淺析新能源汽車驅(qū)動電機

王軍

摘 要：當(dāng)今，能源危機和環(huán)境問題是全球面臨的共同問題，汽車行駛所消耗的大量汽油、柴油，及其發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的尾氣污染問題，特別是尾氣中包含的二氧化碳更是全球變暖的一大“元兇”，阻礙著全球的可持續(xù)發(fā)展。鑒于此，汽車的主要動力源發(fā)動機必然會逐步退出歷史舞臺，由更符合汽車行駛特點且節(jié)能環(huán)保的電動機代替。因此，本文主要從驅(qū)動電機的發(fā)展，對主流驅(qū)動電機的分類、性能、基本構(gòu)造及原理分析。

關(guān)鍵詞：新能源;發(fā)展;電機;性能

0 引言

據(jù)官方統(tǒng)計，我國機動車的保有量現(xiàn)已達(dá)到了3億多輛，其中燃油車占據(jù)了很大一部分，這就出現(xiàn)了一系列問題，包括停車難、交通擁堵、事故率升高、環(huán)境問題、能源問題等等，前三個問題隨著汽車的交通優(yōu)化、AI智能加持和安全性提高會不斷改善，但汽車發(fā)動機帶來的環(huán)境問題、能源消耗尤為棘手，更是全球所有國家面臨的難題。

1 驅(qū)動電機的發(fā)展趨勢及分類

1.1 驅(qū)動電機的發(fā)展趨勢

根據(jù)中汽協(xié)發(fā)布的產(chǎn)銷數(shù)據(jù)，2017年我國新能源汽車產(chǎn)銷分別為79.4萬輛和77.7萬輛，同比增長分別為53.8%和53.3%，產(chǎn)銷量連續(xù)三年位居全球第一。從行業(yè)配套來看，新能源乘用車主要使用的是永磁同步電機和交流異步電機。其中，永磁同步電機得益于節(jié)能、效率、輕量化等優(yōu)勢，使用最多，但由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且需要使用昂貴的稀土永磁材料，如釹鐵硼等，因此出于成本、可靠性等因素考慮，部分車系采用交流異步電機。

我國驅(qū)動電機已經(jīng)自主開發(fā)出滿足各類新能源汽車的產(chǎn)品，部分主要性能指標(biāo)已達(dá)到國際先進水平，但是在峰值轉(zhuǎn)速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距。峰值轉(zhuǎn)速是電機的重要指標(biāo)，也是目前國內(nèi)電機較之國外差距最明顯的指標(biāo)。國內(nèi)絕大部分永磁同步電機的峰值轉(zhuǎn)速在10000rpm以下，而國外基本在10000rpm以上。國內(nèi)電機在功率方面基本能夠達(dá)到國際水平，但是在同功率條件下存在重量劣勢，因此功率密度存在較大差距。國內(nèi)的永磁同步電機功率密度多在（1～2）kw/kg區(qū)間內(nèi)，與2020年3.5kw/kg的目標(biāo)值存在較大差距。在電機效率方面，國內(nèi)電機的最高效率均達(dá)到94%～96%，已達(dá)到西門子、博世等企業(yè)的水平，但是在高效區(qū)方面，如系統(tǒng)效率大于80%的區(qū)域占比方面尚存在一定差距。我國電機的高效區(qū)占比集中在70%～75%，而國外電機基本達(dá)到80%。另外，電機的冷卻方式已經(jīng)從自然冷卻逐步發(fā)展為水冷，國內(nèi)電機采用水冷為主，國外先進的電機已經(jīng)發(fā)展到油冷電機。

由我國《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》分析，驅(qū)動電機主要發(fā)展趨勢有以下幾個方面：集成化--與整車的電子控制器的集成和機電耦合的集成;高效化--提高功率密度并降低成本;智能化--與整車傳感器、控制器配合不斷提升驅(qū)動系統(tǒng)的性能。

1.2 驅(qū)動電機的主要分類

驅(qū)動電機歷史悠久，在1885年被美國的尼古拉·特斯拉申請了感應(yīng)電動機專利，之后不斷衍生出各式各樣的電動機，被各行各業(yè)所廣泛使用。下面，按照驅(qū)動電機的電源對其進行分類：

