新能源汽車驅動電機發展現狀及趨勢研究

莊勛

摘 要：隨著全球汽車行業不斷朝著新能源汽車方向發展，新能源汽車中使用到的各種零部件也迎來了很大的發展契機。以驅動電機為代表，由于各供應商的技術路線不一樣，在產品的性能和對車輛的影響程度上存在比較大的差異。本文對新能源汽車中使用的驅動電機發展現狀和將來發展的趨勢進行了較為詳細的說明，并著重對永磁電機和輪轂電機當前發展的狀況和技術瓶頸等進行分析，對驅動電機未來發展的趨勢進行了預測，希望能對相關行業起到一定的參考作用。

關鍵詞：新能源汽車;驅動電機;永磁電機;輪轂電機;發展現狀;趨勢

1 引言

據資料顯示，2018年我國的新能源汽車全年累計生產臺數為127萬輛，全年累計銷量為125.6萬輛。占據了當前全部汽車銷量的4.5%，而在2017年，這一數據還不足3%。從當前的數據來看，2019年的比例將會更高。新能源汽車的發展勢頭如此迅猛，給驅動電機的發展帶來了廣闊的前景和機遇。當前，電機的相關技術發展，受到了新能源汽車行業的廣泛關注。

2 電機技術發展現狀

當前，電機技術主要存在直流電機、交流電機、永磁同步電機、輪轂電機和開關磁阻電機這幾大類。直流電機和交流電機根據特性來分類又可以再次分類。這幾種電機各有自己的特點，以轉速范圍來區分，開關磁阻電機最高，在15000r/min以上，其次是交流異步電機，轉速范圍約在12000-15000r/min，永磁同步電機轉速范圍比較大，大約在4000-15000r/min，而直流電機轉速最低，在4000-6000r/min之間;以性能的可靠性和結構的牢固性來區分，交流異步電機和開關磁阻電機的可靠性最強，其次是永磁同步電機，而直流電機的安全可靠性需要再加強;以體積和重量來區分，永磁同步電機和開關磁阻電機具有體積小、重量輕的優點，而直流電機體積大，重量也重，交流異步電機居于其中;從成本上來看，交流異步電機和永磁同步電機最高，直流電機成本低，開關磁阻電機居中。

近些年，受到新能源汽車發展的影響，我國的驅動電機研究水平也得到了很大的提高，在新能源汽車搭載方面，已經開發出了適合其使用的各種驅動電機。不過與國外先進水平相比，我國在以下技術參數方面還存在著一定的差距：

①電機的峰值轉速

峰值轉速的高低作為驅動電機的重要指標，是衡量驅動電機水平的一個重要參數。在永磁電機重，我國自主產品基本在10000r/min以內，而國外先進的同類型產品基本超過了10000r/min;

②功率的密度

目前，我國的永磁同步電機功率密度基本在1-2kw/kg的范圍內，而國外先進水平已經超出了這個值。為了追趕國際上的先進水平，我國也制定了2020年要達到3.5kw/kg的目標值。

③效率

在效率方面，我國電機的最高效率基本在94%-96%的范圍水平，和國際上西門子、Remy等先進企業的水平相差無幾，不過，在高效區的面積方面，我國電機的水平和國際上先進的水平相比，還存在不少的差距，比如在系統的效率80%以上，我們稱之為高效區，在這一區域，我國的電機總的達到時間比較少，正常運行時高效區面積基本占比為73%左右，而國外先進的技術已經達到了80%以上。

④冷卻方式

為了提高電機的運行效率，降低由于高溫帶來的點擊運行故障，僅僅依靠自然冷卻，顯然無法滿足使用要求。因此，必須依托其它的冷卻技術來降低電機運行時的溫度。當前，國內的電機冷卻方式較常見的為水冷，國外的先進企業采用的冷卻方式為油冷。與水冷方式相比，油冷的冷卻效果要好很多。

3 永磁同步電機的發展瓶頸

第一，功率的密度有限

為了提高電機的功率，通常會采用提高電機的扭矩或者轉速。不過，這兩種方式都有一定的弊端，提高電機的扭矩，會造成國在電流的增大，使得電機的溫度升高，并且，由于水冷的能力有限，給電機的散熱帶來不利的影響;而提高電機的轉速，在高速運轉時鐵磁的損耗會增大，這時，就需要采用性能更好的低飽和硅鋼片，這樣就會造成電機的制造成本上升，不利用整體成本的控制。

第二，受材料影響，造成性能上存在一定的缺點

永磁同步電機中的永磁材料，是影響永磁電機性能的重要一項因素。當前，我國的永磁材料為釹鐵硼，這種材料的缺點為溫度的穩定性較差、存在不可逆的損失、溫度的系數較高、以及在高溫時鐵磁的性能損失比較嚴重，從而進一步影響到整個電機的運行性能。

第三，受生產工藝技術限制，不良率較高

制造業最重要的除了開發技術水平，還有生產制造的經驗積累。由于我國在這方面的投入時間較短，雖然技術上已經朝著國際的先進水平發展，不過在制造方面，由于缺少經驗的積累，生產過程中的不良率較高，直接影響到產能，無法形成大規模的配套。隨著新能源汽車的大規模發展，永磁同步電機的工藝技術水平必須要突破當前的限制，才能滿足未來巨大市場的需求。

