新能源汽車驅動電機選配方法探究

劉尚達

吉林鐵道職業技術學院 吉林吉林 132200

1 前言

新能源汽車已經成為全球汽車行業的發展大趨勢。目前市面上的新能源汽車可分為四大類，即混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車及其他新能源汽車，其中以純電動汽車為主流，電機技術作為電動汽車的三電技術之一，電機的選擇與車型定位的匹配已經成為決定車輛性能的關鍵因素之一。

2 新能源汽車的分類及各自特點

目前市場上大規模生產的新能源汽車按照動力來源的不同可分為：純電動汽車、混合動力汽車和氫燃料汽車三大類。其中，純電動汽車和混合動力汽車一定要配備驅動電機，氫燃料汽車則分為兩種：一種是氫內燃機汽車，以內燃機燃燒 氫氣產生動力驅動汽車，不需要配置驅動電機，但目前幾乎沒有大規模批量生產民用產品；另一種是氫燃料電池車，使氫或含氫物質與空氣中的氧在燃料電池中反應，產生電力推動 電 動機再由電動機驅動車輛，目前市場上的民用產品以這個品類為主。由此可見，目前在市場上大量應用的新能源汽車都需要配置驅動電機，但由于每種車輛的結構及功能不同對驅動電機有不同的要求。

2.1 純電動汽車

驅動電機是純電動汽車唯一的動力來源，以不同種類的蓄電池作為能源的存儲器，由蓄電池輸出電能，通過電機控制器進行相應的電能變換，控制驅動電機的運行，最終輸出動力。同時當車輛制動或減速時，由電機控制器控制驅動電機發電，再把能量回收到電池中。相比于其他幾個類型的新能源汽車，純電動汽車的結構簡單、維修方便、技術成熟、能源轉換效率高，是應用最廣泛的新能源車型。

2.2 混合動力汽車

混合動力汽車一般以一種或多種的儲能器作為動力來源，目前市場中的混合動力汽車至少都有一種動力是靠驅動電機輸出的。如果按照動力的組合方式可以分為并聯、串聯和混聯。其中并聯車型的動力可以根據工況選擇發動機輸出動力或者電機輸出動力；串聯車型的發動機只負責發電，始終運行在最優的轉速區間，車輪得到的動力全部來自驅動電機；混聯車型的動力既可以由發動機輸出，也可以由電機輸出，還可以由兩者搭配輸出，這樣能最大發揮兩種動力來源的優勢，但這種新能源汽車的結構也是最復雜的，同時對于兩種動力源的選擇也是要求最高的。

2.3 燃料電池汽車

現在所說的燃料電池汽車通常指的就是氫燃料電池汽車，氫燃料是國際上公認的清潔能源，且來源廣泛。但由于氫燃料的利用技術發展并不成熟，核心技術只掌握在少數公司手中，沒有得到廣泛的應用，所以市場上能夠見到的車型并不多，也少有用戶敢于嘗試。氫燃料電池汽車是以氫燃料為能源，存儲在蓄電池、超級電容或其他儲能器中的電動汽車，以電機驅動車輪。它的主要特點是能量轉換效率高，燃料來源廣泛，可再生無污染。

3 驅動電機的分類及各自特點

驅動電機的發明比發動機還要早上50多年，所以雖然新能源汽車是汽車行業的新產品，但驅動電機的技術已經很成熟，在新能源汽車的三電技術中，電機技術是最成熟可靠的。驅動電機種類繁多、用途廣泛，功率覆蓋面積大。根據使用要求，可以用在新能源汽車上的電機種類主要有：直流電動機、交流感應電動機、永磁電機和開關磁阻電動機。

3.1 直流電動機

直流電動機是最早應用在電動汽車上的驅動電機，因為目前的動力電池只能存儲直流電，所以直流電動機可以從電池組直接獲得直流電不需要進行交直流的轉換。但是由于直流電動機的結構復雜，有換向和電刷維護等問題，不適宜高速運行，現在車輛性能要求越來越高，應用已經受到了極大的限制。

3.2 交流感應電機

交流感應電機的定子及轉子基于電磁感應原理實現力矩的傳遞，也稱交流異步電動機，其結構簡單、工作可靠成本低廉，但控制系統相對復雜，存在調速范圍小、轉矩特性不理想等問題，但得益于微處理技術和交流電機控制技術的大力發展應用比較普遍。

3.3 永磁同步電機

永磁同步電機的轉子采用永磁材料制成，定子產生旋轉磁場，磁場相互作用使轉子轉動。永磁同步電機具有效率高、轉矩和功率密度大、功率因素高、可靠性高便于維護等優點，使其成為目前市場上應用較廣的主流產品，但永磁體的材料成本、高溫退磁問題依然沒有可靠的解決辦法，是限制其發展的主要因素[1]。

