淺析新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)

淺析新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，我國(guó)機(jī)動(dòng)車的保有量現(xiàn)已達(dá)到了3億多輛，其中燃油車占據(jù)了很大一部分，這就出現(xiàn)了一系列問(wèn)題，包括停車難、交通擁堵、事故率升高、環(huán)境問(wèn)題、能源問(wèn)題等等，前三個(gè)問(wèn)題隨著汽車的交通優(yōu)化、AI智能加持和安全性提高會(huì)不斷改善，但汽車發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題、能源消耗尤為棘手，更是全球所有國(guó)家面臨的難題。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及分類驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)中汽協(xié)發(fā)布的產(chǎn)銷數(shù)據(jù)，2017年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷分別為79.4萬(wàn)輛和77.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)分別為53.8%和53.3%，產(chǎn)銷量連續(xù)三年位居全球第一。從行業(yè)配套來(lái)看，新能源乘用車主要使用的是永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)。其中，永磁同步電機(jī)得益于節(jié)能、效率、輕量化等優(yōu)勢(shì)，使用最多，但由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且需要使用昂貴的稀土永磁材料，如釹鐵硼等，因此出于成本、可靠性等因素考慮，部分車系采用交流異步電機(jī)。我國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)已經(jīng)自主開(kāi)發(fā)出滿足各類新能源汽車的產(chǎn)品，部分主要性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但是在峰值轉(zhuǎn)速、功率密度及效率方面與國(guó)外仍存在一定的差距。峰值轉(zhuǎn)速是電機(jī)的重要指標(biāo)，也是目前國(guó)內(nèi)電機(jī)較之國(guó)外差距最明顯的指標(biāo)。國(guó)內(nèi)絕大部分永磁同步電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速在*****rpm以下，而國(guó)外基本在*****rpm以上。國(guó)內(nèi)電機(jī)在功率方面基本能夠達(dá)到國(guó)際水平，但是在同功率條件下存在重量劣勢(shì)，因此功率密度存在較大差距。國(guó)內(nèi)的永磁同步電機(jī)功率密度多在(1?2)kw/kg區(qū)間內(nèi)，與2020年3.5kw/kg的目標(biāo)值存在較大差距。在電機(jī)效率方面，國(guó)內(nèi)電機(jī)的最高效率均達(dá)到94%?96%,已達(dá)到西門(mén)子、博世等企業(yè)的水平，但是在高效區(qū)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(guó)電機(jī)的高效區(qū)占比集中在70%?75%,而國(guó)外電機(jī)基本達(dá)到80%。另外，電機(jī)的冷卻方式已經(jīng)從自然冷卻逐步發(fā)展為水冷，國(guó)內(nèi)電機(jī)采用水冷為主，國(guó)外先進(jìn)的電機(jī)已經(jīng)發(fā)展到油冷電機(jī)。由我國(guó)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》分析，驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：集成化--與整車的電子控制器的集成和機(jī)電耦合的集成;高效化--提高功率密度并降低成本;智能化--與整車傳感器、控制器配合不斷提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要分類驅(qū)動(dòng)電機(jī)歷史悠久，在1885年被美國(guó)的尼古拉?特斯拉申言青了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)專利，之后不斷衍生出各式各樣的電動(dòng)機(jī)，被各行各業(yè)所廣泛使用。下面，按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源對(duì)其進(jìn)行分類：從圖1可見(jiàn)，電機(jī)的種類繁多，每個(gè)電機(jī)都有自己的特點(diǎn)。結(jié)合市場(chǎng)，簡(jiǎn)單比較主流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能，如下表：上表的經(jīng)驗(yàn)性統(tǒng)計(jì)，結(jié)合新能源汽車復(fù)雜的工況：頻繁停車啟動(dòng)、加速減速、負(fù)載爬坡、持續(xù)高速、低速蠕動(dòng)等分析，交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)在尺寸、質(zhì)量、功率密度、效率等優(yōu)勢(shì)明顯，因此逐漸成為新能源汽車的主流選擇。新能源汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求以內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力的汽車早在19世紀(jì)就開(kāi)始了較量，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展優(yōu)化、競(jìng)爭(zhēng)，電動(dòng)車因充電慢，續(xù)航短等劣勢(shì)成為小眾車型，而內(nèi)燃機(jī)最終以其穩(wěn)定、可靠、加油方便等優(yōu)勢(shì)稱霸全球。發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)同為汽車的核心動(dòng)力，為汽車提供驅(qū)動(dòng)力，有相似必然也有不同之處，下面分析兩者的主要差異。發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要差異對(duì)比分析（1）結(jié)構(gòu)對(duì)比。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、燃油供給機(jī)構(gòu)、冷卻機(jī)構(gòu)、啟動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造、工藝要求、成本等較高。重量、體積均較大。驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由轉(zhuǎn)子、定子、殼體、冷卻系統(tǒng)等組成，部件較少，制造簡(jiǎn)單，成本較低。整車使用過(guò)程中電機(jī)基本上免維護(hù)。（2）標(biāo)定控制和耗能對(duì)比。發(fā)動(dòng)機(jī)需要配合變速箱來(lái)達(dá)到變速變扭的目的，因此標(biāo)定控制必須結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱匹配，標(biāo)定流程非常復(fù)雜，需要同時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱配置控制器。而驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于其特殊的性能，僅需一臺(tái)單級(jí)減速器來(lái)減速增扭即可，只需要為電機(jī)配置一臺(tái)控制器，標(biāo)定也較發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單很多。發(fā)動(dòng)機(jī)主要以汽油和柴油等有限的石化資源燃燒產(chǎn)生熱能，再轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，熱效率較低，最高僅40%。整個(gè)過(guò)程熱能損失、機(jī)械損失較大，產(chǎn)生的廢氣污染環(huán)境。驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要由電池供電，電能的獲取方式非常多，可以從風(fēng)能、核能、地?zé)岬瓤沙掷m(xù)資源獲取。電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，效率普遍在90%左右，且零排放、無(wú)污染。