從圖1可見，電機的種類繁多，每個電機都有自己的特點。結(jié)合市場，簡單比較主流驅(qū)動電機的性能，如下表：

上表的經(jīng)驗性統(tǒng)計，結(jié)合新能源汽車復(fù)雜的工況：頻繁停車啟動、加速減速、負(fù)載爬坡、持續(xù)高速、低速蠕動等分析，交流異步電機和永磁同步電機在尺寸、質(zhì)量、功率密度、效率等優(yōu)勢明顯，因此逐漸成為新能源汽車的主流選擇。

2 新能源汽車對驅(qū)動電機的性能要求

以內(nèi)燃機和驅(qū)動電機為動力的汽車早在19世紀(jì)就開始了較量，經(jīng)過不斷的發(fā)展優(yōu)化、競爭，電動車因充電慢，續(xù)航短等劣勢成為小眾車型，而內(nèi)燃機最終以其穩(wěn)定、可靠、加油方便等優(yōu)勢稱霸全球。

發(fā)動機和驅(qū)動電機同為汽車的核心動力，為汽車提供驅(qū)動力，有相似必然也有不同之處，下面分析兩者的主要差異。

2.1 發(fā)動機和驅(qū)動電機主要差異對比分析

（1）結(jié)構(gòu)對比。發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由曲柄連桿機構(gòu)、燃油供給機構(gòu)、冷卻機構(gòu)、啟動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造、工藝要求、成本等較高。重量、體積均較大。

驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)簡單，主要由轉(zhuǎn)子、定子、殼體、冷卻系統(tǒng)等組成，部件較少，制造簡單，成本較低。整車使用過程中電機基本上免維護。

（2）標(biāo)定控制和耗能對比。發(fā)動機需要配合變速箱來達(dá)到變速變扭的目的，因此標(biāo)定控制必須結(jié)合發(fā)動機和變速箱匹配，標(biāo)定流程非常復(fù)雜，需要同時為發(fā)動機和變速箱配置控制器。而驅(qū)動電機由于其特殊的性能，僅需一臺單級減速器來減速增扭即可，只需要為電機配置一臺控制器，標(biāo)定也較發(fā)動機簡單很多。

發(fā)動機主要以汽油和柴油等有限的石化資源燃燒產(chǎn)生熱能，再轉(zhuǎn)換為機械能，熱效率較低，最高僅40%。整個過程熱能損失、機械損失較大，產(chǎn)生的廢氣污染環(huán)境。驅(qū)動電機主要由電池供電，電能的獲取方式非常多，可以從風(fēng)能、核能、地?zé)岬瓤沙掷m(xù)資源獲取。電能轉(zhuǎn)化為機械能，效率普遍在90%左右，且零排放、無污染。

（3）性能對比。對于一輛汽車來說，發(fā)動機和驅(qū)動電機的扭矩和功率是動力性能至關(guān)重要的兩個參數(shù)。扭矩表示從動力源輸出端輸出的力矩，功率是指動力源單位時間內(nèi)做功的快慢，兩者決定了一輛汽車的加速性能、爬坡性能等。

如上圖所示，發(fā)動機和驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩特性和驅(qū)動特性的對比可知，驅(qū)動電機幾乎在啟動之際即達(dá)到最大扭矩，低扭性能強勁，且調(diào)速范圍較寬。而發(fā)動機的最大扭矩必須配合復(fù)雜的變速器，在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時才會出現(xiàn)。

另外，驅(qū)動電機高速狀態(tài)下的恒功率轉(zhuǎn)速范圍較為寬范，且效率大概在90%，遠(yuǎn)高于發(fā)動機的效率。運行時，電機在噪聲方面的優(yōu)勢也遠(yuǎn)優(yōu)于發(fā)動機。

2.2 新能源汽車對驅(qū)動電機的性能要求

（1）重量輕、體積小。新能源汽車輕量化和有效空間的需求使得驅(qū)動電機在達(dá)到要求的同時必須質(zhì)量輕、體積小，降低整車整備質(zhì)量，為汽車動力性和續(xù)航做貢獻。

（2）長壽命、高可靠性。驅(qū)動電機作為汽車的核心部件，防塵、防水、防震等性能的要求必須符合要求，壽命及可靠性必須和整車一樣，在整個汽車的生命周期基本不會出現(xiàn)任何問題。

（3）高耐壓性。在允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能采用高電壓，可以減小電動機的尺寸和導(dǎo)線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。

（4）整個轉(zhuǎn)速范圍的高效率。為了保證續(xù)駛里程長，驅(qū)動電機在整個轉(zhuǎn)速范圍盡可能高效率運行，特別是路況復(fù)雜以及行駛方式頻繁改變時，低負(fù)荷運行也應(yīng)該具有較高的效率。

