純電動(dòng)汽車電機(jī)選型問題的探討

潘慧寬

摘要：驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車最核心部件之一，它的選型對于電動(dòng)汽車而言非常重要。本文將從電機(jī)類型、功率、效率、可靠性、工藝難度、成本等方面來考慮，并依據(jù)市場現(xiàn)有市場狀況，充分討論電動(dòng)汽車電機(jī)的選型問題，可用于相關(guān)企業(yè)在根據(jù)自己需求選擇電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)參考。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車：電動(dòng)機(jī)；永磁同步電機(jī)

中國大力發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)對于汽車行業(yè)而言，傳統(tǒng)汽車行業(yè)落后于歐美國家，但新能源汽車方面，大有彎道超車的趨勢。作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)的研究具有極其重要的位置，不同的電機(jī)決定電動(dòng)汽車不同的性能，直接影響用戶的駕駛體驗(yàn)。所以，對于電動(dòng)汽車，選擇合適的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)顯得十分重要。

1、純電動(dòng)汽車介紹

純電動(dòng)汽車，它是完全由可充電電池提供動(dòng)力源的汽車。按照用途不同分類，純電動(dòng)汽車可分為電動(dòng)轎車、特種電動(dòng)車和電動(dòng)客車等。

（1）電動(dòng)轎車是目前最常見的純電動(dòng)汽車，就國內(nèi)而言，除了一些概念車，如蔚來ES8，純電動(dòng)轎車已經(jīng)有了大批量生產(chǎn)，尤其在中大型城市，比較廣泛的進(jìn)入汽車市場。例如比亞迪E6，北汽E150，長安C206等。

（2）特種電動(dòng)車主要包括電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車，電動(dòng)灑水車，電動(dòng)垃圾車，電動(dòng)物流車等。例如2013年，長沙中聯(lián)重科量產(chǎn)28KW環(huán)衛(wèi)車，北汽福田量產(chǎn)16噸電動(dòng)灑水車均交付成都環(huán)衛(wèi)部門使用，客戶使用效果良好。

（3）純電動(dòng)客車已經(jīng)開始大批量進(jìn)入市場，按車長分主要包括6.5米、8.5米、10.5米、12米，主要生產(chǎn)企業(yè)為鄭州宇通客車，北汽福田客車，金龍客車，中通客車，珠海銀隆客車等等，各大城市電動(dòng)客車，尤其是電動(dòng)公交車保有量直線上升。

2、電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇

2.1電動(dòng)汽車對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)應(yīng)性能優(yōu)越，一般而言應(yīng)具備瞬時(shí)功率大，過載能力強(qiáng)，加速性能優(yōu)越，較長的使用壽命等特點(diǎn)。此外，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍應(yīng)較寬，特別是恒轉(zhuǎn)矩區(qū)與恒功率區(qū)。

圖1所示為純電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)械特性曲線，這條特性曲線分為兩個(gè)區(qū)域：I區(qū)為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，功率隨轉(zhuǎn)速的提高線性增加：Ⅱ區(qū)為恒功率區(qū)，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的提高呈雙曲線衰減。對于城市工況和山區(qū)旅游用汽車，經(jīng)常處于起動(dòng)、停車，加速、減速的狀態(tài)，轉(zhuǎn)速小，但要求輸出轉(zhuǎn)矩的變化較大，需要克服慣性阻力，這種工況下的汽車絕大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)中；而對于行駛于高速公路上的汽車而言，汽車行駛比較平穩(wěn)，車速高，沒有特別大的加、減速情況，轉(zhuǎn)矩消耗比較小，主要用來克服行駛阻力，大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行于恒功率區(qū)。根據(jù)上述需要和現(xiàn)有的研究，可以將純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要要求歸納如下：

1.在恒轉(zhuǎn)矩和恒功率區(qū)域，有較寬的調(diào)速范圍和快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)；

2.基速以下輸出大轉(zhuǎn)矩；

3.盡可能全速運(yùn)行范圍內(nèi)的效率優(yōu)化；

4.高功率密度和高恒功率比、良好的環(huán)境適應(yīng)性、高可靠性和強(qiáng)魯棒性；

5.有高效的制動(dòng)能量回收能力，提高車輛的續(xù)航里程；

6.電機(jī)轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩控制精度高，轉(zhuǎn)速模式運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速控制精度高，要求有較高的標(biāo)定水平，適應(yīng)整車控制器對電機(jī)的精確控制；