（3）性能對(duì)比。對(duì)于一輛汽車來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩和功率是動(dòng)力性能至關(guān)重要的兩個(gè)參數(shù)。扭矩表示從動(dòng)力源輸出端輸出的力矩，功率是指動(dòng)力源單位時(shí)間內(nèi)做功的快慢，兩者決定了一輛汽車的加速性能、爬坡性能等。如上圖所示，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和驅(qū)動(dòng)特性的對(duì)比可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)幾乎在啟動(dòng)之際即達(dá)到最大扭矩，低扭性能強(qiáng)勁，且調(diào)速范圍較寬。而發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩必須配合復(fù)雜的變速器，在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。另外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速狀態(tài)下的恒功率轉(zhuǎn)速范圍較為寬范，且效率大概在90%，遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。運(yùn)行時(shí)，電機(jī)在噪聲方面的優(yōu)勢(shì)也遠(yuǎn)優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)。新能源汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求（1）重量輕、體積小。新能源汽車輕量化和有效空間的需求使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)在達(dá)到要求的同時(shí)必須質(zhì)量輕、體積小，降低整車整備質(zhì)量，為汽車動(dòng)力性和續(xù)航做貢獻(xiàn)。（2）長(zhǎng)壽命、高可靠性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為汽車的核心部件，防塵、防水、防震等性能的要求必須符合要求，壽命及可靠性必須和整車一樣，在整個(gè)汽車的生命周期基本不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。（3）高耐壓性。在允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能采用高電壓，可以減小電動(dòng)機(jī)的尺寸和導(dǎo)線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。（4）整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍的高效率。為了保證續(xù)駛里程長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍盡可能高效率運(yùn)行，特別是路況復(fù)雜以及行駛方式頻繁改變時(shí)，低負(fù)荷運(yùn)行也應(yīng)該具有較高的效率。（5）低速大扭矩特性和較寬范圍的恒功率特性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有汽車行駛所需要的轉(zhuǎn)矩特性，滿足汽車啟動(dòng)、加速、行駛、減速、制動(dòng)等所需的功率及轉(zhuǎn)矩。如下圖所示轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性圖。（6）電器系統(tǒng)的安全性。目前，市場(chǎng)上新能源汽車的工作電壓基本上在300V以上，對(duì)電氣系統(tǒng)包括電機(jī)的安全性，都必須符合相關(guān)車輛電氣控制的安全性能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。主流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的簡(jiǎn)要論述目前，新能源汽車領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本被永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)“壟斷”，下面簡(jiǎn)要論述兩種電機(jī)的構(gòu)造、原理和特點(diǎn)。永磁同步電機(jī)我國(guó)在稀土資源方面優(yōu)勢(shì)明顯，結(jié)合各個(gè)方面的因素，從節(jié)能、成本、性能等角度考慮，未來(lái)永磁同步重機(jī)將是乘用車領(lǐng)域的絕對(duì)主力。（1）基本構(gòu)造。永磁同步電機(jī)主要由端蓋、殼體、定子和轉(zhuǎn)子等組成，最核心的為嵌入或貼入永磁體磁極的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體多采用一種名為釹鐵硼的稀土類磁鐵。（2）基本原理。永磁同步電機(jī)的定子部分通入由逆變器調(diào)制的三相交流電后，定子電樞產(chǎn)生空間磁場(chǎng)，它與永磁體轉(zhuǎn)子（磁極固定）相互作用，通過(guò)同性相斥異性相吸的原理，產(chǎn)生與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同的電磁轉(zhuǎn)矩輸出，即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，稱為“同步”。當(dāng)輸出的轉(zhuǎn)矩超過(guò)轉(zhuǎn)子的摩擦轉(zhuǎn)矩以及由于永磁體的阻尼轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)便開(kāi)始向外做功，克服汽車的滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力等，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。（3）基本特點(diǎn)。永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)主要有節(jié)能、功率密度大、效率高、尺寸小、重量輕等。缺點(diǎn)主要是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高，存在高溫退磁的風(fēng)險(xiǎn)，在弱磁方面的控制較難。交流異步電機(jī)三相交流異步電機(jī)是目前較為成熟的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也被稱為感應(yīng)電機(jī)，國(guó)外著名的特斯拉ModelS和國(guó)內(nèi)的蔚來(lái)ES8出于成本、控制等因素都采用了此類電機(jī)。（1）基本構(gòu)造。交流異步電機(jī)的構(gòu)造和永磁電機(jī)大致相同，也是由端蓋、殼體、定子和轉(zhuǎn)子組成，不同的是轉(zhuǎn)子部分，無(wú)永磁體，主要分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。（2）基本原理。異步電機(jī)的三相定子繞組通入交流電，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，從而使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路，轉(zhuǎn)子中便產(chǎn)生電流，方向和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同，而載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下將產(chǎn)生電磁力，由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，克服阻力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車行駛。（3）基本特點(diǎn)。異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要有控制技術(shù)成熟、成本低、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)主要是有勵(lì)磁損失，能耗較大，低速啟動(dòng)性差，輕載時(shí)效率低，相對(duì)永磁電機(jī)在節(jié)能、效率方面不足。綜上分析，在國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能，新能源汽車高續(xù)航，車型輕量化的大前提下，永磁同步電機(jī)在這發(fā)面