新能源環(huán)衛(wèi)車電機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究

夏靖武，譚 鵬，李 錢，嚴(yán) 麗，楊維豪，何 興

（長沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司，湖南 長沙 410221）

2023年1月，工業(yè)和信息化部等8部門發(fā)布關(guān)于組織開展公共領(lǐng)域車輛全面電動化先行區(qū)試點工作的通知，全國范圍內(nèi)啟動公共領(lǐng)域車輛全面電動化先行區(qū)試點工作，試點期為2023～2025年，力爭車輛電動化水平達到80%[1-2]。環(huán)衛(wèi)車作為公共領(lǐng)域車輛的重要組成部分，近年來電動化比例逐步提升，如圖1所示。

圖1 2020～2023年電動環(huán)衛(wèi)車總銷量與滲透率對比圖

1 新能源環(huán)衛(wèi)車概述

1.1 新能源環(huán)衛(wèi)車的定義和特點

新能源環(huán)衛(wèi)車指采用新型能源技術(shù)的環(huán)衛(wèi)車輛，這些車輛利用清潔能源進行驅(qū)動，減少了對傳統(tǒng)燃油的依賴，降低了環(huán)境污染和碳排放，符合現(xiàn)代社會對環(huán)保、節(jié)能的要求。新能源環(huán)衛(wèi)車在城市環(huán)衛(wèi)工作中起到了重要作用，推動了環(huán)衛(wèi)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

新能源環(huán)衛(wèi)車相較于傳統(tǒng)燃油環(huán)衛(wèi)車具有以下特點：①環(huán)保節(jié)能，新能源環(huán)衛(wèi)車采用電力驅(qū)動，零排放、噪聲小，可大幅降低大氣污染物含量，減少作業(yè)時的擾民問題；②使用成本低，新能源環(huán)衛(wèi)車的運行線路相對固定、距離短，充電設(shè)施便于集中建設(shè)管理，新能源環(huán)衛(wèi)車后期易維護，保養(yǎng)簡單，使用成本明顯低于燃油車型；③駕駛舒適，新能源環(huán)衛(wèi)車在性能方面不斷優(yōu)化，大部分車型無需變速器或使用自動變速器，操作簡便，駕駛平順性和舒適性大大提高。

1.2 新能源環(huán)衛(wèi)車按作業(yè)場景的分類（表1）

表1 新能源環(huán)衛(wèi)車類型及主要應(yīng)用場景對比表

新能源環(huán)衛(wèi)車可以廣泛應(yīng)用于城市環(huán)衛(wèi)、道路清掃、垃圾收集和運輸?shù)阮I(lǐng)域，其清潔、高效的特點使其成為改善城市環(huán)境品質(zhì)和提升城市管理水平的重要工具，為城市的環(huán)境衛(wèi)生和美化做出了積極貢獻。

2 電機關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 新能源電機的定義和分類

電機是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，可以把電源的電能轉(zhuǎn)化為機械能，或者將機械能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。當(dāng)電能被轉(zhuǎn)換成機械能時，電機表現(xiàn)出電動機的工作特性；當(dāng)機械能被轉(zhuǎn)換成電能時，電機表現(xiàn)出發(fā)電機的工作特性。根據(jù)驅(qū)動方式的不同，新能源電機可分為有刷直流電機、交流異步電機、永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機等類型[3]。由于永磁同步電機作為驅(qū)動電機的優(yōu)點突出，新能源環(huán)衛(wèi)車的驅(qū)動電機幾乎全部為永磁同步電機。

2.2 新能源電機的主要關(guān)鍵技術(shù)

1）電機設(shè)計與制造技術(shù)：包括電磁設(shè)計、熱設(shè)計、機械設(shè)計等，以提高電機的功率密度和效率。電機制造技術(shù)涉及到材料選擇、加工工藝和組裝技術(shù)等。

2）電機控制技術(shù)：包括電機控制算法的開發(fā)和優(yōu)化，以實現(xiàn)電機的高效運行和性能控制。

3）能量回收技術(shù)：包括制動能量回收和行駛能量回收兩個方面，以提高能源利用效率。

4）故障診斷技術(shù)：包括電機和電控系統(tǒng)的故障檢測和診斷，以提高車輛的可靠性和維修性。

5）傳動匹配技術(shù)：包括電機與變速器的匹配和優(yōu)化，以實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換和傳遞。

6）電機安全技術(shù)：包括電機過載保護、電機過熱保護等安全功能的設(shè)計和實現(xiàn)。

7）集成設(shè)計技術(shù)：包括電機和車輛其他系統(tǒng)的集成設(shè)計和優(yōu)化，以實現(xiàn)整車性能的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

3 新能源環(huán)衛(wèi)車電機發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 不同類型新能源環(huán)衛(wèi)車驅(qū)動電機應(yīng)用情況

目前，新能源環(huán)衛(wèi)車根據(jù)儲能方式的不同，主要分為：純電動環(huán)衛(wèi)車、混合動力環(huán)衛(wèi)車和氫燃料電池環(huán)衛(wèi)車3類，它們的特點和近3年的銷量占比見表2[4]。盈峰環(huán)境開發(fā)的18t燃料電池清洗車如圖2所示。

表2 新能源環(huán)衛(wèi)車類型及主要應(yīng)用場景對比表

圖2 盈峰環(huán)境18t燃料電池清洗車實車圖

3.2 不同動力型式在新能源環(huán)衛(wèi)車上實際應(yīng)用

1）驅(qū)動電機+變速器（單級減速器）+驅(qū)動橋?！膀?qū)動電機+變速器（單級減速器）+驅(qū)動橋”的動力型式屬于中央驅(qū)動方式的一種。將傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的發(fā)動機替換為驅(qū)動電機，后面連接一個自動變速器或者單級減速器，變速器一般為AMT自動變速器，再通過傳動軸將動力傳遞到驅(qū)動橋。這種動力型式大多應(yīng)用在12t級以上的新能源環(huán)衛(wèi)車上。

