淺析新能源汽車驅動電機

王軍

摘 要：當今，能源危機和環境問題是全球面臨的共同問題，汽車行駛所消耗的大量汽油、柴油，及其發動機燃燒產生的尾氣污染問題，特別是尾氣中包含的二氧化碳更是全球變暖的一大“元兇”，阻礙著全球的可持續發展。鑒于此，汽車的主要動力源發動機必然會逐步退出歷史舞臺，由更符合汽車行駛特點且節能環保的電動機代替。因此，本文主要從驅動電機的發展，對主流驅動電機的分類、性能、基本構造及原理分析。

關鍵詞：新能源;發展;電機;性能

0 引言

據官方統計，我國機動車的保有量現已達到了3億多輛，其中燃油車占據了很大一部分，這就出現了一系列問題，包括停車難、交通擁堵、事故率升高、環境問題、能源問題等等，前三個問題隨著汽車的交通優化、AI智能加持和安全性提高會不斷改善，但汽車發動機帶來的環境問題、能源消耗尤為棘手，更是全球所有國家面臨的難題。

1 驅動電機的發展趨勢及分類

1.1 驅動電機的發展趨勢

根據中汽協發布的產銷數據，2017年我國新能源汽車產銷分別為79.4萬輛和77.7萬輛，同比增長分別為53.8%和53.3%，產銷量連續三年位居全球第一。從行業配套來看，新能源乘用車主要使用的是永磁同步電機和交流異步電機。其中，永磁同步電機得益于節能、效率、輕量化等優勢，使用最多，但由于轉子結構較為復雜，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。

我國驅動電機已經自主開發出滿足各類新能源汽車的產品，部分主要性能指標已達到國際先進水平，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。峰值轉速是電機的重要指標，也是目前國內電機較之國外差距最明顯的指標。國內絕大部分永磁同步電機的峰值轉速在10000rpm以下，而國外基本在10000rpm以上。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，因此功率密度存在較大差距。國內的永磁同步電機功率密度多在（1～2）kw/kg區間內，與2020年3.5kw/kg的目標值存在較大差距。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、博世等企業的水平，但是在高效區方面，如系統效率大于80%的區域占比方面尚存在一定差距。我國電機的高效區占比集中在70%～75%，而國外電機基本達到80%。另外，電機的冷卻方式已經從自然冷卻逐步發展為水冷，國內電機采用水冷為主，國外先進的電機已經發展到油冷電機。

由我國《節能與新能源汽車技術路線圖》分析，驅動電機主要發展趨勢有以下幾個方面：集成化--與整車的電子控制器的集成和機電耦合的集成;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動系統的性能。

1.2 驅動電機的主要分類

驅動電機歷史悠久，在1885年被美國的尼古拉·特斯拉申請了感應電動機專利，之后不斷衍生出各式各樣的電動機，被各行各業所廣泛使用。下面，按照驅動電機的電源對其進行分類：

從圖1可見，電機的種類繁多，每個電機都有自己的特點。結合市場，簡單比較主流驅動電機的性能，如下表：

上表的經驗性統計，結合新能源汽車復雜的工況：頻繁停車啟動、加速減速、負載爬坡、持續高速、低速蠕動等分析，交流異步電機和永磁同步電機在尺寸、質量、功率密度、效率等優勢明顯，因此逐漸成為新能源汽車的主流選擇。

2 新能源汽車對驅動電機的性能要求

以內燃機和驅動電機為動力的汽車早在19世紀就開始了較量，經過不斷的發展優化、競爭，電動車因充電慢，續航短等劣勢成為小眾車型，而內燃機最終以其穩定、可靠、加油方便等優勢稱霸全球。

發動機和驅動電機同為汽車的核心動力，為汽車提供驅動力，有相似必然也有不同之處，下面分析兩者的主要差異。

2.1 發動機和驅動電機主要差異對比分析

（1）結構對比。發動機結構復雜，主要由曲柄連桿機構、燃油供給機構、冷卻機構、啟動系統、潤滑系統等，機械結構復雜，制造、工藝要求、成本等較高。重量、體積均較大。

驅動電機結構簡單，主要由轉子、定子、殼體、冷卻系統等組成，部件較少，制造簡單，成本較低。整車使用過程中電機基本上免維護。

（2）標定控制和耗能對比。發動機需要配合變速箱來達到變速變扭的目的，因此標定控制必須結合發動機和變速箱匹配，標定流程非常復雜，需要同時為發動機和變速箱配置控制器。而驅動電機由于其特殊的性能，僅需一臺單級減速器來減速增扭即可，只需要為電機配置一臺控制器，標定也較發動機簡單很多。

發動機主要以汽油和柴油等有限的石化資源燃燒產生熱能，再轉換為機械能，熱效率較低，最高僅40%。整個過程熱能損失、機械損失較大，產生的廢氣污染環境。驅動電機主要由電池供電，電能的獲取方式非常多，可以從風能、核能、地熱等可持續資源獲取。電能轉化為機械能，效率普遍在90%左右，且零排放、無污染。

（3）性能對比。對于一輛汽車來說，發動機和驅動電機的扭矩和功率是動力性能至關重要的兩個參數。扭矩表示從動力源輸出端輸出的力矩，功率是指動力源單位時間內做功的快慢，兩者決定了一輛汽車的加速性能、爬坡性能等。

