純電動轎車驅動電機的選型分析

金靈 宋亮 耿沖 王琳琳

（一汽豐田技術開發有限公司）

電動機是純電動轎車唯一的動力元件，它與能量源電池包之間的能量流動是通過逆變器進行能量轉換調節的。純電動轎車電機驅動系統與整車運行性能的好壞有很大關系。電機自身的性能將直接影響電動汽車動力性參數，如最高車速、加速性能及爬坡性能等[1]，所以開發純電動轎車新產品之前初步確定電機類型及其參數是至關重要的。

1 純電動轎車需求的驅動電機性能要求

電機驅動系統是純電動轎車中的關鍵系統，純電動轎車的運行性能主要取決于電機驅動系統的類型和性能。純電動轎車的驅動系統一般由整車控制器、電機、逆變器、DC-DC、減速器以及驅動輪構成[2]。典型的純電動轎車驅動系統，如圖1所示。

純電動轎車對驅動電機系統性能要求如下：

1）低速輸出大轉矩，以適應車輛的起動、加速、負荷爬坡以及頻繁起或停等工況，即:低速時恒轉矩運行[3]；

2）高速輸出恒定功率，有較大的調速范圍，以適應最高車速和超車等要求，即:高速時恒功率運行。

3）減速時，電機實現再生制動，將能量回收并反饋回電池，使得整車具有最佳的能量利用率；

4）電動機可靠性好，能在較惡劣的環境下長期工作，結構簡單適應大批量的生產，運行時噪聲低，使用維修方便，成本低，體積小。

5）結構堅固、質量輕、良好的環境適應性和高可靠性。

2 各類電機性能分析

目前市場上純電動轎車使用的驅動電機主要有4種型式，分別是直流電機（DCMotor）、交流異步電機（感應電機，ACIM）、永磁電機（包含永磁同步電機和無刷直流電機，BDCM）、開關磁阻電機（SRD）。對4種型式電機的各種性能比較分析，如表1所示[1]。

表1 4種型式電機的各種性能比較分析

結合純電動轎車對驅動電機性能的需求，驅動電機應具有較寬的調速范圍、較高的轉速、足夠大的啟動扭矩、高電壓、體積小、質量輕、效率高、可靠性高以及動態制動能量回饋的性能。通過表1分析可知：永磁同步電機具有比功率高、峰值效率高、體積小、質量輕、維護簡單等特點和開關磁阻電機具有效率高、結構和控制簡單、可靠性好、啟動扭矩大、成本低等特點均符合純電動轎車用電機的需求。

結合汽車理論知識分析，電機需求功率一定時，電機質量的增加會增大整車質量，整車質量的增加將會影響電動汽車的動力性和100 km能耗?，F實生活中，消費者最注重續駛里程和充電時間。而續駛里程受限于車輛的最高車速、整備質量和電池容量，充電時間受限于電池容量和充電技術。當電池容量一定時，想得到越大的續駛里程，整車的整備質量當然越小越好。因此，在驅動電機選型時，應優先選擇永磁電機和開關磁阻電機。

3 純電動轎車驅動電機使用的實證研究

3.1 國外電動轎車用驅動電機的研究現狀

電機的驅動及其控制技術是電動汽車的核心技術，當前在純電動轎車的設計研發過程中主要使用的電機有4種，包括直流電機、感應電動機、永磁同步電機和開關磁阻電動機。在實際的使用過程中，不同用途車型對驅動電機的要求有著很大的區別。針對純電動轎車用驅動電機許多發達國家很早就進行了研究，不同的國家研究方向也不大相同。日本主要是針對電動汽車用的永磁同步電機的研究，40多年前就開始了。最早是1996年運用在豐田RAV4電動車上。最新的日產電動轎車啟辰晨風也是使用的永磁同步電機。英國將研究重點放在永磁無刷直流電機上，德國研究重點主要是開關磁阻電機，法國著重研發的是三相永磁同步電機，美國則是感應電機[4]。綜合來說，純電動轎車早期的驅動電機多采用直流電機，直流電機具有優良的電磁轉矩控制特性、調速比較方便、易于控制，控制裝置簡單、成本較低。但其效率較低、電機結構復雜，不利于維修[5]。接著是調速范圍寬、成本較低、可靠性好、體積較小的交流異步電機，到現階段驅動電機多采用永磁同步電動機。