2）驅(qū)動電機（雙電機）+驅(qū)動橋?！膀?qū)動電機（雙電機）+驅(qū)動橋”的動力型式也屬于中央驅(qū)動方式的一種。這種電機直驅(qū)系統(tǒng)取消了變速器，消除了換擋沖擊，提高了驅(qū)動平順性。18t級以上新能源環(huán)衛(wèi)車可能采取雙電機直驅(qū)系統(tǒng)，8～16t級通常采用單電機直驅(qū)系統(tǒng)。

3）平行軸（同軸）電驅(qū)動橋。電驅(qū)動橋的型式屬于中央集中式驅(qū)動系統(tǒng)，主要分為平行軸電橋和同軸電橋兩種。新能源環(huán)衛(wèi)車上常采用平行軸電橋，這種型式的動力系統(tǒng)集成度高、傳遞效率高，但是增加了簧下質(zhì)量，一般只在6t級以下的小噸位車型上應(yīng)用。

4）輪邊（輪轂）電機驅(qū)動系統(tǒng)。輪邊（輪轂）電機驅(qū)動系統(tǒng)屬于分布式驅(qū)動系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在電驅(qū)動橋的基礎(chǔ)上去掉主減、差速器、半軸，集成度更高，傳遞效率更高，但是控制難度大，成本也最高，目前在新能源環(huán)衛(wèi)車上的應(yīng)用較少，主要應(yīng)用于小型自動駕駛車型上。

4 新能源環(huán)衛(wèi)車電機發(fā)展趨勢

4.1 新能源環(huán)衛(wèi)車電機的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展趨勢

1）高速電機。高速電機通常指轉(zhuǎn)速超過10000r/min的驅(qū)動電機。電機轉(zhuǎn)速提高后，功率大幅提升，電機系統(tǒng)功率密度提升，高速電機還能減少稀土等材料的使用量，系統(tǒng)效率也能得到提升。高速電機技術(shù)的難點在于轉(zhuǎn)子磁橋設(shè)計、高速軸承選型等方面。高速電機技術(shù)已經(jīng)很成熟，在電動乘用車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外很多乘用車主機廠都推出了搭載高速電機的車型。目前高速電機在新能源環(huán)衛(wèi)車已經(jīng)開始嘗試搭載，相信在不久后可大量推廣應(yīng)用。

2）扁線電機。扁線電機的定子和轉(zhuǎn)子都采用扁平的線圈，采用銅箔或者矩形導(dǎo)線制作，從而實現(xiàn)了尺寸更小、導(dǎo)電效率更高的優(yōu)勢，使得電機具備更高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度，提高電動汽車的續(xù)航里程和性能。針對電機轉(zhuǎn)速提升，扁線繞組需要進行分層和低集膚效應(yīng)設(shè)計。扁線電機技術(shù)已經(jīng)成熟，在電動乘用車領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，如理想、比亞迪等廠家都推出了應(yīng)用扁線電機的車型。未來單款新能源環(huán)衛(wèi)車型達到一定產(chǎn)量需求時，就可采用扁線電機技術(shù)。

3）油冷電機。油冷電機利用油冷系統(tǒng)對電機進行有效冷卻，相比于風(fēng)冷系統(tǒng)或者水冷系統(tǒng)，油冷系統(tǒng)能夠更有效地將熱量散發(fā)出去，提高電機的散熱性能和工作效率。按照冷卻油與定子的接觸形式分為間接油冷和直接油冷兩種。油冷電機技術(shù)已較為成熟，在高性能電動汽車和電動賽車等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。這些領(lǐng)域?qū)τ陔姍C的輸出功率和工作溫度要求較高，因此需要采用更強大的冷卻系統(tǒng)來保證電機的穩(wěn)定工作。未來新能源環(huán)衛(wèi)車如果對功率密度、扭矩密度有更高的要求，極有可能搭載油冷電機。

4.2 新能源環(huán)衛(wèi)車電機市場前景和挑戰(zhàn)

從市場前景上看，新能源環(huán)衛(wèi)車市場將逐步發(fā)展壯大，驅(qū)動電機市場也將迎來新的機遇。然而，技術(shù)創(chuàng)新、成本降低和安全性提升等問題仍然是新能源環(huán)衛(wèi)車驅(qū)動電機發(fā)展的挑戰(zhàn)。2023年前三季度新能源專用汽車驅(qū)動電機配套數(shù)量前10名見表3[5]。

表3 2023年前三季度新能源專用汽車驅(qū)動電機配套排名表

5 結(jié)論與展望

未來，新能源環(huán)衛(wèi)車驅(qū)動電機技術(shù)將繼續(xù)向高效化、輕量化、集成化和智能化方向發(fā)展。驅(qū)動電機的功率密度和系統(tǒng)效率將進一步提高，控制系統(tǒng)將更加智能化，能量回收等技術(shù)將更加成熟。電機配套廠家應(yīng)繼續(xù)加大電機技術(shù)的研發(fā)投入，提高其系統(tǒng)效率和可靠性，減低成本。同時，還需加強對電機控制系統(tǒng)的研究，提高其精確化、智能化水平。此外，政府和企業(yè)應(yīng)加大對新能源環(huán)衛(wèi)車的政策支持和市場推廣力度，促進整個產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。