雪佛兰Bolt驱动电机设计

2023年12月1日发(作者：最新款上海大众朗逸图片)

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一、引言

全球范围内的车辆尾气排放监管推动了不排放或低排放污

染物和二氧化碳的电动车辆。

降低车辆排放并提高车辆效率以满足这些法规要求需要多

种技术解决方案和车辆电气化技术。而混合电动车

（HEVS），插电式混合动力电动车（PHEV），远程电动

车（EREV）和BEV是其中的一部分。

通用汽车正在开发BEV作为其车辆电气化计划的一部分，

其中包括雪佛兰Volt（EREV），最近宣布的凯迪拉克CT6

（PHEV），以及雪佛兰Tahoe（HEV）和别克君越（E-

Assist）轻度混合动力汽车。

1996年推出的GM EV1 BEV是第一款现代BEV，雪佛兰

Spark 于2013年在市场上推出。

基于从EV1，Spark EV和雪佛兰Volt的开发和设计经验，

新开发的雪佛兰Bolt BEV的电驱系统使得BEV电动车系列

的车辆性能有显着提升。

一、引言

雪佛兰Bolt BEV电动机的设计和开发中考虑到电池能量密

度和电池热管理问题。

经过验证的条形绕线定子结构是汽车电动机最有有效的提

供电池效率的结构，故其被选用于通用雪佛兰Bolt BEV电

机中。

为了在满足整体性能要求的前提下减小电机尺寸，与雪佛

兰Spark BEV DU相比，雪佛兰Bolt BEV驱动单元（DU）

选择了更大结构的的减速齿轮。

因此，与雪佛兰Spark电机相比，新型电动机的运行速度

更快。

为了减少绕组交流效应，雪佛兰Bolt BEV电机选择了每插

槽六个导线的设计。

绕组布局经过优化，可降低每个定子槽内导体之间的电压

应力。

这是的更高的槽填充并进一步减少电机的热量损失。

定子槽开口尺寸和位置经过优化，类似于Gen2 Volt电机，

可降低扭矩波动

二 、电机设计要求

雪佛兰Bolt BEV电机转子采用两层V型磁极设计，类似于

Spark BEV电机。

选择高能NdFeB型磁铁用于电动机。

磁铁尺寸，屏障形状和角度放置在连续磁极之间进行了优

化，以最大限度地提高电机性能和效率，同时最大限度地

减小扭矩波动和径向力。

转子优化与定子开槽并行调制，这样使得电机在设计时消

除转子偏斜，并具有可接受的噪声特性，从而提高电机性

能和效率。

高效的电动机和控制系统与新的驱动单元相结合，使得雪

佛兰Bolt BEV能够提供一种强劲且平稳的电动驾驶感受。

二 、电机设计要求

写新设计的雪佛兰Bolt BEV车辆的关键在于显著增加行驶

里程，最终超过Spark EV的续航性能，同时增加应用于更

大车辆平台的系统带宽。

下一代BEV的续航里程目标设定为超过一个EPA标签评级-

-200英里。200英里目标是基于Spark EV和通用汽车

EREV Volt的真实客户驾驶数据分析得到的。

为了满足雪佛兰Bolt BEV的加速，直线高速行驶和续航里

程的要求，车轴需要更高的扭矩和功率（比雪佛兰Spark

更高）。

初始加速和车辆通过的关键性能要求如图1所示。这些要

求可用于开发和设计车轴的扭矩和功率。

为了达到目标扭矩和功率，新的电动机设计中考虑了变频

器/电机对的各种组合以及驱动单元和齿轮比的设计。

二 、电机设计要求

写新设计的雪佛兰Bolt BEV车辆的关键在于显著增加行驶

里程，最终超过Spark EV的续航性能，同时增加应用于更

大车辆平台的系统带宽。

下一代BEV的续航里程目标设定为超过一个EPA标签评级-

-200英里。200英里目标是基于Spark EV和通用汽车

