基于电机-逆变器损耗与效率的驾驶循环聚类用于电动汽车性能评估

这项研究对电动汽车的重要性

电动汽车承诺带来更清洁的城市环境和更低的碳排放，但它们将电池能量转化为运动的效率不仅取决于电机。本研究深入电动传动系，考察在真实驾驶条件下电机与为其供电的电力电子器件如何浪费或节省能量。通过将数千秒的堵车和起停交通压缩为少数关键情形，作者展示了工程师如何在不陷入巨量计算的前提下设计出更高效、续航更远的电动汽车。

从道路与交通到力和速度

研究人员从道路层面出发，采用汽车制造商常用的三种标准速度曲线进行测试：欧洲、全球和美国城市风格驾驶循环。这些是表征车辆速度变化、停车频率和加速强度的时间序列。由这些曲线，车辆模型计算轮上的受力，然后通过固定齿比求得电机必须提供的转矩和转速。这样，驾驶的每一秒都被转化为转矩—转速图上的一点，揭示电机在其工况范围内实际消耗时间和能量的位置。

将数千个时刻压缩为几个关键时刻

在每一个转矩—转速点上对复杂电机设计进行仿真将耗费数天甚至数周的计算时间。为避免这种情况，研究采用了数据挖掘工具。首先，使用常见的聚类方法将相似的工况点分组。随后，采用一种考虑能量的细化方法，称为能量重心（Energy Centre of Gravity）方法，确保选出的“代表点”不仅是典型的，而且位于实际消耗能量最多的位置。每个代表点根据其出现频率和消耗能量被赋予权重，因此一小组代表点就能代表完整行程，同时保留真实的能量分布。

窥探电机及其电子“心跳”

有了这些代表点后，作者转向详细的电机仿真。他们研究了一种内嵌永磁电机，这在电动汽车中很受欢迎，因为它在紧凑体积内提供高转矩和高效率。通过有限元分析，他们绘制了在不同电流工况下磁场、铜绕组和钢铁磁芯的行为。采用被称为“每安培最大转矩”（maximum torque per ampere）的控制策略，为每个工况点找到以最小电流代价输出所需转矩的电流组合。从这些仿真中提取出关键损耗来源：铜绕组中的发热和磁化钢中的损耗，这些都会消耗能量并需要由冷却系统带走。

比较为电机供电的电子“阀门”

随后研究加入了逆变器的影响，逆变器是将电池直流转换为电机所需三相电流的快速电子开关箱。比较了两种现代逆变器技术：基于IGBT开关的一种和基于SiC MOSFET开关的另一种。利用厂商数据构建的模型，作者计算了导通损耗（电流流动时的能量损失）和开关损耗（器件每次开关时的能量脉冲损失）。他们将由此得到的电流波形输入电机仿真，揭示真实逆变器产生的尖锐脉冲电流相比理想平滑电源会引入额外的转矩纹波和更多的磁损。

对续航、效率与计算时间的意义

在三种驾驶循环中，聚类方法将整周期电机效率重现于约两个百分点之内，同时将详尽仿真的耗时从数十小时缩短到每个循环大约十分钟（仅电机部分）。当考虑逆变器行为时，总损耗明显上升，传动系总体效率相比理想化情况下降了几个百分点。然而，基于SiC MOSFET的逆变器由于开关损耗较低，一直比基于IGBT的逆变器更节能，因而对频繁变速的车辆尤为有利。对非专业读者而言，主要信息是电机与其电子“水阀”必须协同设计，且智能的数据压缩让工程师能快速测试多种方案。通过捕捉最重要的驾驶情形并对电机—逆变器联合作系统建模，这项工作为在不增加不切实际的计算成本下实现更长续航的电动汽车提供了可行路径。

引用: Abdelali, K., Bendjedia, B., Rizoug, N. et al. Evaluation of electric vehicle performance using driving cycle clustering based on motor-inverter losses and efficiency. Sci Rep 16, 8040 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36663-3

关键词: 电动汽车能效, 驱动电机设计, 电力电子逆变器, 驾驶循环分析, 能量损失