新能源汽車驅動電機性能特點與應用研究

徐興有

（中國重汽集團濟南卡車股份有限公司，山東濟南 250000）

0 引言

新能源汽車是基于蓄電池、驅動電機及相關控制系統構建的新型驅動體系，通過將電能轉化為機械能的方式實現對汽車的驅動控制。汽車運行期間不會如傳統燃油汽車一般產生大量的尾氣污染，對于改善國內能源結構和生態環境具有積極意義。永磁同步電機以其高效率、重量輕、體積小、可靠性高等特性，成為當前新能源汽車領域所應用的主要電機類型，為確保驅動電機在新能源汽車中的可靠應用，相關單位需要針對汽車運行需求對電機的性能參數進行研究，從而推出能夠有效改善新能源汽車性能的驅動電機。

1 新能源汽車驅動電機概述

新能源汽車所應用的驅動電機由直流有刷電機發展為永磁電機、交流異步電機等多種類型，相關生產單位在研發過程中針對轉矩密度、速度控制效果及效率等方面的參數進行優化升級，各類電機的性能參數詳見表1。

表1 驅動電機性能比較

永磁同步電機的研究應用是當前新能源汽車驅動電機領域的重要發展方向，此類電機的應用能夠有效減少電機對汽車內部空間的占用，實現整車重量的進一步降低，能夠從成本和功率密度方面獲取更多效益。為滿足新能源汽車在不同工況下的運行需求，驅動電機的調試范圍需要進一步提升，相關生產單位應結合電機冷卻熱平衡技術、轉子動力相關理論、電機控制理論、電機結構相關內容進行研究。在發展過程中，永磁同步電機在高頻響技術的支持下實現了動態響應性能及剛度的有效改善，同時也有效遏制了能引發較強噪聲的共振問題。高密度轉子、定子繞組相關技術為永磁同步電機性能參數的突破提供了有力支持，現階段涌現出的眾多科研成果成為推動永磁同步電機在新能源汽車領域廣泛應用的重要基礎。

2 新能源汽車驅動電機性能分析

2.1 新能源汽車驅動電機穩態特性

2.1.1 電機外特性

為確保新能源汽車能夠具備超過傳統汽車的驅動性能，在各類工況下的功率與轉矩輸出需求均得到滿足，生產單位加強對電機驅動力特性的研究，結合實際情況給出驅動電機的外特性，即功率特性與轉矩特性。理想狀態的驅動力特性（圖1a）），即新能源汽車運行期間，驅動電機能夠基于低車速輸出較高轉矩，并通過恒功率輸出的方式滿足較高車速時的運行需求（圖1b））。

圖1 電機驅動性能

外特性，即對電機進行控制時的機械特性。電機啟動達到額定轉速的過程為起步加速階段，該階段所處區域為圖1b）所示的恒轉矩區域，此時需要將轉矩維持于較高水平以滿足新能源汽車的運行動力需求。對于電機轉速持續抬升至超出額定轉速的階段，新能源汽車通常處于急加速運行狀態，此時的功率維持在恒定狀態，需要借助高功率確保汽車的高速行駛，轉矩則隨著轉速的提升而持續降低。因此，電機的峰值功率、峰值轉矩、峰值轉速相關參數通常會被動力性指標所限制，在電機性能設計時應結合汽車的爬坡要求、百公里加速時間及車速要求等相關內容對上述參數的下限進行核算，從而為電機性能參數的設計提供參考依據。

此外，在對取得電機外特性性能優化過程中，無需完全基于理想驅動特性進行設計，生產單位需要考慮弱磁擴速區間的影響，結合新能源汽車高速行駛期間的自然特性曲線進行優化設計，從而以更低的成本滿足車輛運行需求。相關研究指出，永磁同步電機的最高轉速及轉折速比主要與氣隙磁通、直軸電感、交軸電感、定子繞組電阻存在關聯，而凸極率及弱磁率則受直軸及交軸電感影響較大，因此為了優化電機弱磁擴速能力，需要從這兩種電感參數入手。為控制直軸及交軸電感參數，生產單位可以從氣隙長度、永磁體極弧因數、定子繞組匝數及齒槽槽口開度角度進行優化調節，測試結果表明，槽口開度的提升將降低兩電感數值，繞組匝數的提升將提升兩電感數值，永磁體極弧因數的提升以及氣隙長度的降低將導致兩電感數值提升。

2.1.2 電機效率特性

為提升新能源汽車的經濟性，生產單位需要強化對取得電機效率特性的研究，從效率性能優化角度對取得電機的結構參數進行調整。為滿足新能源汽車運行需求，驅動電機的效率特性不僅需要效率值高，也需要高效率的區間范圍較大，確保汽車各類工況下的運行效率均維持在較高水平。“十二五”相關規劃標準中要求，電機驅動系統高效區＞75%，且最高效率＞94%，高效區具有80%以上效率。永磁同步電機的高效率區間要求如圖2所示。在實際設計時應結合新能源汽車的具體性能參數進行調整，下面對效率特性的調整思路進行詳細論述。