EREV Volt的真实客户驾驶数据分析得到的。

为了满足雪佛兰Bolt BEV的加速，直线高速行驶和续航里

程的要求，车轴需要更高的扭矩和功率（比雪佛兰Spark

更高）。

初始加速和车辆通过的关键性能要求如图1所示。这些要

求可用于开发和设计车轴的扭矩和功率。

为了达到目标扭矩和功率，新的电动机设计中考虑了变频

器/电机对的各种组合以及驱动单元和齿轮比的设计。

二 、电机设计要求

图1.雪佛兰Bolt BEV DU车轴扭矩要求

二 、电机设计要求

雪佛兰Bolt BEV电机所需的电机参数如表1所示：

表1 雪佛兰Bolt BEV电机参数

二 、电机设计要求

基于不同工况（US06，LA92，NEDC，FTP城市和

公路驾驶循环）下的的电机的运行转矩 - 速度（时间序

列数据）曲线。 雪佛兰Bolt BEV的设计基于这些驱动循

环中的电机运行模式进行了优化。

图2.1.雪佛兰Bolt BEV US06运行工况

二 、电机设计要求

图2.2.雪佛兰Bolt BEV LA92运行工况

二 、电机设计要求

图2.2.雪佛兰Bolt BEV LA92运行工况

二 、电机设计要求

图2.3 雪佛兰Bolt BEV NEDC 运行工况

二 、电机设计要求

图2.4 雪佛兰Bolt BEV Urban运行工况

二 、电机设计要求

图2.5 雪佛兰Bolt BEV 高速公路运行工况

二 、电机设计要求

组合驱动循环的不同工况下的的临界扭矩 - 速度曲

线如图3所示，新的电机设计中主要针对这些关键点

进行了优化。

图3 电机设计中速度-转矩曲线中的关键点

三、电驱系统的设计

雪佛兰Bolt BEV运用的是永磁同步电动机，转子是内

部永磁体（IPM）类型，其中磁体在转子内。

IPM电机具有如下的特性：较宽的恒定功率范围；良好的

能量利用效率；良好的功率因数，这使得内部为永磁铁式

的永磁同步电动机成为汽车设计中首选的产品。

通用 Chevrolet Bolt BEV的电动机驱动系统的三维爆炸图

如图所示：

图4 永磁同步电机的三维爆炸图

三、电驱系统的设计

（a）

(b)

图5. 扭曲之前（a）和之后（b）的发针

三、电驱系统的设计

条形绕线设计具有AC绕组效应，这种效应会在电机较

高速度下降低电动机效率。

为了解决雪佛兰Bolt BEV的问题，开发者选择每个插槽使

用六芯导体的结构，而不是GM先前电机设计的每个插槽

四芯导体结构，这样的设计增加每个插槽的导体数量，减

少导体尺寸雪佛兰Bolt BEV电机的每插槽6导体设计与雪

佛兰Spark BEV电机的每插槽4导体比较如图如下。

导体尺寸的减小降低了绕组AC效应使得在电动机的高速操

作中较低的能量损失。

三、电驱系统的设计

（a）

(b)

图6 雪佛兰Spark（a）的每插槽4导体设计和雪佛兰Bolt BEV

（b）电机的每插槽6导体设计

三、电驱系统的设计

图7比较了用于雪佛兰Bolt BEV电机的相同定子叠片的每

插槽四导体结构的交流绕组效应与每插槽六导体结构的交

流绕组效应。

与每个插槽的六导体设计相比，每插槽四导体结构具有相

对较高的槽填充，这样产生了较低的直流电阻。

可以看出每插槽六导体设计在更高速度下有比每插槽四导

体结构具有更好的性能。

图7. 每插槽四导体结构的标准化能量损耗与每插槽六导

体设计的标准化能量损耗对比

三、电驱系统的设计

从雪佛兰Bolt BEV电机的AC绕组效应可以看出，AC绕组

效应是电机电流和转子速度的函数，其与雪佛兰Spark

BEV电机AC绕组效应相比可以看到，其实现在4000rpm

及以上的电动机速度下降低了30％以上的AC绕组效应。

（a）

三、电驱系统的设计

(b)