（5）低速大扭矩特性和較寬范圍的恒功率特性。驅(qū)動電機應(yīng)具有汽車行駛所需要的轉(zhuǎn)矩特性，滿足汽車啟動、加速、行駛、減速、制動等所需的功率及轉(zhuǎn)矩。如下圖所示轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性圖。

（6）電器系統(tǒng)的安全性。目前，市場上新能源汽車的工作電壓基本上在300V以上，對電氣系統(tǒng)包括電機的安全性，都必須符合相關(guān)車輛電氣控制的安全性能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

3 主流驅(qū)動電機的簡要論述

目前，新能源汽車領(lǐng)域的驅(qū)動電機基本被永磁同步電機和交流異步電機“壟斷”，下面簡要論述兩種電機的構(gòu)造、原理和特點。

3.1 永磁同步電機

我國在稀土資源方面優(yōu)勢明顯，結(jié)合各個方面的因素，從節(jié)能、成本、性能等角度考慮，未來永磁同步電機將是乘用車領(lǐng)域的絕對主力。

（1）基本構(gòu)造。永磁同步電機主要由端蓋、殼體、定子和轉(zhuǎn)子等組成，最核心的為嵌入或貼入永磁體磁極的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體多采用一種名為釹鐵硼的稀土類磁鐵。

（2）基本原理。永磁同步電機的定子部分通入由逆變器調(diào)制的三相交流電后，定子電樞產(chǎn)生空間磁場，它與永磁體轉(zhuǎn)子（磁極固定）相互作用，通過同性相斥異性相吸的原理，產(chǎn)生與定子旋轉(zhuǎn)磁場方向相同的電磁轉(zhuǎn)矩輸出，即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度等于旋轉(zhuǎn)磁場的速度，稱為“同步”。當(dāng)輸出的轉(zhuǎn)矩超過轉(zhuǎn)子的摩擦轉(zhuǎn)矩以及由于永磁體的阻尼轉(zhuǎn)矩時，電機便開始向外做功，克服汽車的滾動阻力、空氣阻力、加速阻力等，驅(qū)動汽車行駛。

（3）基本特點。永磁同步電機的特點主要有節(jié)能、功率密度大、效率高、尺寸小、重量輕等。缺點主要是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高，存在高溫退磁的風(fēng)險，在弱磁方面的控制較難。

3.2 交流異步電機

三相交流異步電機是目前較為成熟的驅(qū)動電機，也被稱為感應(yīng)電機，國外著名的特斯拉Model S和國內(nèi)的蔚來ES8出于成本、控制等因素都采用了此類電機。

（1）基本構(gòu)造。交流異步電機的構(gòu)造和永磁電機大致相同，也是由端蓋、殼體、定子和轉(zhuǎn)子組成，不同的是轉(zhuǎn)子部分，無永磁體，主要分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。

（2）基本原理。異步電機的三相定子繞組通入交流電，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，此磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路，轉(zhuǎn)子中便產(chǎn)生電流，方向和感應(yīng)電動勢相同，而載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，由電磁力進而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機軸旋轉(zhuǎn)，克服阻力，進而驅(qū)動汽車行駛。

（3）基本特點。異步電機的優(yōu)點主要有控制技術(shù)成熟、成本低、結(jié)構(gòu)相對簡單，缺點主要是有勵磁損失，能耗較大，低速啟動性差，輕載時效率低，相對永磁電機在節(jié)能、效率方面不足。

綜上分析，在國家倡導(dǎo)節(jié)能，新能源汽車高續(xù)航，車型輕量化的大前提下，永磁同步電機在這發(fā)面的優(yōu)勢遠(yuǎn)大于交流異步電機，在逐步解決永磁電機退磁、高速控制等問題后，必將成為新能源汽車的核心驅(qū)動系統(tǒng)。

4 結(jié)論

未來，隨著動力電池能量密度的增加，充電基礎(chǔ)設(shè)施的普及，甚至無線充電的出現(xiàn)，消費者不再擔(dān)憂續(xù)航里程，充電像加油一樣快速、便利，再加上動力系統(tǒng)驅(qū)動電機優(yōu)秀的加速性能，可忽略的震動、噪音，無需頻繁的保養(yǎng)等等，新能源汽車一定會非常普及，成為未來的主力車型。

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