4 輪轂電機的發展

輪轂電機的技術，最早應該是保時捷應用到純電動的汽車中。經過多年的技術發展和沉淀，全球很多知名的電機廠家已經相繼開發出各種規格的輪轂電機產品，以滿足新能源汽車的發展需求。由于各企業走的技術路線不同，產品的性能以及體積大小存在一定的差異。以英國的Protean、法國的TM4和杭州亞太依拉菲這三家企業為例，在重量上，杭州亞太依拉菲重量為23kg，法國的TM4居中，為26k，而英國的Protean公司產品最重，達到了34kg。在峰值扭矩和峰值功率方面，杭州亞太依拉菲分別為700Nm和75kw，法國的TM4分別為1700Nm和120kw，而英國的Protea嗎分別為1250Nm和75kw。在額定扭矩和額定功率方面，杭州亞太依拉菲的輪轂電機暫時沒有該方面的信息數據，法國的TM4分別為600Nm和37kw，英國的Proteam分別為650Nm和54kw。

與其它類型的電機驅動相比，輪轂電機存在以下的優點和缺點。

優點如下：

①效率較高，由于采用的時直接驅動車輪的方式，動力傳輸方面能量損失較少，有利于車輛的節能;

②控制比較方便。通過直接控制車輪的轉速和扭矩，減少了轉彎的半徑，在制動回收率方面效率較高;

③在空間配置上，由于與輪轂集成化，可以省去車子前艙的一部分空間，因此，有利于車輛的輕量化。

④由于集程度高，可以實現各功能的模塊化開發。當進行不同項目開發時，可以有效采用其它項目的部分模塊，有利于開發費用的降低和開發周期的縮短。并且，利用現有成熟技術，降低了新技術的使用而帶來的市場風險。

它的主要缺點如下：

①彈簧下的質量增加了，影響到操控。進而使得懸架的響應時間較長;

②電機在運行時所造成的熱量，由于電機是內置式，不利于熱量的散發，從而影響到電機的性能以及使用壽命;

③電機和輪轂是高度集成，而輪轂的工作環境比較惡劣，防水防塵和防振方面存在較多不利的影響;

④由于電渦流的制動容量較低，需要其它機械制動系統共同完成某些動作，能耗方面比較大。

鑒于輪轂電機在性能上存在的一些缺點，技術人員也提出了一些對應措施，主要的技術手段如下：

①針對穩定性和舒適性方面，通過對減振系統的優化，達到降低減振的效果，比如，合理的布置質量，改變結構，以此改變車輛制動部分的固有頻率;通過建立模型，對懸掛系統的剛度和阻尼的參數匹配與懸架和車輪進行合理的匹配，以降低簧下的質量，提高穩定性;

②針對散熱問題，通過液冷使用高導熱系數環氧樹脂對定子、機殼和液冷鋁環進行澆注，在轉子上開槽，利用轉子在旋轉時帶動電機內的空氣流動達到散熱的效果;

③針對制動回收問題，將車速、輪轂電機的制動力矩、電機的轉速為輸入，并優化控制策略，創新布置電動汽車前后軸的制動力;

④針對工作環境惡劣的問題，在輪轂電機外殼的設計上，通過形狀的設計優化，達到防塵防水等問題，并且，對輪轂電機和整車的匹配性進行優化分析，以達到消除減振的目的，從而降低電機的振動問題。

在各大電機企業中，由于仍存在制造成本高、構成系統復雜等問題，使得輪轂電機當前在新能源汽車中的應用受到一定的限制。不過隨著技術研究的不斷深入，相信這一問題會得到解決。

5 未來驅動電機發展趨勢分析

當前新能源汽車的制造中，也多以永磁同步電機為主。而交流異步電機在功率密度上存在一定的局限性，電機和控制器的成本也比較高，未來的市場必將逐漸減少。而輪轂電機隨著技術的不斷完善和成熟，在新能源汽車市場中的應用會逐步擴大。前文中所講述到的開關磁阻電機，雖然在功率密度等方面具有較好的性能，不過由于其體積較大，運行時的噪音比較大，很難被汽車制造廠家接收，因此，需要解決這一重要問題，才有可能會在新能源汽車市場中得到應用。

總體上來看，驅動電機的趨勢主要為：①高度集成化。它將會覆蓋電子控制器的集成和機電耦合的集成;②效率大幅提升。由于功率密度的提高，運行效率會大大提升，同時，工藝技術的優化，使得制造成本降低;③智能化和數字化，通過與車輛的計算機控制系統相結合，與控制器高度配合，從而進一步提升驅動系統的性能。

6 結語

新能源汽車作為未來汽車行業的發展趨勢和方向，在未來的數年，必將會得到高速發展。作為新能源汽車的動力驅動來源，驅動電機的性能對整個車輛的運行性能起到了非常重要的影響。我國為新能源汽車的發展提供了良好的政策環境，作為新能源汽車的核心零部件，驅動電機的零部件制造商也要抓住機遇，通過持續研究和試驗，不斷提高技術水平，并針對當前驅動電機在實際用于中存在的問題進行對策分析，提出有效的改善措施，為我國新能源汽車的事業發展做出貢獻。

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