淺析電機(jī)技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用

林碧琴

（閩江師范高等專科學(xué)校，福建 福州 350018）

我國正在加快推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)已經(jīng)變成一項(xiàng)重大的系統(tǒng)工程。在“雙碳”目標(biāo)大背景下，汽車產(chǎn)業(yè)加速電動(dòng)化轉(zhuǎn)型，我國新能源汽車發(fā)展迅速。作為新能源汽車的動(dòng)力元件，電機(jī)取代了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)作為電力汽車的主體，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能以供新能源汽車行駛運(yùn)行。因此，加強(qiáng)電機(jī)技術(shù)的研究和應(yīng)用對于新能源汽車的發(fā)展是至關(guān)重要的。

1 新能源汽車及對電機(jī)技術(shù)的要求

1.1 新能源汽車

新能源汽車是一種將傳統(tǒng)能源和最新技術(shù)相結(jié)合的車輛，通過使用動(dòng)力電池和發(fā)動(dòng)機(jī)組合的模式或純動(dòng)力電池的形式提供動(dòng)能的發(fā)動(dòng)機(jī)也變?yōu)榱穗姍C(jī)，這種汽車的能源形式打破了傳統(tǒng)的機(jī)械式結(jié)構(gòu)，提高了能源的使用效率。新能源汽車更側(cè)重于電子元器件的應(yīng)用開發(fā)，尤其是對于電控系統(tǒng)的應(yīng)用能夠大大提高新能源車的使用感受，另外，還能夠有效降低環(huán)境的污染問題發(fā)生，提高汽車的動(dòng)能表現(xiàn)。

1.2 新能源汽車對電機(jī)技術(shù)的要求

新能源汽車對電機(jī)技術(shù)的要求非常嚴(yán)格，不僅要滿足汽車的行駛性能，還要具備良好的舒適性、環(huán)境友好性和耐久性，以及調(diào)速范圍寬，以滿足不同的使用需求。電機(jī)的調(diào)速范圍必須滿足恒定的轉(zhuǎn)矩和功率，以確保汽車能夠迅速啟動(dòng)，并在加速和爬坡時(shí)提供足夠的動(dòng)力。當(dāng)車輛以高速行駛時(shí)，為了適應(yīng)超車等駕駛特點(diǎn)，必須大范圍調(diào)速，以保證提供穩(wěn)定動(dòng)力。此外，為了提高效率和功率密度，必須確保車輛在一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，盡量減少功率損失，延長發(fā)電機(jī)的壽命。電機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)具備較強(qiáng)的抗振性和安全性，同時(shí)質(zhì)量輕巧，體積小巧，以減輕車輛的整體重量，提高車身空間利用率，使駕駛者和乘客更加舒適。電機(jī)需要具備高效的瞬時(shí)功率和強(qiáng)大的過載能力，以滿足汽車在短時(shí)間內(nèi)快速加速和爬坡的需求。此外，電機(jī)還需要具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在極端環(huán)境如高溫、潮濕等正常工作，并具有較高的制動(dòng)再生效率。新能源汽車電機(jī)應(yīng)盡可能簡單，成本低廉，以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，并且具有良好的可靠性和可操作性。

2 電機(jī)技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件(電池、電機(jī)、電控)之一，其驅(qū)動(dòng)特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測傳感器以及電源部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成框圖

2.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

新能源汽車發(fā)展前期，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是新一代汽車研發(fā)和生產(chǎn)制造的主要驅(qū)動(dòng)技術(shù)。當(dāng)晶閘管尚未發(fā)現(xiàn)時(shí)，人們只能通過機(jī)械手段來調(diào)控車輛的行駛速度，例如，通過調(diào)整蓄電池串聯(lián)的數(shù)量來控制電機(jī)電樞電壓。顯而易見，傳統(tǒng)的技術(shù)方法存在許多缺陷，效率低下、可靠性不佳，操作過程中還可能產(chǎn)生頓挫感，嚴(yán)重影響舒適度和安全。隨著晶閘管的順利開發(fā)，直流電機(jī)控制器一般采用晶閘管脈寬調(diào)制方式(PWM)，控制性能好，調(diào)速平滑度高，控制簡單，技術(shù)成熟，且成本較低。但它也存在一些不利因素，比如，效率較低、電刷、換向器等元件老化和損壞頻率較快，必須定期維護(hù)和更新，這大大增加了新能源汽車的使用成本，因此，新研制的車型基本不再采用。