圖2 永磁同步電機高效率區間

電機效率是永磁同步電機的關鍵性能參數。效率數值通常與電機散熱情況及損耗情況關聯，通過電機降耗的方式能夠有效提升效率數值。穩態運行的電機主要具有雜散損耗、機械損耗、鐵損、銅損等。其中，機械損耗與鐵損為不變損耗，其他兩種損耗為可變損耗。結合電機損耗計算公式可以確認，軸向長度、氣隙長度、繞組匝數、極弧因數是影響電機損耗的重要因素，可以從相關參數角度入手，改善驅動電機的效率特性。

相關研究指出，電機效率隨著軸向長度的提升呈現出先升后降的特性，生產單位可以峰值附近選取一段能夠維持電機較高效率的軸向長度，確保效率特性符合需求。氣隙長度對電機效率的影響與軸向長度相反，生產單位應從變化曲線兩端選取適宜的氣隙長度，由于該參數對效率的影響較小，在實際設計時可以結合加工成本和加工難易程度對氣隙長度進行優化。繞組匝數的變化不會對鐵損造成影響，但銅損呈現出先升后降的變化特性；繞組線徑的提升不會對鐵損造成影響，但會降低銅損。因此提升繞組線徑的方式能夠改善電機效率，而繞組匝數在選型時需要進行實際測試，選取適宜的匝數區間，避免因匝數過高或過低影響電機效率。極弧因數的提升能夠降低鐵損并提升銅損，這與該因素對氣隙磁場、氣隙磁密的影響有關，電機效率則隨著該因數的提升呈現出緩慢增長至峰值后急速降低的特性，因此在永磁體選型時需要充分考慮極弧因數對電機效率的影響，根據模擬仿真與現場測試結果對參數進行優化。

2.1.3 部分負荷特性

新能源汽車的急加速、起步加速等各種運行狀態下的功率與轉矩輸出均可能產生某種程度上的波動，為實現對新能源汽車性能的優化改進，生產單位需要對取得電機的部分負荷特性進行研究探索，確保車輛在加速等各類工況下的功率、轉矩波動在允許偏差范圍內，提升新能源汽車行駛的平穩性和舒適度。在驅動電機部分負荷特性調整時，生產單位可以在維持電機穩定外特性的基礎上，從轉子永磁體槽輪廓、定子槽型、永磁鐵等角度入手對電機性能進行優化，實現對轉矩波紋、齒槽轉矩、氣隙磁密、高次諧波含量等指標參數的優化調節。

轉矩波紋的形成與諧波電流及電動勢有關，在定子反電勢和繞組電流與理想正弦波相互貼近時，輸出的轉矩波紋較低。氣隙磁密的形成與永磁體有關，由于大量諧波存在于氣隙磁場中，導致其并非理想狀態下的正弦曲線，大量諧波的存在導致氣隙磁密的幅值有所降低，抬升鐵損，導致電機效率受到影響。為了實現對轉矩波紋及氣隙磁密的有效控制，生產單位應針對電機結構進行優化改進，通過改善氣隙磁密正弦分布狀態的方式控制其波形，并降低波紋。

相關研究指出，電機極對數的增加能夠抬升氣隙磁密，而其正弦分布狀態則在極對數提升的情況先得到改進后受到負面影響，因此需要從峰值區域選取適宜的電機極對數。內置式永磁同步電機氣隙長度的提升將導致氣隙磁密大幅度降低，這與氣隙長度提升引發的磁阻增大有關，磁阻對磁力線的強度具有削弱作用，因此導致氣隙磁密降低；此外，氣隙長度的提升對于轉矩波紋也具有改善效果，在設計過程中需要把握對氣隙長度的調整尺度。永磁體是形成氣隙磁密的關鍵部件，生產單位可以從極弧因數入手對氣隙磁密波形進行調節，相關研究指出，永磁體極弧因數的降低能夠改善氣隙磁密的波形效果，并起到降低轉矩波紋的作用。

電機轉矩輸出性能的優化不僅可以從轉矩波紋、氣隙磁密角度入手，也可以從電機齒槽轉矩角度入手，通過限制轉矩脈動的方式改善電機輸出性能。齒槽轉矩與繞組電流無關，其轉矩大小與定子齒槽和轉子永磁體之間的相互作用有關，轉矩數值大小與斜槽數量存在關聯，斜槽數量越少則轉矩越高，因此生產單位可以通過增加斜槽數量的方式控制齒槽轉矩，同時也需要在設計齒槽時，在不影響嵌線的情況下盡可能降低槽口開度，實現對電機輸出穩定性的優化改善。

