電動車驅動電機發展現狀

柴海波，鄢治國，況明偉，吳建東

(中國東方電氣集團有限公司，四川成都611731)

0 引 言

傳統的內燃機汽車排放大量的廢棄污染物。在我國城市大氣污染中，汽車尾氣排放所占的比例已經超過70%［1］。

石油是內燃機汽車的主要能源形式，但石油作為一種不可再生礦物資源，其存有量正在急劇減少。據美國能源部的調查報告顯示，假如石油的新發現及其消耗量遵循現在的趨勢，則全世界石油資源可應用至2038年［2］。目前，中國的汽車市場已躍居世界第一，并將在未來20年持續迅猛增長。中國的石油消費越來越多地依靠國外進口。工信部的統計數據顯示，2011年1月至5月，我國原油對外依存度達到55.2%，超過全球第一大能源消費國美國的53.5%。

在環境污染和能源短缺的壓力下，電動車以環境污染低和可持續的特點越來越受到重視，電動車已成為解決當今環保和能源等問題的研究熱點［3］。

根據能源與儲能源及不同的應用技術，電動車通?？煞譃榛旌蟿恿?、燃料電池汽車和純電動車三類，其中混合動力車又可分為微混合動力車、輕混合動力車、全混合動力車及插電式混合動力車［4］。近年來，作為電動車研究熱點之一的增程式電動車也屬于混合動力車的一種。

驅動電機系統是電動車的核心部件之一，高密度、高效率、寬調速的驅動電機系統已成為當前電動車領域的研究熱點。在對主要電動車驅動電機開發商及其典型產品進行調研與對比的基礎上，本文對電動車驅動電機系統的發展現狀及趨勢進行了總結與分析。

1 電動車驅動電機的特點與分類

電動車驅動電機系統主要應滿足以下性能要求［5-6］:

(1)良好的輸出特性。在起動和爬坡時，應具有較大的輸出轉矩;在巡航時，應具有較高的轉速;

(2)轉速范圍大、響應速度快;

(3)在較寬范圍內都具有高效率，能量回收效率高;

(4)機構堅固、重量輕。

直流電機、感應電機、永磁同步電機和開關磁阻電機是目前電動車驅動電機常用的電機類型。另外，以輪轂電機為代表的其他驅動電機系統也愈來愈引起人們的關注。電動車驅動電機分類如圖1所示［7］。

2 電動車驅動電機發展現狀

幾種常用的驅動電機性能比較如表1所示［8］。

圖1 電動車驅動電機分類

表1 電動車用電機驅動性能比較

2.1 直流電機

在過去幾十年中，直流電機曾普遍應用于電動車驅動系統中。表2所示為部分使用直流電機驅動的電動車。

表2 部分使用直流電機驅動的電動車

直流電機系統的重量大、效率低，而且電刷和滑環的存在，阻礙了其在電動車中的進一步應用［9］。隨著電力電子技術的發展和新材料的應用，直流電機驅動系統基本上已經被其他驅動電機系統所取代。

2.2 感應電機

感應電機具有簡單、可靠，轉矩脈動小和噪聲低等優點，被較早地應用于電動車驅動系統中。表3給出了部分采用感應電機驅動的電動車性能參數。圖2是對應的車型圖片。

表3 部分使用感應電機驅動的電動車

圖2 部分使用感應電機驅動的電動車

目前，國際上知名的電動車感應電機開發廠商包括AC Propulsion公司、BRUSA公司、Siemens等。國內較主要的有東方電氣東風電機和大連電機等。

(1)AC Propulsion公司

位于美國加利福尼亞的AC Propulsion公司是感應電機領域最知名的企業之一，其研發的感應電機驅動系統最高功率可達200 kW。AC Propulsion研發的TZERO技術獲得了多項專利，并為寶馬等多家知名汽車制造商提供完整的電機、電控產品及電動車系統技術。

AC Propulsion開發的典型感應電機產品有AC-75、AC-150和LCM-150等。

AC-75的額定轉矩為122N·m、峰值轉速13 000 r/min。AC-150的峰值轉矩超過225 N·m，額定功率為40 kW，第二代和第三代AC-150的峰值轉矩分別為220 N·m和225 N·m。

