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淺析新能源汽車驅動電機
2020-04-02 08:16:39· 來源：EDC電驅未來
史智理 前天點擊上方右側EDC電驅未來可訂閱哦！下載方式，詳見文末?。?！1 驅動電機基本特性驅動電機：被應用在電動汽車上，用來驅動車輪進行運動的電機?；驹?/div> 
驅動電機：被應用在電動汽車上，用來驅動車輪進行運動的電機。基本原理是通過電磁感應，實現機電能量轉換或傳遞。
為滿足汽車行駛時的舒適性、經濟性、動力性、續(xù)航里程及性價比等性能要求，車輛用電動機與工業(yè)用電動機有著顯著的區(qū)別，具體如下：
表1 車輛用電動機與工業(yè)用電動機區(qū)別
（1）體積小，質量輕。功率轉矩密度大
轉矩密度、功率密度分別是指最大轉矩體積比和最大功率體積比。在滿足機械強度的基礎上，應盡可能采取鋁合金等輕量化材料，以減少自重；控制器等元件也應該盡可能集成，以減少體積。
（2）效率高，高效區(qū)域廣
單次充電后應有較高的行駛里程，且在整個行駛過程當中能適應較復雜路況及行駛方式，并且在較低負荷時也應具有較高的工作效率，即高效工作區(qū)域應該較寬廣。
（3）具有較大的起動轉矩以及較寬廣的調速范圍
為了適應車輛頻繁的起動、加速、勻速行駛、減速、負載、負載爬坡、超車、剎車等復合工況所需要的轉矩和功率，以減輕駕駛員的人工作業(yè)強度，提升駕駛作業(yè)的舒適性，并且達到與內燃機汽車具有同樣的控制響應性能，因此，電動機必須具備自動調速特性。
（4）高安全性
為了減小高壓部分的工作電流，減小電機和導線尺寸，降低逆變器的成本并提高能量轉換效率，在國標允許的安全范圍內，應該盡可能做到采用高壓電進行輸出，因此，驅動電機和電池的工作電壓相對較高。
（5）能量轉化
能夠將電能轉化成機械能，也可對機械能進行回收再利用，并將其轉化為電能。
2 驅動電機分類
目前常用的電機為無刷直流電動機、永磁同步電動機、鼠籠式異步電動機、開關磁阻電機。常見四種電機性能對比如表2所示。
綜合各項對比，目前交流感應電機和永磁同步電機在電動車上的應用較為廣泛。下面著重論述永磁同步電機。
3 永磁同步電機構造
由永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的同步電機被稱為永磁同步電機。永磁體作為轉子部分來產生旋轉磁場，而三相定子繞組在旋轉磁場的作用下通過電樞反應，感應來產生三相對稱電流。將轉子的機械能（動能）轉化為電能，永磁同步電機被當做發(fā)電機（G）來使用；由于三相定子在空間位置上相差120，當在定子側輸入三相對稱電流時，三相定子電流會在空間中產生旋轉的磁場，轉子在旋轉的磁場中受到了電磁力作用產生運動，此時電能被轉化為動能，永磁同步電機可作電動機（M）使用。
表2 常見四種電機性能對比表
定子：定子主要由鐵心、線圈組成；定子鐵心由沖片疊壓而成；漆包線繞制成線圈，嵌入鐵心槽內，再進行絕緣處理；將絕緣處理后的鐵心套入機殼得到定子。
轉子：轉子由鐵心、磁鋼、軸壓裝而成。
磁鋼（NdFeB）：電機磁通由磁鋼提供，對電機性能影響最大；釹鐵硼磁體由粉末冶金法制成，是目前磁性能最高的磁性材料；優(yōu)點是高抗退磁性、高性價比，其缺點是溫度依賴性比較強，耐腐蝕性能比較弱，需適當涂層或電鍍處理。
機座：由于電機功率大、體積小，因此發(fā)熱量大，為便于散熱，機座內含冷卻水道。常見水道形式如下：
（1）軸向水道（Z字型）
冷卻水道拐彎處180度的方向很容易造成較大的能量損失，需要提供較大的入口水壓。
（2）周向水道（螺旋管型）
為了使得電機的進出口端溫度產生溫度梯度，形成溫度差，一般會將冷卻水的進水口和出水口設計在電機的左右兩端。
沖片：汽車電機的轉速范圍寬，由于定子鐵芯中磁通的變化率與電機的轉速成正比，鐵芯中磁場交變頻率較高，而單位損耗與頻率的1.3~1.5次方成比例。由于需保持高功率密度，鐵芯中的磁通密度相同，電機高速電機的單位鐵耗將劇増。為降低鐵耗需采用低損耗的鐵芯材料。