图8. 雪佛兰Spark BEV电机（a）和雪佛兰Bolt BEV电

机（b）的绕组交流效应

三、电驱系统的设计

为了进一步改善槽填充，雪佛兰Bolt BEV定子在定子

槽周围使用简单的两侧绝缘槽，以保护绕组不与层压

钢短路。

图9. 改进的定子槽几何形状

三、电驱系统的设计

雪佛兰Bolt BEV定子组件包括用于终止相位引线的连接环。

这些连接环还包括用于连接绕组中性线的中性杆，以及用

于连接出口引线的连接片。

与雪佛兰Spark BEV相比，这使得绕组引线端接方案更简单，

并且降低了生产制造难度。

（a） 连接组件

三、电驱系统的设计

（b）锁止功能

(c) 固定功能

图10.连接环组件（a），锁止功能（b）和固定功能（c）

三、电驱系统的设计

与Gen2 Volt定子设计类似，雪佛兰Bolt BEV定子设计

可以调节定子槽的开口尺寸和位置以优化扭矩波动和径

向力。

此外新设计的定子优化包括定子叠片旋转，其通常被实

施以消除面包 -面包效应。

这些多变量、多步骤优化降低了扭矩波动和径向力。优

化的定子叠片和新定子的定子组件如下图所示。

（a）

三、电驱系统的设计

（b）

图11.带开口槽优化的定子层压（a）、带旋转压层的定子组件（b）

三、电驱系统的设计

从扭矩波动和径向力的优化的结果可以看到新的设计实现了扭

矩波动和气隙径向力（在极下的定子齿附近计算）的显着减小。

图12 .通过槽口优化减少扭矩波动和径向力

三、电驱系统的设计

雪佛兰Bolt BEV电动机对内置永磁转子进行了优化，可以看

到磁铁以双层‘V’排列放置在每个极下，NdFeB型磁体用

于优化转子几何形状。

图13. 优化转子的转子层压几何形状

三、电驱系统的设计

新的转子设计分别优化了后续磁极之间的磁铁角度位置，

这使得磁体角位置的从极大位置到极小位置的变化。

这种变化是很小的并且在设计中不非常明显，然而其对

减小转矩波动和径向力具有显着的影响。

与雪佛兰Spark转子设计类似，新的转子设计在转子OD

附近设计了一对空槽，在后续极之间优化空槽的位置和

尺寸，这些设计使得扭矩波动和径向力的进一步减小。

引入的转子和定子设计特性可减轻转矩波动和径向力，

使得新转子能够消除转子歪斜，达到乘客可接受的噪声

范围。

最终优化的电机参数如表II所示。

三、电驱系统的设计

表

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四、车辆控制策略

电机控制采用6步控制以便在高速工作条件下汽车能够在有

限的电压下提供最大化的效率和性能。

基于扭矩需求（Te）和运行功率需求（电机速度Nr 和逆变

器输入电压Vdc）根据控制命令查找表（LUT）确定操作电

流Is。

电压控制器用于限制基波输出反相器的电压并通过ΔIs调节

电流控制的参考电流矢量，这导致控制的核心是电流控制器

中的电流Is。

电流控制器的输出是输出电压矢量Vs ，其后来受到电压限

制的限制，输出电压矢量Vs。

四、车辆控制策略

无限和有限电压之间的差值乘以抗饱和增益Ka。

对于空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）模式，Ka被设置为

避免积分器饱和。

当控制模式设置为六步控制模式时，Ka被设置为零以引起积

分器的饱和现象。

这允许输出电压幅度在积分器中饱和，并且提供电流控制从

正常弱磁控制到六步控制的自然转变而不需要单独的控制。

输出电压矢量Vs 被馈送到脉冲宽度调制模块，其根据调制

指数和来自电流和电压控制的控制模式命令选择实际调制方

法。

四、车辆控制策略

图14 Gen2 BEV中的电流控制方案

五、测量结果

图15显示了测量电机效率的扭矩-速度等高线图，雪佛兰

Bolt BEV电机的峰值电机效率达到97％。

图15. 雪佛兰Bolt BEV电机的测量效率图

五、测量结果

冷却结构的设计实现了约为峰值扭矩的60-70％的连续扭矩，

当然在电机运行过程中也会出现极少数的过热现象，但是在

电机运行的整体范围内，冷却结构 可以使得电机足够长的

时间内维持电机的峰值扭矩，以满足所有加速要求。

(a)

五、测量结果

(b)

图16.雪佛兰Bolt BEV电机瞬态热性能（a）和连续（b）热性能

(a)

六、总结与分析

本文介绍了雪佛兰Bolt BEV电动机设计的细节和性能参

数，新改进的雪佛兰Bolt BEV电机设计了多个转子和定

子，这样消除了转子歪斜，同时将噪声保持在用户可接

受的范围内。

其中每个插槽的导体数量已从之前的四个增加到六个，

这改善了电动机在高速运行工况下热量损失问题。通过

两件式解决方案简化了槽绝缘设计，进一步改善了槽填

充。

整车的控制策略由过调制到完全六步调制的连续控制，

这个过程稳定性更好。

附录

本文中用到的英文缩写

AC 交流电

BEV 电动汽车

PMSM 永磁同步电动机

SVPWM 空间矢量脉冲宽度调制

HEV 混合动力电动汽车

PWM 脉冲宽度调制

DU 驱动单元

IPM 内部永磁体