LCM-150采用油冷，峰值功率大于150 kW，峰值轉矩大于225 N·m，最高轉速為13 000 r/min。圖3為AC Propulsion公司部分典型產品。

圖3 AC Propulsion公司部分典型產品

(2)BRUSA公司

瑞士BRUSA公司主要生產電動車驅動電機系統及其他電動車產品。該公司典型的感應電機產品有 ASM1-6.17.12 和 ASM1-8.24.10 等。表 4 為ASM1-6.17.12 和 ASM1-8.24.10 的部分性能參數。

表4 ASM1-6.17.12 和 ASM1-8.24.10 部分性能參數

(3)Siemens公司

德國Siemens公司生產的ELFA驅動電機，已應用于全球多個城市的電動巴士。其中包括倫敦、漢堡和越南河內等。另外，Siemens生產的NEMA電機也可應用于電動車領域。圖4為Siemens公司在EVS25和EVS26展出的部分電機。

圖4 Siemens在EVS25和EVS26展出的部分電機

(4)東方電氣東風電機

東方電氣東風電機是東方電氣集團東風電機有限公司的簡稱，是國內較早從事電驅動研發的單位之一。

東方電氣東風電機的電動車感應電機種類較多，涵蓋多個功率等級。其研發的產品已成功應用于安凱汽車、鄭州日產、柳州五菱及陸地方舟等多家知名企業的電動車輛上。表5和圖5分別給出了東方電氣東風電機研發的部分感應電機參數和圖片。

表5 東方電氣東風電機研發的部分感應電機參數

圖5 東方電氣東風電機研發的感應電機

(5)大連電機

大連電機是大連電機集團有限公司的簡稱，是國內主要的電動車感應電機研發與制造單位之一。

大連電機研發的某兩款感應電機產品的部分參數如表6所示。

表6 大連電機研發的兩款感應電機部分參數

此外，湘潭電機、南車襄陽電機技術有限公司、深圳市大地和電氣有限公司和佳木斯電機股份有限公司等也都推出了電動車感應電機相關產品。

由于感應電機具有低價格、易維護、高可靠性等特點，因此其在電動車驅動領域被廣泛應用。但是，相較于永磁電機，感應電機的功率密度低和效率低等缺點，制約了其在部分電動車驅動領域的應用。另外，電動車感應電機的驅動控制，尤其是低速下的驅動控制一直是一個難點［10-11］。

2.3 永磁電機

由于永磁電機具有很高的功率密度和效率，并且散熱較好［12-13］。因此，永磁同步電機系統在電動車領域已經得到了大量應用 目前代表世界最先進技術水平的幾款電動車型，包括日產Leaf、豐田普銳斯等，均采用永磁電機驅動。表7和圖6分別給出了部分使用永磁電機驅動的電動車的參數和圖片。

表7 部分使用永磁同步電機驅動的電動車

圖6 部分使用永磁電機驅動的電動車

目前，國際上知名的電動車永磁電機開發廠商包括UQM公司、Remy公司、TM4公司、BOSCH公司和US Hybrid公司等。國內知名的開發廠商包括上海電驅動和精進電動等。

(1)UQM公司

美國UQM公司是世界知名的永磁電機系統開發商，其產品已經應用于日本Hino電動城市巴士、CODA公司生產的電動車和奧迪A1 E-Tron等。

UQM生產的永磁電機系統主要有PowerPhase Pro和PowerPhase Select兩種。表8和圖7分別為UQM公司的部分典型產品參數和圖片。

表8 UQM公司的部分典型產品參數

圖7 UQM公司的部分典型產品

(2)Remy公司

美國Remy公司是電動車驅動電機領域的領軍企業之一，其HVH系列電機是當前世界上最先進的驅動電機之一。目前Remy公司的客戶主要包括通用、戴姆勒和北美的大部分商用車廠家以及一汽大眾、江淮、長安等。表9和圖8分別為Remy公司部分典型產品的性能參數和產品示意圖。