2.3 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

開關(guān)磁阻電機(jī)是一款全新的電動(dòng)機(jī)，它的構(gòu)造比任何電動(dòng)機(jī)都簡潔，而且速度還能到達(dá)每分鐘15000轉(zhuǎn)，運(yùn)行效率高達(dá)90%，擁有優(yōu)異的扭矩和速度，起動(dòng)制動(dòng)性能好、可靠性高、成本低，但電機(jī)噪聲高，非線性嚴(yán)重，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)嚴(yán)重，用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)有利有弊，目前在電動(dòng)汽車中應(yīng)用較少。

2.4 交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

交流感應(yīng)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于新能源汽車進(jìn)行動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，使汽車能夠在高速行駛時(shí)保持穩(wěn)定的性能。把三相交流電輸入定子繞組中，通過定子繞組能夠在電流中產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，而在磁場的作用下又會(huì)推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩旋轉(zhuǎn)，而將這一力矩作用到機(jī)械齒輪中來達(dá)到提供汽車動(dòng)力的目的。此種結(jié)構(gòu)的電機(jī)能夠以更加簡單的方式實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，無論是使用過程中的成本維護(hù)還是后期的維修保養(yǎng)都相對來說比較簡單。缺點(diǎn)在于這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)往往會(huì)伴隨較高的能量消耗，對于速度的線性調(diào)整表現(xiàn)較差，另外，在高速行駛過程中還需配備相應(yīng)的散熱系統(tǒng)，而這部分往往會(huì)帶來較高的成本。現(xiàn)階段，交流電機(jī)大部分針對于空間使用充足且對于速度要求較低的客車或者物流車。

2.5 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

近年來，由于新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于新能源汽車的開發(fā)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中。它不但可以提高95%的效率，而且體積小巧，質(zhì)量輕，完全沒有了直流電動(dòng)機(jī)換向器和電刷的缺陷，也沒有了開關(guān)磁阻電機(jī)的噪聲和脈沖問題。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的新能源汽車品牌都開始使用永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)系統(tǒng)在新能源汽車中應(yīng)用主要分為永磁同步電機(jī)（正弦波）和永磁無刷直流電機(jī)（方波）兩大類，其轉(zhuǎn)子均由永磁材料制成，定子采用三相繞組，輸入調(diào)制方波產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場帶動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。永磁無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用全數(shù)字化和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，操作更加簡單，控制技術(shù)更加強(qiáng)大，應(yīng)用能量回饋制動(dòng)技術(shù)，減少了剎車片的磨損，又增加了汽車?yán)m(xù)駛里程。永磁同步電機(jī)具有高功率密度和寬調(diào)速范圍，有較大的轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)效率，且沒有勵(lì)磁損耗和散熱問題，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，體積比同功率的異步電機(jī)小。其缺點(diǎn)在于在使用過程中容易出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，目前還難以解決，且永磁同步電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)控制復(fù)雜，維護(hù)成本較高，這些影響其在新能源汽車中的使用。

3 電機(jī)在新能源汽車上的具體應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，電機(jī)在新能源汽車上的應(yīng)用越來越廣。電機(jī)已經(jīng)不僅僅應(yīng)用于新能源汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，還在汽車其他部件中也有很好地應(yīng)用。最常見的電機(jī)系統(tǒng)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、底盤電機(jī)系統(tǒng)和零件電機(jī)系統(tǒng)。

3.1 電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

新能源汽車與常規(guī)內(nèi)燃機(jī)車有著顯著的差別，它們采用潔凈的電力驅(qū)動(dòng)，而傳統(tǒng)汽車則使用不可再生資源，這些資源在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生一些危險(xiǎn)廢氣，對周圍環(huán)境產(chǎn)生重大污染。采用新能源汽車有助于改善生態(tài)環(huán)境，提升出行感受。目前，新能源汽車采用電動(dòng)機(jī)取代常規(guī)汽油機(jī)，使用潔凈資源作為動(dòng)力源，以電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)新能源汽車高效、快速、環(huán)保的行駛特性。電動(dòng)機(jī)能夠按照不同類型的新能源汽車裝配在不同位置，使用電力來取代常規(guī)的熱能驅(qū)動(dòng)汽車，從而實(shí)現(xiàn)更加環(huán)保的汽車運(yùn)行。