4 電機控制系統(tǒng)
電機驅動系統(tǒng)的主要特點及其功能介紹:
（1）作為電動汽車的三大核心部件之一，電機驅動系統(tǒng)是車輛行駛的主要執(zhí)行機構，對車輛的主要性能指標起決定性作用，電機驅動系統(tǒng)直接影響車輛的舒適性、動力性和經濟性。
（2）采用三相交流永磁電動機(DM)、電機控制器(MCU)可調整輸出電流和電動機轉速，電機和電機控制器采用水冷方式防止溫度過高。
（3）整車控制器（VCU）要能夠根據駕駛員的意圖來發(fā)出各種操作指令，電機控制器完成響應并進行反饋，以便于實時調整驅動電機輸出，實現整車的各項驅動功能。
電機控制器（MCU）主要功能如下：
1）怠速行駛（蠕行）
2）控制電機正轉（前進）
3）控制電機反轉（倒車）
4）能量回收（交流轉換直流）
對驅動電機系統(tǒng)實時進行狀態(tài)和故障檢測并進行通信和保護以及故障反饋，是電機控制器的另一重要功能。
5 驅動電機發(fā)展趨勢
5.1 集成化
在電機方面：電機與發(fā)動機、變速器總成以及控制器等均可進行最大程度的集成。
在控制器方面：會推出越來越多的電力電子總成（控制器、功率器件、傳感器、電源等），這也是未來批量化、通用化、模塊化發(fā)展的趨勢所在。
5.2 永磁化
采用矢量控制的驅動控制系統(tǒng)以便實現更加寬廣的調速范圍。永磁電機具有轉矩密度和功率密度高、比功率較大、效率高、功率因數高、可靠性高和便于維護的優(yōu)點。永磁化將成為電機發(fā)展的重要方向之一。
5.3 數字化
最大程度的使用軟件來代替硬件部分，實現通訊、診斷、保護、監(jiān)控等功能，控制系統(tǒng)數字化是電機驅動技術發(fā)展的必然趨勢。
6 國內外驅動電機技術水平
整體來看，我國驅動電機取得較大進展，已經自主開發(fā)出滿足各類新能源汽車需求的產品，部分主要性能指標已達到相同功率等級的國際先進水平。但是在峰值轉速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距
在技術指標方面，國內電機與國外電機相比尚存在以下幾方面的差距：
① 峰值轉速
峰值轉速是驅動電機的重要指標，也是目前國內驅動電機較之國外電機差距最為明顯的指標。國內絕大部分永磁同步電機的峰值轉速在 10000 rpm 以下，而國外基本在10000 rpm 以上。
② 功率密度
雖然國內電機在功率方面基本能夠達到國際水平，但是在同功率條件下存在重量劣勢，因此功率密度較之國際水平存在較大差距。目前，國內的永磁同步電機功率密度多處于 1～2 kw/kg 區(qū)間內，與 2020 年 3.5 kw/kg 的目標值存在較大差距。
③ 效率
在電機效率方面，國內電機的最高效率均達到 94%～96%，已達到西門子、Remy 等企業(yè)的水平。但是在高效區(qū)面積方面，如系統(tǒng)效率大于 80% 的區(qū)域占比方面尚存在一定差距。我國電機的高效區(qū)面積占比集中在 70%～75%，而國外電機基本達到 80%。
④ 冷卻方式
電機的冷卻方式已經從自然冷卻逐步發(fā)展為水冷，目前國內電機企業(yè)采用水冷為主，國外先進的電機企業(yè)已經發(fā)展到油冷電機。國內部分電機企業(yè)也研發(fā)出油冷電機，如精進等，使電機的冷卻效率得到進一步提升。
永磁同步電機的發(fā)展瓶頸
當前因純電動乘用車以永磁同步電機為主要技術路線，故如何進一步提升其性能成為行業(yè)重點問題。目前，永磁同步電機面臨以下幾方面的技術難點：
① 功率密度
功率的提升有兩種途徑，一種是提高扭矩，另一種是提高轉速。前者主要問題是過載電流加大，造成發(fā)熱量高，給散熱造成較大壓力；后者是高速時鐵磁損耗大，需采用高性能低飽和硅鋼片，從而使成本提高；或采用復雜的轉子結構，但影響功率密度。