表9 Remy公司部分典型產品的性能參數

圖8 Remy公司產品

(3)TM4公司

加拿大TM4公司主要從事高性能電機和控制系統的開發及其在新能源汽車和風能發電等領域的應用。

TM4公司的典型永磁電機產品包括MФTIVE A、MФTIVE B和 SUMΦ HD等，如圖 9所示。MФTIVE A的峰值速度為12 000 r/min，峰值轉矩170 N·m(@350 V)，峰值功率80 kW(@350 V)。MФTIVE B的峰值速度為12 500 r/min，峰值轉矩180 N·m(@320 V)。SUMΦ HD是9相直驅式電機，峰值轉矩為2 700 N·m，峰值功率為230 kW。MФTIVE A和MФTIVE B主要應用于乘用車，SUMΦ HD主要應用于公交車和重載卡車。

圖9 TM4公司的典型產品

TM4公司MФTIVE電機與Tata汽車的電動車產品配套，同時應用于Motive Industries的Kestrel中。另外，TM4公司的產品也被應用到Novabus、Wilhelm Karmann GmbH、Toronto Electric等公司的產品上。

(4)BOSCH公司

德國BOSCH公司是電動車驅動電機領域的領軍企業之一，其典型電驅動產品包括同軸式電機和分離式電機等。圖10為BOSCH公司在EVS26上展出的新一版永磁電機及控制器。

(5)US Hybrid公司

圖10 BOSCH在EVS26展出的電機及控制器

美國US Hybrid公司的主要業務之一是為純電動及混合動力汽車設計和制造電驅動系統。US Hybrid公司生產的永磁電機系統主要有永磁電機HPM450和HPM1000等。

HPM450的峰值轉矩為450 N·m，峰值功率為120 kW，峰值速度為4 500 r/min。HPM1000的峰值轉矩為1 200 N·m，峰值功率為120 kW，峰值速度為2 500 r/min。HPM450主要用于中型電動及混合車輛，HPM1000主要用于中型及重型電動及混合車輛。

(6)上海電驅動

上海電驅動有限公司是國內知名的電驅動產品開發商，其產品涵蓋客車、乘用車、微型電動車及工程車等多個車型的多個功率等級，客戶包括一汽集團、奇瑞、長安、華晨等眾多國內外知名企業。

表10和圖11所示為上海電驅動研發的某兩款永磁電機產品參數和圖片。

表10 上海電驅動研發的永磁電機產品參數

圖11 上海電驅動研發的永磁電機

(7)精進電動

精進電動科技(北京)有限公司是國內新能源汽車驅動電機系統的領軍企業之一，其主要研發方向之一是為新能源汽車研發與制造永磁電機系統，其產品多出口國外。圖12為精進電動研發的電動車用永磁同步電機產品。

圖12 精進電動研發的永磁同步電機

此外，奧地利AVL公司、美國Apex Drive Laboratories公司、美國Light Engineering公司、日本安川電機公司、上海大郡動力控制技術有限公司、株洲電力機車研究所、東方電氣東風電機及臥龍電氣等公司的永磁電機產品已經在國內外的電動車產品上得到應用。

但是，目前的永磁電機還存在一定的不足。當環境惡劣時，永磁材料可能會發生退磁現象，甚至會帶來嚴重的后果。同時，大功率的永磁電機系統的優化設計與制造，尚存一定的技術難度。此外，高成本也是制約永磁電機系統的一個重要因素。

2.4 開關磁阻電機

開關磁阻電機是一種單邊勵磁的雙凸極電機，具有結構簡單堅固、成本低、起動轉矩大和低速性能好等優點［15］。

由于開關磁阻電機的噪聲和振動較大的問題尚未完全解決［16-18］，因此開關磁阻電機在電動車領域的應用并不普遍。目前主要的應用包括克勞瑞德公司的“Lucas”電動車和武漢部分示范公交車等［19］。

