRSMの組み合わせは、1％の電力損失でのみコストを3.3％削減します。さらに、MOSFETとIGBTインバーターの選択は、システムの効率とコストに大きな影響を与えます。MoSFETはより高い効率を提供しますが、より大きな費用がかかります。
主要な技術パラメーター
1。モーター性能パラメーター
速度とトルク：ケースAは、3つのIPMモーターを異なる定格速度（20,15、および12 krpm）と比較しました。低速モーター（IPM-12 krpm）は8：1のギア比で最高のパフォーマンスを発揮しましたが、高速モーターはトルク需要を満たすためにより高いギア比を必要としました。
効率と電力密度：PMモーターは一般に非PMモーターよりも効率的ですが、コストがかかります。たとえば、IPM-B（345kW）は運転サイクルでうまく機能しますが、1,630ドルかかりますが、WRSM（330kW）は990ドルしかかかりません。
2。ギア比効果
ギア比の選択は、モーターの動作範囲と車両効率に直接影響します。この調査では、IPM-15KRPMがギア比が10：1で最大範囲（395.64 km）と効率（3.9525 km/kWh）を達成し、IPM-12kRPMは8：1のギア比で優れたパフォーマンスを発揮しました。
3。配電戦略
車両の効率は、フロント車軸モーターとリアアクスルモーター間の配電を最適化することにより、さらに改善されます。たとえば、IPMB-WRSMの組み合わせは、負荷を動的に分布させて、IPMを高効率範囲に維持します。
4。インバーターのパフォーマンス
インバーターのタイプは、システムの効率に大きな影響を与えます。 MOSFETインバーターは、同じ電流の下でIGBTよりも損失が低くなりますが、そのコストは高くなっています。最適化された設計では、高性能スキームがMOSFETを選択する傾向があります。
産業用アプリケーション
1。電気自動車用のパワートレイン設計
この研究は、電気自動車メーカーに、モーター選択、ギア比構成、および配電を最適化するためのシステムレベルの設計方法論を提供します。たとえば、全輪駆動車両では、PMおよび非PMモーターのハイブリッド使用は、パフォーマンスを維持しながらコストを削減できます。さらに、調査結果は、データ駆動型の意思決定サポートを提供する多目的最適化（範囲やコストなど）をサポートしています。
2。サプライチェーンとコスト管理
モーターコスト（PM材料の割合など）やインバーターの選択を分析することにより、企業はパフォーマンスとコストのバランスを見つけることができます。たとえば、中電力PMモーター（IPM-Bなど）とWRSMの組み合わせは、経済的で効率的なソリューションです。
3。標準化されたテストと検証
この調査では、EPA駆動型のサイクルと静的/動的テスト標準を使用して、業界に再利用可能な評価フレームワークを提供しています。将来的には、より多くの車両や操作条件（極端な天候や複雑な道路条件など）に拡張できます。
4。テクノロジーの傾向
この調査では、将来のパワートレイン設計では、モーター、インバーター、バッテリーの共同最適化をさらに統合する必要があると指摘しています。たとえば、高電圧バッテリーシステム（たとえば、800V）と効率的なモーターの組み合わせがトレンドになる可能性があります。
結論
システムレベルの分析とマルチケース研究を通じて、電気自動車のパワートレインの設計におけるモーター選択のコア位置が証明されています。主に：
•ギア比とモーター速度は、パフォーマンス要件を満たすために調整して設計する必要があります。
•PMおよび非PMモーターのハイブリッド使用は、効率とコストを最適化できます。
•インバーター（例えば、MOSFET）の選択は、システムの効率に大きな影響を与えます。
これらの結論は、電気自動車のパワートレインのエンジニアリング慣行のための重要なガイダンスを提供し、業界がより高いパフォーマンスと低コストの電化ソリューションを達成するのに役立ちます。