② 材料方面
永磁材料也是制約永磁同步電機性能提升的重要因素，目前常用的永磁材料釹鐵硼主要存在溫度穩(wěn)定性差、不可逆損失和溫度系數較高以及高溫下磁性能損失嚴重等缺點，從而影響電機性能。
③ 生產工藝
永磁同步電機在生產工藝方面的難點是制約大規(guī)模配套乘用車的重要因素。因為永磁同步電機生產企業(yè)缺乏產業(yè)化的積累，國內企業(yè)生產不良率較高，無法達到乘用車企業(yè)的不良率要求，尤其是隨著純電動乘用車市場規(guī)模的擴大，十萬級的年產量給永磁同步電機帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
輪轂電機的發(fā)展
① 技術現狀
輪轂電機最早于 1900 年由保時捷搭載到純電動汽車上，經過 100 多年的發(fā)展，不僅眾多美系、日系主機廠增加對輪轂電機的開發(fā)，電機公司（如英國 Protean 公司、法國 TM4 公司等）和輪胎企業(yè)（米其林公司、普利司通公司）也開發(fā)出輪轂電機產品。國內方面，萬安科技與英國 Protean 合資、亞太股份與斯洛文尼亞輪轂電機公司合資開發(fā)輪轂電機產品。國內外主要輪轂電機產品及其參數如表 3 所示。
② 優(yōu)缺點分析
從整體來看，永磁同步電機在輪轂電機上應用較為廣泛。近年來，國內外的整車及零部件企業(yè)進行了很多輪轂電機驅動純電動和混合動力乘用車的嘗試，經比較可知輪轂電機的優(yōu)缺點如表 4 所示。
③ 性能提升對策
輪轂電機在性能上面臨的主要問題是簧下質量的提升對舒適性和操控性的影響；與輪轂集成后的散熱問題和制動能量回收問題，以及隨之而來的防震、防水和防塵等。主要提升的技術手段及對策如表 5 所示。
1 驅動電機基本特性
驅動電機：被應用在電動汽車上，用來驅動車輪進行運動的電機。基本原理是通過電磁感應，實現機電能量轉換或傳遞。
為滿足汽車行駛時的舒適性、經濟性、動力性、續(xù)航里程及性價比等性能要求，車輛用電動機與工業(yè)用電動機有著顯著的區(qū)別，具體如下：
表1 車輛用電動機與工業(yè)用電動機區(qū)別
因此車用電機的基本特性如下：
（1）體積小，質量輕。功率轉矩密度大
轉矩密度、功率密度分別是指最大轉矩體積比和最大功率體積比。在滿足機械強度的基礎上，應盡可能采取鋁合金等輕量化材料，以減少自重；控制器等元件也應該盡可能集成，以減少體積。
（2）效率高，高效區(qū)域廣
單次充電后應有較高的行駛里程，且在整個行駛過程當中能適應較復雜路況及行駛方式，并且在較低負荷時也應具有較高的工作效率，即高效工作區(qū)域應該較寬廣。
（3）具有較大的起動轉矩以及較寬廣的調速范圍
為了適應車輛頻繁的起動、加速、勻速行駛、減速、負載、負載爬坡、超車、剎車等復合工況所需要的轉矩和功率，以減輕駕駛員的人工作業(yè)強度，提升駕駛作業(yè)的舒適性，并且達到與內燃機汽車具有同樣的控制響應性能，因此，電動機必須具備自動調速特性。
（4）高安全性
為了減小高壓部分的工作電流，減小電機和導線尺寸，降低逆變器的成本并提高能量轉換效率，在國標允許的安全范圍內，應該盡可能做到采用高壓電進行輸出，因此，驅動電機和電池的工作電壓相對較高。
（5）能量轉化
能夠將電能轉化成機械能，也可對機械能進行回收再利用，并將其轉化為電能。
2 驅動電機分類
圖1 驅動電機分類
目前常用的電機為無刷直流電動機、永磁同步電動機、鼠籠式異步電動機、開關磁阻電機。常見四種電機性能對比如表2所示。
綜合各項對比，目前交流感應電機和永磁同步電機在電動車上的應用較為廣泛。下面著重論述永磁同步電機。
3 永磁同步電機構造