如上圖所示，發動機和驅動電機的轉矩特性和驅動特性的對比可知，驅動電機幾乎在啟動之際即達到最大扭矩，低扭性能強勁，且調速范圍較寬。而發動機的最大扭矩必須配合復雜的變速器，在達到一定轉速時才會出現。

另外，驅動電機高速狀態下的恒功率轉速范圍較為寬范，且效率大概在90%，遠高于發動機的效率。運行時，電機在噪聲方面的優勢也遠優于發動機。

2.2 新能源汽車對驅動電機的性能要求

（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動電機在達到要求的同時必須質量輕、體積小，降低整車整備質量，為汽車動力性和續航做貢獻。

（2）長壽命、高可靠性。驅動電機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，在整個汽車的生命周期基本不會出現任何問題。

（3）高耐壓性。在允許的范圍內應盡可能采用高電壓，可以減小電動機的尺寸和導線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。

（4）整個轉速范圍的高效率。為了保證續駛里程長，驅動電機在整個轉速范圍盡可能高效率運行，特別是路況復雜以及行駛方式頻繁改變時，低負荷運行也應該具有較高的效率。

（5）低速大扭矩特性和較寬范圍的恒功率特性。驅動電機應具有汽車行駛所需要的轉矩特性，滿足汽車啟動、加速、行駛、減速、制動等所需的功率及轉矩。如下圖所示轉矩轉速特性圖。

（6）電器系統的安全性。目前，市場上新能源汽車的工作電壓基本上在300V以上，對電氣系統包括電機的安全性，都必須符合相關車輛電氣控制的安全性能標準和規定。

3 主流驅動電機的簡要論述

目前，新能源汽車領域的驅動電機基本被永磁同步電機和交流異步電機“壟斷”，下面簡要論述兩種電機的構造、原理和特點。

3.1 永磁同步電機

我國在稀土資源方面優勢明顯，結合各個方面的因素，從節能、成本、性能等角度考慮，未來永磁同步電機將是乘用車領域的絕對主力。

（1）基本構造。永磁同步電機主要由端蓋、殼體、定子和轉子等組成，最核心的為嵌入或貼入永磁體磁極的轉子結構，永磁體多采用一種名為釹鐵硼的稀土類磁鐵。

（2）基本原理。永磁同步電機的定子部分通入由逆變器調制的三相交流電后，定子電樞產生空間磁場，它與永磁體轉子（磁極固定）相互作用，通過同性相斥異性相吸的原理，產生與定子旋轉磁場方向相同的電磁轉矩輸出，即轉子旋轉速度等于旋轉磁場的速度，稱為“同步”。當輸出的轉矩超過轉子的摩擦轉矩以及由于永磁體的阻尼轉矩時，電機便開始向外做功，克服汽車的滾動阻力、空氣阻力、加速阻力等，驅動汽車行駛。

（3）基本特點。永磁同步電機的特點主要有節能、功率密度大、效率高、尺寸小、重量輕等。缺點主要是轉子結構較為復雜，成本較高，存在高溫退磁的風險，在弱磁方面的控制較難。

3.2 交流異步電機

三相交流異步電機是目前較為成熟的驅動電機，也被稱為感應電機，國外著名的特斯拉Model S和國內的蔚來ES8出于成本、控制等因素都采用了此類電機。

（1）基本構造。交流異步電機的構造和永磁電機大致相同，也是由端蓋、殼體、定子和轉子組成，不同的是轉子部分，無永磁體，主要分為鼠籠式轉子和繞線式轉子。

（2）基本原理。異步電機的三相定子繞組通入交流電，產生一個旋轉磁場，此磁場切割轉子繞組，從而使轉子繞組產生感應電動勢。由于轉子繞組是閉合通路，轉子中便產生電流，方向和感應電動勢相同，而載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，由電磁力進而產生電磁轉矩，驅動電機軸旋轉，克服阻力，進而驅動汽車行駛。

（3）基本特點。異步電機的優點主要有控制技術成熟、成本低、結構相對簡單，缺點主要是有勵磁損失，能耗較大，低速啟動性差，輕載時效率低，相對永磁電機在節能、效率方面不足。

綜上分析，在國家倡導節能，新能源汽車高續航，車型輕量化的大前提下，永磁同步電機在這發面的優勢遠大于交流異步電機，在逐步解決永磁電機退磁、高速控制等問題后，必將成為新能源汽車的核心驅動系統。

4 結論

未來，隨著動力電池能量密度的增加，充電基礎設施的普及，甚至無線充電的出現，消費者不再擔憂續航里程，充電像加油一樣快速、便利，再加上動力系統驅動電機優秀的加速性能，可忽略的震動、噪音，無需頻繁的保養等等，新能源汽車一定會非常普及，成為未來的主力車型。

參考文獻：

[1]日本自動車技術會.汽車工程手冊10新能源車輛設計篇[M].北京理工大學出版社，2014.7，第一版.

[2]陳家瑞.汽車構造（上冊）[M].人民交通出版社，2005.9，第五版.

[3]袁新枚.車用電機原理及應用[M].機械工業出版社，2016.7，第一版.

[4]夏妍娜，趙勝.中國制造2025：產業互聯網開啟新工業革命[M].機械工業出版社，2016.7，第一版.