3.4 開關磁阻電動機

開關磁阻電機對于大多數人來說可能就有點陌生了，它是新發展起來的一種調速電機，這類電機的結構更為簡單、成本更低。轉子沒有繞組也沒有永磁體，定子只有少數幾個繞組，具備可靠性高、效率高、散熱特性好、起動轉矩大、電流小和調速范圍寬、適合高轉速運轉等優點。缺點是轉矩脈動大，容易引起較大的震動，因為轉子上產生的轉矩是由一系列脈沖轉矩疊加而成，由于合成轉矩并不是恒定轉矩，對該電機的低速運轉性能有所影響。

4 新能源汽車對電機的要求

工業中所使用的電機，大都是處于固定的位置，擁有穩定的工作環境。而汽車是一個行走的機器，要面臨的使用條件更加苛刻，所以新能源汽車選用電機也有更加嚴格的技術要求，總結起來可以歸結為以下幾點。

4.1 體積小、質量輕

汽車的體積和質量是有嚴格限制的，為了爭取更大的使用空間和更良好的經濟性，汽車上的所有零部件都有嚴格的輕量化要求，電機也不例外。同時還要考慮到車輛前后軸的配重，要求在滿足其他要求的前提下，車用驅動電機應更輕、更小。

4.2 低轉速時大扭矩輸出

汽車在起步爬坡脫困等狀態時都需要有較大的扭矩輸出，目前的電動汽車多數不配備變速器，或是變速器的速比很小，這就要求電機在低轉速時擁有較大的扭矩輸出。

4.3 寬范圍的恒功率輸出

汽車的行駛狀況復雜，擁有啟動、加速、行駛、減速、制動等各種工況，如果沒有一個穩定的功率輸出，那么將大大提高車輛的駕駛難度，駕駛員也很難準確判斷車輛的運動狀態，這也會降低乘坐的舒適度。為了達到和傳統汽車至少相同的控制響應，要求驅動電機具有寬泛的穩定功率輸出。

4.4 高電壓、高轉速

與低轉速電機相比，高轉速電機的體積和質量較小，更能滿足車輛的輕量化要求。就目前的車輛設計而言，在允許的范圍內盡可能采用高電壓，可以減小電機的尺寸和控制器、導線等設備的尺寸，還可以降低逆變器的成本。

4.5 可靠性高、使用壽命長

在汽車的行駛環境中，雨雪、氣壓、海拔、顛簸、塵土環境都是基本要求，所以要求在各種極端環境下都具有較高的可靠性及安全性。不僅如此，目前傳統燃油車已經取消了強制報廢政策，根據現在的制造水平，一輛汽車開十幾年不成問題，這就要求電動汽車也要盡可能地接近這個使用壽命，才可以得到用戶的認可，同時也減少了生產廠家的售后服務成本。另外，車用電機還要求具有低噪音、工作平穩等特性，以滿足對車內乘坐環境的舒適性要求。

5 電機的選擇

5.1 電機類型的選擇

驅動電機選擇的首要因素是在機械特性上滿足車輛的使用要求，可以根據電機生產廠家提供的轉矩-轉速特性曲線（T-n）和功率-轉速特性曲線（Tp）作為依據，再結合自身車型的性能要求進行選擇。

以特斯拉為代表的美國車企和部分歐洲企業多采用交流異步電機。這與特斯拉最初的技術研發路線選擇有關，交流感應電機價格低廉，而偏大的體積對于車身龐大的美式造車風格影響并不大；另外，歐美國家地廣人稀高速路網發達，相對簡單的行駛環境也掩蓋了交流異步電機調速范圍小的缺點。

包括中國、日本在內的亞洲國家應用較多的是永磁同步電機。永磁同步電機在反復啟停、加減速時仍能保持較高效率[2]，更能適應復雜的路況。

5.2 額定電壓的選擇

在選定輸出功率的條件下，動力電池的電壓越高，電流就越低；反之動力電池的電壓低，為滿足功率要求電流就要加大。高電壓低電流的電池系統的導線、插頭、開關等電器元件都可以更小一些，這樣安裝、維修、制造的成本都會隨之減少。但是要求有更加嚴格的高壓保護措施，相對的管理系統也要更復雜。相反的，低電壓高電流的電池系統的成本會升高，但管理系統相對要簡單得多[3]。

隨著當今控制技術的快速發展，更加高性能的管理系統層出不窮，車企更愿意選擇高電壓低電流的技術路線。

5.3 額定轉速的選擇

電機的轉速決定了汽車的動力性能，可根據車輛的定位選取不同轉速的驅動電機。一般在3 000～6 000 r/min屬于低速電機，由于轉動慣量大、反應慢，所以在家用車上應用較少。6 000～10 000 r/min屬于中速電機，對于沒有特殊性能要求的家用電動車， 選用這個轉速區間的較多；10 000～15 000 r/min屬于高轉速電機，轉動慣量小、起步快、停止也快，如果對汽車的運動性能要求較高，可以選擇這個轉速范圍內的電機。

6 結語

目前家用電動汽車驅動電機主要分為兩個陣營：感應電動機（即交流異步電動機）和永磁同步電動機。二者各有優缺點沒有好壞之分，具體的選擇依據要結合車輛的產品定位、制造成本、自然資源分布等多方面因素綜合考慮決定。