電動汽車驅動電機的應用現狀與發展趨勢

劉麥

(海南經貿職業技術學院，海南省智能電網裝備工程研究中心，海南海口 571127)

0 引言

汽車保有量的逐年增長，來自能源與環境污染方面的壓力也日益加重，而新能源汽車很好地解決了這一問題，作為新能源汽車的發展重頭，純電動汽車有著廣泛的發展和應用空間。驅動電機是電動汽車三大關鍵技術之一，目前適合于電動汽車的驅動電機主要有交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機三大類。交流異步電機的抗環境能力、轉矩脈動和噪聲要優于其他電機，維護方便，但是高效性、調速性能、散熱性能稍差，啟動和過載能力一般，主要以美國車企以及大型高速電動汽車使用為多；永磁同步電機的損耗小、效率高、功率密度高、結構簡單緊湊、調速性能好，但是永磁材料受環境影響易退磁，成本受稀土材料價格的影響，本體經濟性稍差，調速范圍有限，低速運行時損耗大，中國、日本等國家電動汽車電機以永磁同步電機為主；開關磁阻電機結構簡單、可靠性、本體經濟性好，但是噪聲震動大、舒適性差[1-2]。

1 驅動電機的應用現狀

根據工信部整車出廠合格證數據統計顯示，我國2016年電動汽車配套驅動電機裝機量達59.5萬臺，永磁同步電機超過45萬臺，占比77%；交流異步電機超過14萬臺，占比22%。2017年配套驅動電機裝機量達87.42萬臺，永磁同步電機裝機量68萬臺，占比超過77%，交流異步電機裝機量近19萬臺，占比21.4%[3]。2018年配套驅動電機裝機量達133.5萬臺，其中永磁同步電機裝機量121.2萬臺，占比達90.79%[4]。2019年配套驅動電機裝機量超過124萬臺，永磁同步電機達120萬臺，占比達到97.51%[5]。從數據可以看出，永磁同步電機的占比逐年增加，成為電動汽車驅動電機的發展主力。

電動汽車驅動電機行業主要由傳統整車及零部件企業、其他領域電機企業、專門針對電動汽車成立的電機企業三大類構成，2018年和2019年上半年電動汽車電機裝機量十大企業見表1[6]和表2[7]。

表1 2018年電動汽車電機出貨量十大企業

表2 2019年上半年新能源汽車電機裝機量十大企業

2 驅動電機的發展趨勢

2.1 永磁同步電機

豐田prius電機驅動系統被認為是業內前沿技術的標桿，2017年推出的全新變速箱搭配的電機稱為Prius 2017或Prius IV，代表了豐田對驅動電機的最新研究與技術應用。電動機為一個8極48槽的永磁同步電機，文中以Prius IV來分析永磁同步電機的關鍵技術發展趨勢。相比Prius Ⅲ、Prius Ⅳ的主要技術參數對比見表3[8-9]。

表3 Prius Ⅳ和Prius Ⅲ重要參數對比

從表3可知，Prius Ⅳ的最大功率和最大轉矩有所下降，但是最大速度卻明顯提升。高速化使得功率密度進一步提高，對比Prius Ⅲ、Prius Ⅳ的體積功率密度提高了18%。Prius IV電機的定子直徑首次實現了下降，降低了20%，整體結構上更為緊湊，體積更小。綜上可知，高速化、高功率密度、緊湊化是永磁同步電機的發展趨勢。

Prius磁極結構如圖1所示。

圖1 Prius磁極結構

核心技術發展上，豐田公司主要在磁極結構、定子繞組和稀土材料上深入研究。Prius IV磁極結構變化很大，采用V一結構設計。每一個槽內的磁鋼在軸向分為兩段，抑制高速時磁鋼的渦流損耗，且增設了兩個磁橋，弱磁能力增加，以提高運行速度。同時，Prius IV通過優化的磁路設計，氣隙磁密和反電動勢更接近正弦波，減小了諧波，降低磁損耗和轉矩脈動。定子繞組呈扁平狀，進一步提升槽滿率，采用發卡繞組方式，設計使用了高速扁線繞組成型技術來降低高頻集膚效應，優化扁線絕緣材料，更薄、耐電壓級別更高。永磁材料上，深入研發輕稀土少稀土技術，新的無Dy鏑稀土永磁技術，大幅度降低稀土的用量，從而降低了電機成本[1]。

2.2 開關磁阻電機

開關磁阻電機轉子上沒有繞組和永磁體等，使其結構簡單、散熱性能好、制造和維護成本低，且可靠性能和調速性能好、效率高、體積和質量小，諸多優勢使得它作為一種新型驅動電機，各主機廠和電機企業嘗試在電動汽車領域開發應用。然而，開關磁阻電機的本體設計和控制要求較高，受電磁徑向力作用，轉矩脈動較大，使得噪聲和振動較大，對于追求舒適性的汽車而言，是將開關磁阻電機廣泛應用在電動汽車驅動系統領域中急需解決的問題。

美國、德國、日本等國家對開關磁阻電機的研究工作比較多。日本學者千葉明團隊開發了一種滿足電動汽車運行性能的新型開關磁阻電機驅動系統，其轉矩密度和效率能夠達到永磁同步機的要求，應用于普銳斯混合動力車；捷豹公司發布了一款采用兩臺開關磁阻電機的混合動力車C-X75；路虎汽車公司也在車展上發布了一臺采用開關磁阻電機驅動的純電動汽車[2]。而國內汽車對開關磁阻電機的研究與應用投入相對薄弱，實際裝配應用較少。