7.電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、能量密度高，具有抗撞擊、抗振動(dòng)及抗腐蝕能力、外觀設(shè)計(jì)良好，且價(jià)格合理；

8.工藝要求，電機(jī)及控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，符合目前工業(yè)加工制造水平，具備大批量生產(chǎn)的可行性。

2.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的比較

電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制系統(tǒng)包括電機(jī)本體、控制器兩大部分，是電動(dòng)汽車的核心組成部分之一。目前，正在應(yīng)用或開發(fā)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)三類。各種電機(jī)的性能、工藝、成本等特點(diǎn)，將在下面做出較為詳細(xì)的介紹，從而來選擇合適電機(jī)系統(tǒng)。

1.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

直流電機(jī)的制造技術(shù)較為成熟、調(diào)速性能平滑并且精確、結(jié)構(gòu)簡單，電磁轉(zhuǎn)矩控制特性優(yōu)良，一般采用脈寬調(diào)制控制方式，控制簡單、成本低。但直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積大，效率低，可靠性低，需要經(jīng)常維護(hù)，限制了電動(dòng)機(jī)的過載能力和速度的進(jìn)一步提高。目前很多純電動(dòng)汽車上已經(jīng)基本不用直流電動(dòng)機(jī)，但在低速車，由于控制技術(shù)及制造工藝較為成熟，比如觀光巡邏車上還有部分使用直流電機(jī)系統(tǒng)，例如廣州朗晴電動(dòng)車有限公司，仍有大部分低速車產(chǎn)品采用直流電機(jī)系統(tǒng)。

2.交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

交流感應(yīng)電機(jī)具有堅(jiān)實(shí)可靠、免維護(hù)、體積小、重量輕、價(jià)廉、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、比功率較高、轉(zhuǎn)速高、易冷卻、對環(huán)境的適應(yīng)性好、功率容量范圍寬廣、使用壽命長和功率因素變化大等許多優(yōu)點(diǎn)。目前，矢量控制獲得動(dòng)、靜態(tài)性能優(yōu)良，可與直流調(diào)速相媲美；直接轉(zhuǎn)矩控制因其控制簡單，動(dòng)態(tài)性能好，受電機(jī)參數(shù)影響小，在機(jī)車牽引等領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景。

3.交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

永磁同步電機(jī)系統(tǒng)具有效率高、功率密度大、可靠性高以及調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，還具有低噪聲，體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，高控制精度的特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制精度上，國內(nèi)先進(jìn)的電機(jī)制造廠商可以達(dá)到轉(zhuǎn)矩誤差在0.5NM以內(nèi)，轉(zhuǎn)速誤差在1RPM以內(nèi)。特別適用于純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)汽車所用的永磁同步電機(jī)正在向大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。當(dāng)今世界已研制出功率密度超過0.8KW/kg且額定效率大于94%的車用永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，并且滿足低速大扭矩和高速衡功率的牽引控制要求。

3.對于純電動(dòng)汽車電機(jī)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)建議

目前，純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)基本都是采樣永磁同步電機(jī)。應(yīng)用品種包括大巴車、公交車、轎車、物流車，甚至部分低速車市場，大有統(tǒng)占純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的趨勢。市場上保有量比較大產(chǎn)品，比如有長安逸動(dòng)電動(dòng)版，吉利帝豪電動(dòng)版，北汽E150、大巴車類型有宇通、中通、金龍、福田、海格等廠家得產(chǎn)品，低速車比如雷丁汽車，均采用永磁同步電機(jī)系統(tǒng)為主要驅(qū)動(dòng)方式。目前低速車領(lǐng)域廣泛選用交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，國際最知名的電動(dòng)汽車廠商美國特斯拉電動(dòng)汽車也選用交流異步電機(jī)系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，永磁同步電機(jī)系統(tǒng)市場占有率超過95%，在國內(nèi)，比較知名的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)供應(yīng)商有中山大洋電機(jī)、上海大郡、上海電驅(qū)動(dòng)（已被大洋電機(jī)收購）、北京精進(jìn)電動(dòng)、深圳匯川技術(shù)、深圳英威騰、深圳藍(lán)海華騰等等。

4.結(jié)語

在中國，政府已經(jīng)將發(fā)展電動(dòng)汽車列為重要國策加入到國家發(fā)展規(guī)劃中去，各大車企及零配件制造商紛紛響應(yīng)。期待電動(dòng)汽車有一個(gè)美好的未來，更好的造福人類。