3.2 我國純電動轎車用驅動電機存在的問題

經過前期“九五”、“十五”、“十一五”對電動汽車用電機系統的集中研發和應用，我國已經具有滿足各類電動汽車需求的驅動電機系統的產品，在電動汽車關鍵零部件方面，我國具有一定的生產設計能力，但也存在以下問題。

1）技術上。我國雖然擁有了一大批電機系統的相關知識產權，具備了電動汽車用驅動電機系統的小批量生產能力，但與發達國家相比，在產品集成度、可靠性和系統應用技術方面，仍存在較大的差距。主要表現在：由于整車開發的經驗積累有限，導致對電機和控制器的可靠性與使用壽命考核辦法不明確；控制器、DC/DC的體積、質量普遍偏大；模塊化設計不足，插接件標準不統一，需要提高工程化程度；關鍵電力電子元器件需要進口，成本占到控制器近一半左右。

2）資金方面。由于整車開發的周期長，工作量大，各種研發認證的相關費用投入非常多，產業化擴大投資規模時，固定資產投入較大，汽車零部件供應鏈的回款周期較長，一般需要6～9個月的賬期，流動資金需求較大，資金周轉難度較大。因此新產品研制及產業化費用高，投入回報周期長。同時由于該領域是屬于邊緣和交叉學科，需要有較高的理論知識、較強的實踐能力和經驗，人才培養的周期也較長。

3）標準法規。驅動電機系統的行業標準尚不完善。作為一個新興行業，產品的技術標準尚未得到有效檢驗，同時也有待進一步完善，現有的電機和控制器標準法規相對滯后。

3.3 我國純電動轎車驅動電機的型式實證分析

通過對近2年上海、北京、廣州車展展示的31輛電動轎車進行統計分析得出：除了帝豪EC-7、歐朗、朗世3種電動轎車使用的交流異步電機，其他28種電動汽車使用的都是永磁電機，占電動汽車展車總數的90%，如圖2所示。其中，永磁同步電機是目前純電動轎車用電機的主流形式，大約占87%。

通過對近幾年車展上展示的純電動轎車比較分析可知：永磁同步電機具有比功率高、峰值效率高、可靠性好及外形尺寸小等優點，被大多數汽車企業選用作為電動汽車動力源，交流異步電機具有比功率適中，調速范圍大，結構可靠，成本低，結構簡單及技術成熟等優點，被少數汽車企業選用作為電動汽車動力源。當然也有個別企業選用永磁直流無刷電機。

3.4 純電動轎車電機驅動系統的進一步分析

純電動轎車在選擇電機驅動系統時，需要考慮的關鍵問題是成本、可靠性、效率、維護、耐用性、質量、尺寸以及噪聲?，F對純電動轎車常用的4種電機優缺點進行分析比較，如表2所示。

表2 4種電機優缺點分析

直流電機具有優良的電磁轉矩控制特性、調速比較方便、易于控制，控制裝置簡單、成本較低。但其效率較低，電機結構復雜，不利于維修。

感應電動機采用旋轉磁場與轉子繞組相互作用產生交互電磁轉矩，帶動轉子旋轉，從而實現電能轉化為機械能。感應電動機效率高（最高效率達到95%）、可靠性高、過載能力強、結構堅固性好、便于維修，價格相對較便宜，感應電動機的控制器采用了矢量控制方法控制的變頻器，使感應電動機具有更好的可控性和寬廣的調速范圍。但感應電機的控制系統很復雜，負荷效率低。

永磁電動機由電樞鐵芯和電樞繞組組成定子，轉子由永磁體、轉子鐵芯和轉軸構成，永磁體磁動勢和電樞磁動勢構成高磁通密度磁場驅動轉子連續運行，具有功率密度高、質量輕、體積小、可靠性較好、效率高（達到90%以上）、利于維護等優點[5]。采用矢量控制的變頻調速系統使永磁電動機具有寬廣的調速范圍，有利于變速箱的輕量化。其控制系統比較簡單，轉矩特性與機械特性與直流電機相似。但永磁電動機的轉子采用永磁材料制作，要求磁極的磁性材料具有良好的剩余磁通、矯頑磁力、矯頑磁場強度以及良好的耐溫能力。現有的永磁材料在溫度升高到一定程度時，會出現消磁現象。而且永磁材料價格較高，因此造成永磁電動機的成本較高。