開關磁阻電機目前還處于進一步的研究開發、測試試驗階段，需要不斷地優化、完善和提高，在結構、材料、性能、成本等方面的諸多優勢，使其應用領域在不斷拓展，但仍未得到大量市場應用，輸出轉矩脈動產生的振動和噪聲問題是限制其發展應用的最大的制約因素，目前開關磁阻電機的主要研究方向即為解決這兩大問題。

2.3 輪轂電機驅動

目前國內電動汽車驅動電機多采用集中式驅動方式，分為一個驅動電機或前后各一驅動電機兩種形式。輪轂電機驅動方式最早由保時捷搭載到純電動汽車上，是目前電動汽車驅動電機方式的一個重要發展方向。國外對輪轂電機技術的研發投入較大，如英國Protean、日本豐田、NTN等企業，國內研發輪轂電機的企業較少，且大多停留在理論開發和試驗研究上，實際應用較少。交流異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機等都可用于開發成輪轂電機，目前以永磁同步電機在輪轂電機上的研究和應用較為廣泛。

輪轂電機作為電動車的動力驅動，集成度高、動力控制靈活獨立、響應速度快、轉矩控制精度高、車身設計自由度高、有利于實現更先進的如自動駕駛等運動控制策略[10]，是驅動系統發展的一個重要方向，具有極大的應用潛力。但是，電機在輪轂處，散熱性能不良，工作環境惡劣，振動噪聲大，防水防塵要求高，汽車簧下質量過大等都極大地限制了輪轂電機的應用。以及輪轂電機對運動控制的高要求，分布式轉矩控制、防滑控制、車輛穩定性和平順性控制等方面仍有大量需要解決的問題[11]。

目前輪轂電機應用范圍較小，隨著技術成熟度的提高，輪轂電機作為動力驅動的一系列優勢，特別是在智能控制方面的優勢，使其必將成為電動汽車的主要動力驅動方式，將在電動汽車領域得到廣泛應用[12]。

3 國內電動汽車驅動電機發展舉措

國內電動汽車企業面臨著和Tesla、豐田、寶馬等巨頭的競爭，驅動電機須在核心技術、制造工藝等方面追上巨頭公司，甚至做得更好才能長久生存。

3.1 深入研究關鍵技術，勇于創新

目前國內驅動電機產品與國外相比，在設計和制造工藝上都有較大的差距。國外在電機研發上的投入巨大，注重新產品的開發，特別是關鍵技術的研究。電機的可靠性高、故障率低、振動噪聲性能好、效率不斷提高、壽命長、體積小、質量輕，是國外產品的優勢。國內企業目前處于學習、模仿、追趕的循環中，主要體現在結構設計上無法突破、制造工藝水平有待提升、產品性能存在差距、關鍵材料的質量不能滿足要求，特別是一些高精度高要求的部件，如高轉速軸承、高性能硅鋼片等還高度依賴進口。

國內驅動電機行業，需要學習國外的先進技術，但也必須深入研究關鍵技術，加大新產品開發的資金和人員投入，勇于創新，掌握核心技術才不被制約。發展過程中首先需要重視人才的培養，人才才是創新的根本；其次要尊重知識產權、保護知識產權；再者，行業內系統聯合優化，知識共享，共同發展，創造一個共贏的發展環境。

3.2 拒絕價格戰，尋求質量和價格的平衡

電動汽車電機企業早期超過200家，競爭激烈，外資電機企業又在加速布局，而近年受全球經濟衰退和貿易戰的影響，需求量減少。有些電機企業出于企業發展需求，以低價位的策略，籠絡客戶資源、回收資金，從而主動或者被動地加入到價格戰中。價格戰減少了企業利潤，而原材料、人工等成本的增加，又導致企業的凈利潤進一步被壓縮。低價競爭導致重心在于企業的生存上，無法投入更多做好產品。行業的良性發展，不能使得各企業處于價格戰中無法自拔，只關心降低成本，而應首先考慮把產品做好，不停地提高性能指標，迭代升級產品，做一流電機。在做好產品的基礎上降低成本，在質量和成本之間尋找一個權衡，既有了做高質量產品的能力，又在成本方面尋求出路，通過控制成本反方向刺激設計。

3.3 提高供應商要求，和供應商共同成長

電機企業與供應商之間是一個合作互利的關系，企業要維持運轉，離不開原材料、生產、物流等各個供應商的支持。隨著企業的發展，對供應商的需求量也會越來越大，需要整合調動整個供應鏈的資源，與供應商之間充分協調合作，供應商的重要性也就越發體現出來。電機企業在發展自身產品設計、制造、成本控制方面，也需要合理選擇供應商，在全球范圍內挑選優質供應商，對供應商提高要求。以長遠發展的戰略目標，電機企業與供應商之間的合作不能一味地要求降低成本，而是幫助供應商解決問題，和供應商一起做好質量提升，共同發展，共同前進，從而形成真正意義上的共贏。優質的供應商質量管理，能讓企業的發展、效率進一步提升。

4 結論

驅動電機作為電動汽車的動力源，其發展趨勢主要為集成化、智能化和數字化。驅動電機類型而言，目前電動汽車以永磁同步電機為主，交流異步電機在我國公路使用的局限性使其未來市場應用將逐漸減少，開關磁阻電機由于振動、噪聲較大，目前很難被電動汽車主機廠接受，應用受限，但隨著技術的不斷改進，解決這一問題后也將會逐步應用到電動汽車市場上，而輪轂電機驅動方式隨著技術的不斷成熟會逐步增加應用，并將成為主要驅動方式。我國電機企業要抓住這次電動汽車發展紅利，充分利用自身優勢、學習國外優秀技術，掌握先進的核心技術，形成行業良性競爭，開發具有競爭優勢的先進電機產品。