新能源汽車驅動電機冷卻技術的發展現狀研究

摘要：長期以來，在我國汽車領域內驅動電機都被視為電機業中的小分支，隨著我國新能源汽車相關政策的實施，如今已經成為了各大資本爭先涉足的領域。作為新能源汽車的動力驅動裝置，對驅動電機的綜合技術性能及使用要求更為嚴苛，然而我國的電機驅動系統制造水平與國際水平本月相比較還有一定差距。本文基于專利分析，研究了新能源汽車驅動電機冷卻技術的發展現狀。通過對近幾十年內國內外的驅動電機冷卻相關專利進行闡述，從不同角度分析了驅動電機冷卻技術的發展前景，并對其發展現狀進行了探討。

關鍵詞：新能源汽車;專利分析;驅動電機;冷卻技術;發展現狀

0 ?引言

新能源汽車的快速發展給驅動電機帶來了巨大的發展機遇，電機技術的發展成為行業關注的熱點[2]。發電電機是指汽車制動時，車輪損失的動能通過控制器反饋給電池，使電機處于發電狀態，產生的電能傳遞給電池，以節省動力電池的能量損失，延長續航里程。新能源汽車常用的電機主要以直接驅動式為主，在直接驅動式下又以成本低、可靠性強和成本低的永磁同步和交流異步為主[4]。而開關磁阻電機作為最新技術，已在研究當中，在未來很有可能成為新能源車輛應用中的主流技術。在電機中冷卻系統對電機的整體運行性能有著極其重要的作用，目前常用到的有導熱樹脂、非封閉風冷、封閉風冷、水套冷卻（液冷）、空心軸轉子冷卻、空心軸轉子冷卻、外殼定子水套冷卻相結合和油冷。本文通過對常用電機類型和冷卻技術進行分析，并以技術專利角度對冷卻技術的發展現狀及未來應用進行探討。

1 ?常用電機類型與冷卻技術分析

1.1 常用電機類型

永磁同步電機主要是由轉子、端蓋、及定子等各部件組成。根據轉子上安放永磁體的位置不同，永磁同步電機通常會被分為內嵌式、面貼式以及插入式三種類型。永磁同步電機最大的優勢在于低速區有大轉矩的輸出，且其結構穩定、功率密度大，具有很高的運行效率，在目前汽車制造行業中很受歡迎。

另一種常用到的異步電機，也稱為感應電機，是一種交流電機，主要作電動機使用。異步電機定子相數有單相、三相兩類。其中，三相異步電機轉子結構有鼠籠式和繞線式兩種，單相異步電機轉子都是鼠籠式，是應用最為廣泛的異步電動機。繞線式電機結構復雜，一般用于對起動和調速性能要求較高的場合。而交流異步電機的優點同樣在于其轉子結構的簡單和可靠性強，低速區有大轉矩的輸出，同時因其材料成本低，也有廣泛的應用市場。

1.2 電機冷卻技術

目前采用的電機冷卻通常采用美國技術為主，主要有以下幾種：

①導熱樹脂技術。美國專利6201321 B1，其應用原理為：用導熱樹脂封裝定子線圈端部，通過箱體消散熱量，樹脂固化之后，形成熱橋。為了消除制造誤差，彈性導熱墊插在熱橋和箱體之間確保熱傳遞;②非封閉風冷技術。美國專利6011331 A，由艾默生電氣公司研發設計。其應用原理為：通過轉子上三個葉片風扇轉動，產生流動氣流散熱。但有非封閉的缺點，需要在應用中通過加過濾器，防止空氣中灰塵或其他固體顆粒吸入、控制濕度水平;③封閉風冷技術。美國專利20040036367 A1。其應用原理為：通過轉子旋轉、箱體中加工的專用空氣管道，使空氣流動，從而產生制冷效果;④水套冷卻技術。也指液冷，美國專利7009317 B2，其應用原理為：由定子和冷卻套管形成的冷卻管道，對定子冷卻。缺點是轉子冷卻不良。需要冷卻液泵送系統，并且使用冷卻器在電機外面將液體冷卻;⑤空心軸轉子冷卻。 美國專利7579725 B2。由特斯拉公司生產制造，通過兩個同軸的空心軸，兩軸使用輻條連接進行制冷;⑥空心軸轉子冷卻、外殼定子水套冷卻相結合。美國專利6191511 B1。通過固定在外軸的內表面上的葉片隨著轉子運動而旋轉，冷卻劑通過管道流向外殼水套;⑦油冷。美國專利號8169110 B2。由GM公司研發，可冷卻軸承。通過潤滑油作為冷卻劑注入，冷卻定子線圈端繞組。其優點是實現了油液在底部的收集、冷卻和循環利用。