由永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的同步電機被稱為永磁同步電機。永磁體作為轉子部分來產生旋轉磁場，而三相定子繞組在旋轉磁場的作用下通過電樞反應，感應來產生三相對稱電流。將轉子的機械能（動能）轉化為電能，永磁同步電機被當做發(fā)電機（G）來使用；由于三相定子在空間位置上相差120，當在定子側輸入三相對稱電流時，三相定子電流會在空間中產生旋轉的磁場，轉子在旋轉的磁場中受到了電磁力作用產生運動，此時電能被轉化為動能，永磁同步電機可作電動機（M）使用。
表2 常見四種電機性能對比表
一般將定子、轉子、端蓋以及各傳感器等部件進行分裝，形成永磁同步電機。永磁同步電機的定子結構與一般普通的感應電機的結構極為相似，但永磁同步電機的轉子部分與其它電機有著極為明顯的差異——在轉子上有質量較為優(yōu)良的永磁體磁極。根據永磁體在轉子上的安放位置的不同，永磁同步電機一般分為三大類：面貼式、內嵌式和插入式。
定子：定子主要由鐵心、線圈組成；定子鐵心由沖片疊壓而成；漆包線繞制成線圈，嵌入鐵心槽內，再進行絕緣處理；將絕緣處理后的鐵心套入機殼得到定子。
轉子：轉子由鐵心、磁鋼、軸壓裝而成。
圖2 永磁同步電機構造
磁鋼（NdFeB）：電機磁通由磁鋼提供，對電機性能影響最大；釹鐵硼磁體由粉末冶金法制成，是目前磁性能最高的磁性材料；優(yōu)點是高抗退磁性、高性價比，其缺點是溫度依賴性比較強，耐腐蝕性能比較弱，需適當涂層或電鍍處理。
機座：由于電機功率大、體積小，因此發(fā)熱量大，為便于散熱，機座內含冷卻水道。常見水道形式如下：
（1）軸向水道（Z字型）
冷卻水道拐彎處180度的方向很容易造成較大的能量損失，需要提供較大的入口水壓。
（2）周向水道（螺旋管型）
為了使得電機的進出口端溫度產生溫度梯度，形成溫度差，一般會將冷卻水的進水口和出水口設計在電機的左右兩端。
圖3 機座冷卻水道形式
沖片：汽車電機的轉速范圍寬，由于定子鐵芯中磁通的變化率與電機的轉速成正比，鐵芯中磁場交變頻率較高，而單位損耗與頻率的1.3~1.5次方成比例。由于需保持高功率密度，鐵芯中的磁通密度相同，電機高速電機的單位鐵耗將劇増。為降低鐵耗需采用低損耗的鐵芯材料。
4 電機控制系統(tǒng)
電機驅動系統(tǒng)的主要特點及其功能介紹:
（1）作為電動汽車的三大核心部件之一，電機驅動系統(tǒng)是車輛行駛的主要執(zhí)行機構，對車輛的主要性能指標起決定性作用，電機驅動系統(tǒng)直接影響車輛的舒適性、動力性和經濟性。
（2）采用三相交流永磁電動機(DM)、電機控制器(MCU)可調整輸出電流和電動機轉速，電機和電機控制器采用水冷方式防止溫度過高。
（3）整車控制器（VCU）要能夠根據駕駛員的意圖來發(fā)出各種操作指令，電機控制器完成響應并進行反饋，以便于實時調整驅動電機輸出，實現整車的各項驅動功能。
電機控制器（MCU）主要功能如下：
1）怠速行駛（蠕行）
2）控制電機正轉（前進）
3）控制電機反轉（倒車）
4）能量回收（交流轉換直流）
對驅動電機系統(tǒng)實時進行狀態(tài)和故障檢測并進行通信和保護以及故障反饋，是電機控制器的另一重要功能。
5 驅動電機發(fā)展趨勢
5.1 集成化
在電機方面：電機與發(fā)動機、變速器總成以及控制器等均可進行最大程度的集成。
在控制器方面：會推出越來越多的電力電子總成（控制器、功率器件、傳感器、電源等），這也是未來批量化、通用化、模塊化發(fā)展的趨勢所在。
5.2 永磁化
采用矢量控制的驅動控制系統(tǒng)以便實現更加寬廣的調速范圍。永磁電機具有轉矩密度和功率密度高、比功率較大、效率高、功率因數高、可靠性高和便于維護的優(yōu)點。永磁化將成為電機發(fā)展的重要方向之一。
5.3 數字化
最大程度的使用軟件來代替硬件部分，實現通訊、診斷、保護、監(jiān)控等功能，控制系統(tǒng)數字化是電機驅動技術發(fā)展的必然趨勢。
6 國內外驅動電機技術水平
整體來看，我國驅動電機取得較大進展，已經自主開發(fā)出滿足各類新能源汽車需求的產品，部分主要性能指標已達到相同功率等級的國際先進水平。但是在峰值轉速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距