在開關磁阻電機的開發方面，英國Nidec SR Drives公司和中紡銳力機電有限公司等居于領先地位。

英國Nidec SR Drives公司成立于1980年，主要研發和生產開關磁阻電機驅動產品。SR Drives公司的典型產品之一是其與比利時Green Propulsion公司合作開發的應用于乘用車的開關磁阻驅動電機。

中紡銳力機電有限公司是我國較早從事開關磁阻電機研發的單位之一。該公司的開關磁阻電機產品分別應用于武漢市示范公交車和北京奧運會混合動力公交車，綜合節油率分別達到25%和21%。目前，用作電動車驅動電機的開關磁阻電機所存在的問題和發展趨勢主要體現在以下兩個方面［20-22］:

(1)低噪聲設計。盡管開關磁阻電機驅動系統的噪聲研究大有進展，但其仍未達到一個令人滿意的水平;

(2)開關磁阻電機瞬時轉矩控制。開關磁阻電機瞬時轉矩控制是減少轉矩脈動和噪聲、提高電驅動系統動態性能最有效的手段，但在理論和應用方面還需要進一步研究和完善。

2.5 其他電機

近年來，隨著電動車愈來愈引起人們的關注，有別于傳統電驅動系統的其他新型電驅動系統也被研發出來，并被大量應用于電動車產品中，其中包括輪轂電機、軸向磁通電機和混合同步電機等等。

輪轂式電動車采用電子差速控制，省略了傳統的汽車部件，提高了傳動效率［23］。輪轂電機包括多種結構型式，如內轉子、外轉子和雙轉子等［24］。

早在上個世紀，眾多世界知名廠商開發并推出了輪轂電機及輪轂電機驅動的電動車。

自上世紀90年代起，日本慶應義塾大學的清水浩教授團隊相繼推出了IZA、ECO、KAZ和Eliica等輪轂電機驅動的電動車［25］。其中，Eliica采用8個輪轂電機直接驅動，0～60 km/h加速時間僅為4 s，最高車速達到370 km/h，在良好工況下甚至可以達到400 km/h。由清水浩教授參與組建的 SIMDRIVE公司于2011年推出了SIM-LEI輪轂式電動車，該車0～100 km/h加速時間為4.8 s，最高時速可達150 km/h。

米其林公司開發的Active Wheel輪轂電機已接近量產水平，其額定功率為30 kW，峰值功率為55 kW。采用Active Wheel的電動車Heuliez Will，峰值車速為150 km/h，90 km/h的穩定范圍內續航里程為320 km。

成立于1963年的美國Protean公司，主要研發輪轂電機。Protean公司的某款典型產品的峰值功率為81 kW，峰值轉矩為800 N·m，系統峰值效率為90%。

奇瑞汽車于2011年發布了搭載輪轂電機的瑞麒X1-EV電動車。該車采用四輪驅動，可以節省車載電池約30%的電量。

此外，TM4、通用、標致雪鐵龍、普利司通、三菱、豐田、本田和國內的比亞迪公司等眾多企業均推出了輪轂電機及輪轂式電動樣車。

但是，采用輪轂電機，電動車輛的非簧載質量明顯增加，降低了行駛的平穩性和操控性。另外，輪轂電機工作環境惡劣，在密封、散熱等方面也有較高要求。

軸向磁通電機和混合同步電機等為近年來推出的不同于傳統電機的電動車驅動產品。其中的典型產品有YASA MOTORS公司的軸向磁通電機YASA-250、YASA-400和 YASA-750，BRUSA 公司的混合同步電機 HSM1-6.17.12 和 HSM1-10.18.13 等。

3 結論及展望

隨著能源短缺和環境污染等問題的加劇，電動車已經成為解決能源和環保等突出問題的研究熱點。目前，電動車驅動電機正朝著小型化、高功率密度、高可靠性等方向發展。永磁電機已經成為目前應用于電動車的主要電驅動產品。同時，以輪轂電機為代表的其他電驅動產品也逐漸進入實用化階段。因此，我們應當把握歷史機遇，加大研發力度，在低碳經濟和后危機時代的世界汽車工業布局中占得先機。同時，希望綠色交通技術穩步前進，真正實現人與自然的和諧發展，造福人類。

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