3.2 電機(jī)在底盤中的應(yīng)用

電機(jī)的特性，使其能夠在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之外的模塊中發(fā)揮更大的功用。例如，在底盤上，電機(jī)系統(tǒng)可以應(yīng)用于利用助力和轉(zhuǎn)向設(shè)備協(xié)助完成車輛轉(zhuǎn)向，也可以應(yīng)用于車輛防抱死系統(tǒng)。傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依賴于汽車的蓄電池來控制，這種方式既耗時(shí)又費(fèi)力，而且效果一般。然而，在新能源汽車中，為了簡化安裝并最大限度地利用系統(tǒng)動(dòng)力，采用微型控制器來管理發(fā)動(dòng)機(jī)提供周期內(nèi)的扭矩和電力，從而直接控制汽車底盤的轉(zhuǎn)向。電機(jī)系統(tǒng)是新能源汽車底盤防抱死系統(tǒng)的主要部件，它利用安裝在車輪上的傳感器來實(shí)時(shí)檢測車輪的狀態(tài)，并將信號傳輸?shù)狡嚳刂葡到y(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)智能化管理。電機(jī)系統(tǒng)在底盤中能夠提供優(yōu)質(zhì)的電力，以保證車輛行駛的安全性和可靠性。

3.3 電機(jī)在汽車零部件中的應(yīng)用

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展和安全、便捷的要求，電機(jī)技術(shù)在新能源汽車零部件中的應(yīng)用也越發(fā)廣泛，新能源汽車中各種傳統(tǒng)由人工控制的部件也開始趨近于智能化、自動(dòng)化，可通過一個(gè)完整的電力驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制。例如，可對新能源汽車后視鏡實(shí)行電動(dòng)收起和展開控制，可對汽車窗戶玻璃完成電動(dòng)升起和降落，對于汽車雨刷、車門鎖等部件都可以采取電機(jī)電動(dòng)控制。

4 新能源汽車電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 扁線電機(jī)滲透率將快速提升

扁線電機(jī)相較傳統(tǒng)圓線電機(jī)，大幅提高了功率密度，總銅耗明顯減少，效率也有所提升。扁線電機(jī)有效材料成本降低8%～12%，性能優(yōu)勢更加明顯。在此背景下，新能源汽車扁線電機(jī)滲透率加速提升，隨著越來越多的車企換裝扁線電機(jī)，行業(yè)企業(yè)也紛紛布局此領(lǐng)域，華域汽車等多家企業(yè)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)扁線電機(jī)。目前，扁線電機(jī)生產(chǎn)仍面臨著制造工序多且復(fù)雜、嚴(yán)重依賴高端設(shè)備、產(chǎn)線和設(shè)備投入較大等問題，未來在企業(yè)的發(fā)力下，扁線電機(jī)產(chǎn)品和工藝上將不斷取得突破，行業(yè)將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

4.2 集成化、智能化助力行業(yè)降本增效

隨著新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，降低成本、縮小體積、智能控制的需求更加強(qiáng)烈，促使行業(yè)向集成化、智能化方向發(fā)展。目前，市場上已發(fā)布的多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有三合一、四合一、六合一等等，但三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較為常見，通過將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、端蓋與減速器三個(gè)部件進(jìn)行兩位一體化或三位一體化設(shè)計(jì)，不僅可降低單體電機(jī)的金屬用量，減少成本支出，還可以縮小電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積，降低重量，增大車內(nèi)空間，滿足汽車輕量化要求，提升續(xù)航里程。同時(shí)，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能控制等方面提出了更高的要求。未來多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)將成為企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)，迎來更大的發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，新能源汽車具有非常廣闊的發(fā)展前景，是全世界都在進(jìn)行研究和發(fā)展的目標(biāo)。作為新能源汽車核心部件之一的電機(jī)，就需要我們不斷進(jìn)行研究，制造出轉(zhuǎn)矩性能高、安全可靠、輕量化、使用壽命長的電機(jī)，不斷發(fā)展電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成化、控制智能化，推進(jìn)電機(jī)技術(shù)在新能源汽車中更科學(xué)地應(yīng)用。