開關磁阻電動機的磁阻隨轉子磁極與定子磁極的中心線而變化，從而使定子繞組按一定的順序通電，保持電動機在控制狀態下連續運行。開關磁阻電動機結合了感應電動機和直流電動機的優點，它的結構比其他任何一種電動機都要簡單，轉速可達到15 000 r/min。其轉速-轉矩特性好，在較寬的轉速范圍內，轉矩速度可靈活的控制，并具有高啟動轉矩和低啟動功率的機械特性。轉子上沒有勵磁繞組和永磁體，結構簡單堅固、可靠性好、質量輕、便于維護及成本較低。開關磁阻電動機的控制系統包括微處理器、電流和位置檢測器等電子器件，控制系統較復雜，調節性能和控制精度要求高。但工作時轉矩脈動大，噪聲也較大，體積也相對較大[6]。

4 純電動轎車電機驅動系統的發展趨勢

根據科技部電動汽車“十二五”專項規劃對新能源汽車驅動電機系統的性能要求：電機功率密度≥2.7kW/kg，電機扭矩密度≥55N·m/L，控制器質量密度＞6.0kVA/kg，控制器體積密度＞8.0 kVA/L、系統最高效率＞94%，系統高效區（效率＞80區域）＞75%，壽命30萬km。系統成本：乘用車200元/kW、商用車300元/kW[7]。另一方面受電池技術的制約，電機的啟動性能、加速性能、低速時的效率、制動及滑行時的能量再生能力、電機的過載能力、電機的能量密度及電機可靠性是衡量電動車輛驅動電機好壞的重要指標?；谝陨显?，未來驅動電機的發展趨勢如下：

1）驅動電機的功率密度不斷提高。驅動電機作為動力輸出源，其自身的性能直接影響到了電動汽車的整體性能。除了需要滿足不同工況不同車型的需求，還要受車內空間的限制。這就需要電動轎車用電機向高性能和小尺寸發展。不斷提高電機本身的功率密度，用相對小巧的電機發揮出大的功率成為驅動電機未來的發展趨勢。永磁電機具有高轉矩密度、高功率密度、高效率及高可靠性等優點。我國具有世界最為豐富的稀土資源，因此高效節能、高性能、輕型化永磁電機是我國車用驅動電機的發展方向。

2）驅動電機高速化，回饋制動范圍寬廣高效化。通過提高電機的工作轉速，減小電機的體積和質量，進而拓寬回饋制動的范圍，采用適當的變速系統及控制策略，可以使回饋制動的允許范圍拓寬而適應更多工況，使整車節能更加有效，延長行車里程。

3）驅動電機系統集成化和一體化。未來為了進一步減小驅動電機系統質量和體積，驅動電機系統的集成化程度將會不斷提高。電機、電機控制器、變速箱、減速器、DC-DC的集成度將會越來越高，從結構集成到控制集成化和系統集成化，電機和變速箱的一體化將會越來越明顯。

4）驅動電機控制系統數字化。電動轎車用電控制系統集成度越來越高，電機控制器、DC-DC、變速箱控制器、整車控制器進行不同方式的集成。高速、高性能的微處理器使得電驅動系統進入全新的數字化時代。面向用戶的可視化編程，也可以通過代碼轉化和下載直接進入微處理，不斷提高編程效率和可調試性。

5）開關磁阻電機市場化。未來為滿足消費者對純電動轎車的動力性、經濟性需求，需要考慮到純電動轎車的成本、效率、續駛里程、百公里能耗、最高速度等問題，在解決開關磁阻電機輸出轉矩脈動大的問題后，擁有結構和控制簡單、效率高、轉速范圍寬、成本低、質量輕等特點的開關磁阻電機將越來越會被汽車企業重視，并運用在電動汽車上。

5 結語

近年來，電動汽車越來越被政府和各大汽車企業重視。國家不僅設立專項資金進行電動汽車研究，而且出臺各種扶持政策，鼓勵消費者購買。各大汽車企業也加大力度開發新能源汽車，作為純電動轎車核心部件的驅動電機更是研究重點。研發具有卓越的綜合性能的驅動電機系統勢在必行。雖然目前的驅動電機在實際應用中還存在一些問題，但市場上也有一些相當成功的產品，相信在不久的將來，這些存在的問題也將不斷得以解決。