2.1.4 溫升特性

溫升特性是電機穩態性能中的重要參數，如果新能源汽車運行期間的電機溫升達到材料溫度限界，則電機的峰值功率與峰值轉矩將有所減少，對于電機的過載性能造成負面影響。電機本體溫度長時間維持在較高水平將對最大去磁工作點造成影響，導致電機壽命受到影響。為了滿足新能源汽車在爬坡、加速時的過載運行需求，生產單位需要重視對電機溫升特性的研究，將其溫升參數維持在可靠范圍內，即冷卻系統散熱量與電機發熱量維持在穩定狀態。一般而言，電機的穩態溫升數值需要避免超出溫升限度，具體數值標準需要結合電機絕緣材料的耐熱參數進行確定，現有的絕緣結構耐熱等級主要具有A、E、B、F、H 五種類型，為滿足安裝于狹窄空間驅動電機的溫升特性需求，生產單位應可能選擇耐熱等級較高的絕緣結構，即F 或H 級別的結構。

生產單位需要在溫升特性這一穩態性能研究時同步推進配套冷卻系統的研究，通過測試不同冷卻方式散熱效果的方法選取適宜的絕緣結構與冷卻散熱系統，從而將電機的溫升特性控制在可靠范圍內。此外，相關研究表明，電機反電動勢會受到溫度的影響，在維持轉速不變的情況下，溫度提升將導致反電勢降低，因此需要將電機溫度維持在合理數值區間以確保電機的正常運行。

2.2 新能源汽車驅動電機動態特性

為了改善新能源汽車驅動電機的動態性能，生產單位需要提前掌握電機的控制模式，結合控制模式的具體情況進行動態性能優化。一般來說，控制模式主要與汽車運行條件有關，轉速控制即車輛換擋變速、勻速巡航等運行狀態調整，可以通過閉環控制的方式調節轉速；轉矩閉環控制主要與汽車制動、加速、起步等工況存在關聯，下面對相應的動態響應要求進行詳細論述。

2.2.1 轉速階躍動態響應特性

新能源汽車為實現不同速度的調整，通常需要在靜態狀態下采取換擋加速的方式進行調整，整個速度變化過程即為電機轉速的動態響應過程。電機控制器根據整車控制器的轉速要求輸入控制指令，實現轉速由初始靜止到最終轉速狀態的響應控制。驅動電機的轉速階躍響應通常是在峰值轉矩作用下，電機接收到電機控制器的轉速階躍信號直到轉速穩定到目標值的響應時間，是轉速響應特性的指標體現。轉速動態響應公式為：

其中，Je為電機輸出軸的轉動慣量；Δt為動態響應時間；ω1-ω2為速度超調量；Te為調速扭矩。

由此可見，調速扭矩的提升將提升轉速響應效率，降低動態響應時間，因此在動態響應期間應盡可能提升調試扭矩，促使新能源汽車運行時能夠快速進入轉速穩定狀態，避免對汽車換擋操作造成負面影響。一般來說，生產單位需要將驅動電機的轉速響應時間控制在350 ms 之內。

2.2.2 轉矩階躍動態響應特性

純電動轎車在起步及制動過程中，電機會進入轉矩動態響應。整車控制器對電機控制器發出階躍轉矩指令，起步過程對應從零到額定扭矩，而從電動狀態下的額定扭矩到發電狀態額定扭矩對應于制動過程，這兩個過程中的電機扭矩經過控制達到目標扭矩值。通常以驅動電機在額定轉速下，轉矩從零變化到額定扭矩的動態響應時間作為轉矩動態響應的指標。

由電機控制原理可知，通過調控定子側電流可以對轉矩加以控制，因此，轉矩動態響應時間會受控制精度的影響。響應時間體現為轉矩的延遲，一定程度上會影響到整車動力性能。通過電機試驗來給出在某一轉速下的轉矩階躍響應時間。由試驗電機得出在1000 r/min 下的轉矩響應曲線可知，轉矩動態響應時間可以控制在500 ms 以下，轉矩響應可以滿足整車要求。

3 結語

綜上所述，新能源汽車的推廣應用對于緩解國內環境、能源壓力具有積極意義，對提升新能源汽車的性能，生產單位需要強化對驅動電機性能的研究，通過調節外特性、部分負荷特性、溫升特性、效率特性的方式改善電機的穩態性能，通過調節轉速、轉矩階躍響應特性的方式改善電機的動態性能；穩態性能的優化主要涉及永磁體極弧因數、繞組匝數、氣隙磁密、齒槽開度等參數的調節，動態性能的優化則需要從電機控制角度進行調節，兩種性能的同步優化對于改善電機性能和實現新能源汽車的推廣應用具有積極意義。