2 ?通過專利分析電機冷卻技術的發展狀況

2.1 冷卻技術專利申請趨勢

通過收集近20年的驅動電機冷卻技術相關專利申請數據進行分析，對比其在世界范圍內和我國范圍內的申請量分布情況。其中，世界范圍內共占2451件，其中我國申請占1078件[1]，申請量趨勢如圖1所示。

從圖1中可以看出，從2000年開始，世界范圍內和我國范圍內的專利申請量均呈穩步上升趨勢，在2017年達到了頂峰，全球范圍內達到了近300件，而我國雖然起步較晚，但發展迅速，到2017年也達到了160件左右。2017年之后，受專利18個月公開期的影響致使有些專利數據被隱藏起來，申請量大幅度下降。另外，從圖1中我國專利申請量的發展趨勢可以看出，其在全球申請總量中的占比越來越高，已經超過了全球申請量的一半以上，具有很好的發展勢頭。

2.2 驅動電機冷卻技術專利申請地域分布

通過專利的目標申請入口分析，驅動電機冷卻技術申請地的地域分布主要以中、美、德、日、歐洲專利局等為主。具體分布情況如表1所示。

通過表1數據，我國驅動電機冷卻技術專利申請量比例最高，約為47%，總數量達到869件，其次是美國德國和日本，但比例均在10%以下。由此可知，隨著知識產權保護體系的不斷完善和市場環境的自由化和開放程度的提升，為各國企業進行驅動電機冷卻技術的研發和專利申請提供了很好的平臺，而我國在這方面尤其突出，在專利申請量上獨占鰲頭。

2.3 驅動電機冷卻技術分布分析

通過前文對驅動電機冷卻技術類型和制冷原理進行分析，大概可以分為自然冷卻、風冷、水冷和油冷這4大類，其各有優勢及缺點。因其均屬于不同的冷卻技術領域，相互之間沖突較小。為有效提升制冷效果，并以節省成本為主要考慮因素，在實際應用中通常采用2種或2種以上冷卻方法組合的方式來提高驅動電機的冷卻效率。

本研究從驅動電機冷卻技術的研發難點為研究內核，并綜合分析驅動電機結構、檢索可行性、行業分類習慣因素，只關注結構相對復雜且研發關注高的部分，最終確定驅動電機冷卻技術的技術分解并對其分布進行統計，如表2所示。

通過表2可知，在上述技術分解中，風冷技術因其技術較為成熟，改進空間較小，因此專利申請量占比只占了15%;而占比最高的為水冷技術，達到了60%，主要因為其冷卻效果和成本上具有較好的綜合優勢，擁有較大的應用市場，因此其專利研發方向也較為廣泛;作為近年來的新技術，油冷占比24%，其可以用油作為冷卻劑，通過對驅動電機內部進行冷卻，提高冷卻效率和驅動電機的功率密度，具有廣闊的發展前景。

3 ?結論

本文介紹了新能源汽車常用電機和電機冷卻技術，并通過對目前驅動電機冷卻技術專利申請量趨勢分析可知，驅動電機冷卻技術已經成為驅動電機各技術領域中專利申請量增長最快的技術領域。結合驅動電機冷卻技術專利申請地域分布可知，我國已經成為驅動電機冷卻技術最大的專利申請目標國。最后，通過對冷卻技術類型的分析和冷卻技術分布狀況來看，風冷、水冷和油冷技術已成為當前的研發熱點，具有廣闊的發展前景。

參考文獻：

[1]郭少杰，王軍雷，夏天，呂惠.基于專利分析的新能源汽車驅動電機冷卻技術發展現狀分析[J].汽車文摘，2020（05）：8-12.

[2]張軍，肖倩，孟慶闊.新能源汽車驅動電機發展現狀及趨勢分析[J].汽車工業研究，2018（06）：43-47.

[3]田振芳.淺析純電動汽車驅動電機控制系統的控制過程[J].內燃機與配件，2020（06）：84-85.

作者簡介：高銀橋（1965-），男，廣東東莞人，本科，高級工程師，主要研究方向為汽車運用技術、職業技術教育。