新能源汽車驅動系統中的機電一體化技術應用

1分類號：U463.63 文獻標識碼：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，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進行高度集成，機電一體化技術在提升驅動系統能效、減輕車體質量以及提高控制精度等方面發揮著至關重要的作用。為進一步提升新能源汽車的動力表現和續航能力，探索并優化機電一體化技術在驅動系統中的應用，已成為當前技術研究的熱點。本研究將深入探究該技術在新能源汽車驅動系統中的應用優勢及其發展趨勢。

1驅動系統設計

1.1 電機驅動系統

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

式中： T_e ——電磁轉矩； p ——電機極對數；

λ_pm —永磁體產生的磁鏈； 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矩由永磁轉矩和磁阻轉矩這兩個部分組成，這是電機設計與控制的理論基礎。在電機設計過程中，電磁場分析、熱管理與結構優化構成了關鍵環節。通過有限元分析方法能夠精確計算電機磁場分布，優化氣隙磁通密度，降低諧波含量，進而減小轉矩脈動。先進的熱管理技術采用水冷、油冷或復合冷卻方式，確保電機在高功率輸出狀態下溫升可控，避免永磁體退磁風險。

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應用；張鵬（1990—），男，講師，研究方向為機電技術應用。

電機驅動系統的功率轉換單元采用碳化硅或氮化鎵等寬禁帶半導體器件，顯著提高了開關頻率與效率，降低了功率損耗與熱量產生。多相繞組與分數槽集中繞組技術的應用，進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撲結構的探索，為驅動系統提供了更多樣化的技術路徑，以適應不同車型與應用場景的需求，推動電機驅動技術朝著更高效、更緊湊的方向發展[2]。

1.2 控制系統

新能源汽車驅動系統的控制系統是實現高效能量轉換與平順駕駛體驗的關鍵技術環節，其核心任務在于精確調控電機的轉速、轉矩與功率輸出。現代控制系統主要采用基于模型的矢量控制策略，包括轉子磁場定向控制和直接轉矩控制兩大類。FOC通過坐標變換將三相電流轉換到旋轉坐標系，實現勵磁電流與轉矩電流的解耦控制3。該坐標變換過程可通過Clarke-Park變換進行數學表達：

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

該數學變換是矢量控制的基礎，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則直接控制電磁轉矩與定子磁鏈，具有更快的動態響應特性。在實際應用中，控制系統需要應對參數變化、非線性干擾等復雜情況，因此高級控制算法如魯棒控制、自適應控制和滑模控制被廣泛研究與應用。基于DSP或FPGA的高性能微控制器構成了控制系統的硬件平臺，其強大的計算能力確保復雜算法能夠實時執行。控制系統的軟件架構通常采用分層設計，包括底層驅動、中間控制算法和頂層策略協調，各層次間通過明確的接口進行交互。針對能量優化，控制系統實現基于效率圖的最優工作點跟蹤，在保證動力性能的同時最大化能量利用率。此外，控制系統還整合了故障診斷與容錯控制功能，通過實時監測關鍵參數波動并進行比對，識別潛在故障，并在故障條件下維持系統的基本功能，確保駕駛安全與系統可靠性。

1.3 機械系統集成

新能源汽車驅動系統的機械系統集成是將電機、電力電子與傳動機構融合為一體化部件的技術過程，其設計理念已從傳統的分立式結構向高度集成的三合一或多合一電驅動單元轉變。現代集成驅動系統通常將電機、功率電子器件與減速器緊密耦合，形成緊湊的整體結構，實現功能融合與空間優化。在集成設計過程中，結構拓撲優化與輕量化技術被廣泛應用，通過精確的有限元分析與多物理場仿真，在保證結構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合材料等輕質材料的應用，有效降低了系統整體質量。傳動系統方面，高精度齒輪設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為不同車型提供了靈活的技術選擇。軸承系統采用陶瓷滾動體與特種潤滑技術，延長了使用壽命并降低了維護成本。在散熱設計上，機械系統集成了液冷通道與散熱鰭片，形成統一的熱管理網絡，協同解決電機與功率電子的散熱需求。密封系統則采用迷宮式結構與多重密封圈設計，有效防止灰塵與水分侵入，提高了系統在惡劣環境下的可靠性，為新能源汽車提供穩定持久的動力保障[5]。

2 試驗測試

2.1 試驗設計

本試驗旨在評估機電一體化技術在新能源汽車驅動系統中的實際應用效果，重點考察其對動力性能和能效提升的具體貢獻。試驗通過對比多種驅動系統配置，驗證不同電機類型（如永磁同步電機、交流感應電機和開關磁阻電機）、控制策略（如矢量控制和直接轉矩控制）以及機械集成方式（如一體化電驅動單元）的性能差異。試驗選用不同電機類型，在恒定的輸入電壓、負載和環境溫度條件下運行，測試其功率輸出、轉矩響應和效率表現。通過結合控制策略與機械集成技術，分析其對系統整體性能的協同影響。為確保數據精度，試驗采用高精度傳感器實時采集數據，并通過專業分析軟件進行處理。這種設計不僅能夠反映各配置的實際性能，還能為優化驅動系統提供理論依據和實踐指導，推動新能源汽車技術的進一步發展。

2.2 動力測試結果

動力測試結果是評估不同驅動系統配置性能的關鍵依據，以下通過試驗數據展示各配置在功率輸出、轉矩響應和效率上的表現差異。測試中，永磁同步電機、交流感應電機和開關磁阻電機分別與矢量控制和直接轉矩控制策略結合，形成多種典型配置，動力測試結果如表1所示。

從表1數據可以看出，配置1（永磁同步電機 + 矢量控制）在最大功率、最大轉矩和系統效率上均表現卓越，分別達到150kW、 320N?m 和 95% ，顯著優于其他配置。這表明永磁同步電機在低速轉矩平穩性和高效能量轉化方面具有優勢，而矢量控制策略進一步優化了中高速范圍內的電能利用率。配置2和配置4雖然在功率和轉矩上表現良好，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（開關磁阻電機 + 矢量控制）則因電機特性限制，在功率和轉矩上稍顯遜色，但仍具備一定的應用潛力。總體而言，永磁同步電機結合矢量控制的配置在動力性能和能效上均展現出最佳表現，為新能源汽車驅動系統的設計提供了重要參考。

3結束語

綜上所述，機電一體化技術在新能源汽車驅動系統中的應用展現出顯著的技術優勢，尤其是在提高動力性能、能效和系統集成度方面。隨著技術的不斷發展，新能源汽車的驅動系統將進一步朝著高效、緊湊、智能化的方向邁進。未來，隨著電機和控制技術的進一步突破，新能源汽車的性能將得到持續優化，推動整個行業的快速發展。同時，隨著材料和制造技術的進步，驅動系統的輕量化、集成化將成為行業發展的主要趨勢，為實現更高效、更環保的交通工具奠定堅實基礎。

參考文獻

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[2]張浩.新時期機電一體化技術在工業機器人中的應用[J].現代工業經濟和信息化，2024，14（7)：122-123，126.

[3]林黨養，王燕.探究汽車工業機器人中的機電一體化技術[J].中國高新科技，2024（1)：28-30.

[4]溫信子.機電一體化技術在工業機器人中的應用研究[J].南方農機，2023，54（21)：161-163，174.

[5]梁華.工業機器人中機電一體化技術的應用研究[J].模具制造，2023，23（9):205-207，210.

[6]王玉彪，鞏擎宇，郭繼崇.新能源汽車動力電池管理系統實驗平臺的設計與開發[J].內燃機與配件，2024（12）：95-98.

(編輯凌波）

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