表2 國內外驅動電機企業(yè)的永磁同步電機參數比較
在技術指標方面，國內電機與國外電機相比尚存在以下幾方面的差距：
① 峰值轉速
峰值轉速是驅動電機的重要指標，也是目前國內驅動電機較之國外電機差距最為明顯的指標。國內絕大部分永磁同步電機的峰值轉速在 10000 rpm 以下，而國外基本在10000 rpm 以上。
② 功率密度
雖然國內電機在功率方面基本能夠達到國際水平，但是在同功率條件下存在重量劣勢，因此功率密度較之國際水平存在較大差距。目前，國內的永磁同步電機功率密度多處于 1～2 kw/kg 區(qū)間內，與 2020 年 3.5 kw/kg 的目標值存在較大差距。
③ 效率
在電機效率方面，國內電機的最高效率均達到 94%～96%，已達到西門子、Remy 等企業(yè)的水平。但是在高效區(qū)面積方面，如系統(tǒng)效率大于 80% 的區(qū)域占比方面尚存在一定差距。我國電機的高效區(qū)面積占比集中在 70%～75%，而國外電機基本達到 80%。
④ 冷卻方式
電機的冷卻方式已經從自然冷卻逐步發(fā)展為水冷，目前國內電機企業(yè)采用水冷為主，國外先進的電機企業(yè)已經發(fā)展到油冷電機。國內部分電機企業(yè)也研發(fā)出油冷電機，如精進等，使電機的冷卻效率得到進一步提升。
永磁同步電機的發(fā)展瓶頸
當前因純電動乘用車以永磁同步電機為主要技術路線，故如何進一步提升其性能成為行業(yè)重點問題。目前，永磁同步電機面臨以下幾方面的技術難點：
① 功率密度
功率的提升有兩種途徑，一種是提高扭矩，另一種是提高轉速。前者主要問題是過載電流加大，造成發(fā)熱量高，給散熱造成較大壓力；后者是高速時鐵磁損耗大，需采用高性能低飽和硅鋼片，從而使成本提高；或采用復雜的轉子結構，但影響功率密度。
② 材料方面
永磁材料也是制約永磁同步電機性能提升的重要因素，目前常用的永磁材料釹鐵硼主要存在溫度穩(wěn)定性差、不可逆損失和溫度系數較高以及高溫下磁性能損失嚴重等缺點，從而影響電機性能。
③ 生產工藝
永磁同步電機在生產工藝方面的難點是制約大規(guī)模配套乘用車的重要因素。因為永磁同步電機生產企業(yè)缺乏產業(yè)化的積累，國內企業(yè)生產不良率較高，無法達到乘用車企業(yè)的不良率要求，尤其是隨著純電動乘用車市場規(guī)模的擴大，十萬級的年產量給永磁同步電機帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
輪轂電機的發(fā)展
① 技術現狀
輪轂電機最早于 1900 年由保時捷搭載到純電動汽車上，經過 100 多年的發(fā)展，不僅眾多美系、日系主機廠增加對輪轂電機的開發(fā)，電機公司（如英國 Protean 公司、法國 TM4 公司等）和輪胎企業(yè)（米其林公司、普利司通公司）也開發(fā)出輪轂電機產品。國內方面，萬安科技與英國 Protean 合資、亞太股份與斯洛文尼亞輪轂電機公司合資開發(fā)輪轂電機產品。國內外主要輪轂電機產品及其參數如表 3 所示。
表3 國內外主要輪轂電機產品及參數
② 優(yōu)缺點分析
從整體來看，永磁同步電機在輪轂電機上應用較為廣泛。近年來，國內外的整車及零部件企業(yè)進行了很多輪轂電機驅動純電動和混合動力乘用車的嘗試，經比較可知輪轂電機的優(yōu)缺點如表 4 所示。
表4 輪轂電機優(yōu)缺點分析
③ 性能提升對策
輪轂電機在性能上面臨的主要問題是簧下質量的提升對舒適性和操控性的影響；與輪轂集成后的散熱問題和制動能量回收問題，以及隨之而來的防震、防水和防塵等。主要提升的技術手段及對策如表 5 所示。
表5 輪轂電機性能提升對策
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