新能源環(huán)衛(wèi)車電機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)研究

夏靖武，譚 鵬，李 錢，嚴(yán) 麗，楊維豪，何 興

（長(zhǎng)沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410221）

2023年1月，工業(yè)和信息化部等8部門發(fā)布關(guān)于組織開展公共領(lǐng)域車輛全面電動(dòng)化先行區(qū)試點(diǎn)工作的通知，全國(guó)范圍內(nèi)啟動(dòng)公共領(lǐng)域車輛全面電動(dòng)化先行區(qū)試點(diǎn)工作，試點(diǎn)期為2023～2025年，力爭(zhēng)車輛電動(dòng)化水平達(dá)到80%[1-2]。環(huán)衛(wèi)車作為公共領(lǐng)域車輛的重要組成部分，近年來電動(dòng)化比例逐步提升，如圖1所示。

圖1 2020～2023年電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車總銷量與滲透率對(duì)比圖

1 新能源環(huán)衛(wèi)車概述

1.1 新能源環(huán)衛(wèi)車的定義和特點(diǎn)

新能源環(huán)衛(wèi)車指采用新型能源技術(shù)的環(huán)衛(wèi)車輛，這些車輛利用清潔能源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，減少了對(duì)傳統(tǒng)燃油的依賴，降低了環(huán)境污染和碳排放，符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)保、節(jié)能的要求。新能源環(huán)衛(wèi)車在城市環(huán)衛(wèi)工作中起到了重要作用，推動(dòng)了環(huán)衛(wèi)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

新能源環(huán)衛(wèi)車相較于傳統(tǒng)燃油環(huán)衛(wèi)車具有以下特點(diǎn)：①環(huán)保節(jié)能，新能源環(huán)衛(wèi)車采用電力驅(qū)動(dòng)，零排放、噪聲小，可大幅降低大氣污染物含量，減少作業(yè)時(shí)的擾民問題；②使用成本低，新能源環(huán)衛(wèi)車的運(yùn)行線路相對(duì)固定、距離短，充電設(shè)施便于集中建設(shè)管理，新能源環(huán)衛(wèi)車后期易維護(hù)，保養(yǎng)簡(jiǎn)單，使用成本明顯低于燃油車型；③駕駛舒適，新能源環(huán)衛(wèi)車在性能方面不斷優(yōu)化，大部分車型無需變速器或使用自動(dòng)變速器，操作簡(jiǎn)便，駕駛平順性和舒適性大大提高。

1.2 新能源環(huán)衛(wèi)車按作業(yè)場(chǎng)景的分類（表1）

表1 新能源環(huán)衛(wèi)車類型及主要應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比表

新能源環(huán)衛(wèi)車可以廣泛應(yīng)用于城市環(huán)衛(wèi)、道路清掃、垃圾收集和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，其清潔、高效的特點(diǎn)使其成為改善城市環(huán)境品質(zhì)和提升城市管理水平的重要工具，為城市的環(huán)境衛(wèi)生和美化做出了積極貢獻(xiàn)。

2 電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 新能源電機(jī)的定義和分類

電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，可以把電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，或者將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。當(dāng)電能被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能時(shí)，電機(jī)表現(xiàn)出電動(dòng)機(jī)的工作特性；當(dāng)機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成電能時(shí)，電機(jī)表現(xiàn)出發(fā)電機(jī)的工作特性。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，新能源電機(jī)可分為有刷直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等類型[3]。由于永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)突出，新能源環(huán)衛(wèi)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)幾乎全部為永磁同步電機(jī)。

2.2 新能源電機(jī)的主要關(guān)鍵技術(shù)

1）電機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)：包括電磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)等，以提高電機(jī)的功率密度和效率。電機(jī)制造技術(shù)涉及到材料選擇、加工工藝和組裝技術(shù)等。

2）電機(jī)控制技術(shù)：包括電機(jī)控制算法的開發(fā)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效運(yùn)行和性能控制。

3）能量回收技術(shù)：包括制動(dòng)能量回收和行駛能量回收兩個(gè)方面，以提高能源利用效率。

4）故障診斷技術(shù)：包括電機(jī)和電控系統(tǒng)的故障檢測(cè)和診斷，以提高車輛的可靠性和維修性。

5）傳動(dòng)匹配技術(shù)：包括電機(jī)與變速器的匹配和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換和傳遞。

6）電機(jī)安全技術(shù)：包括電機(jī)過載保護(hù)、電機(jī)過熱保護(hù)等安全功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

7）集成設(shè)計(jì)技術(shù)：包括電機(jī)和車輛其他系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)整車性能的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

3 新能源環(huán)衛(wèi)車電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 不同類型新能源環(huán)衛(wèi)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用情況

目前，新能源環(huán)衛(wèi)車根據(jù)儲(chǔ)能方式的不同，主要分為：純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車、混合動(dòng)力環(huán)衛(wèi)車和氫燃料電池環(huán)衛(wèi)車3類，它們的特點(diǎn)和近3年的銷量占比見表2[4]。盈峰環(huán)境開發(fā)的18t燃料電池清洗車如圖2所示。

表2 新能源環(huán)衛(wèi)車類型及主要應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比表

圖2 盈峰環(huán)境18t燃料電池清洗車實(shí)車圖

3.2 不同動(dòng)力型式在新能源環(huán)衛(wèi)車上實(shí)際應(yīng)用

1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)+變速器（單級(jí)減速器）+驅(qū)動(dòng)橋。“驅(qū)動(dòng)電機(jī)+變速器（單級(jí)減速器）+驅(qū)動(dòng)橋”的動(dòng)力型式屬于中央驅(qū)動(dòng)方式的一種。將傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)替換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，后面連接一個(gè)自動(dòng)變速器或者單級(jí)減速器，變速器一般為AMT自動(dòng)變速器，再通過傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)橋。這種動(dòng)力型式大多應(yīng)用在12t級(jí)以上的新能源環(huán)衛(wèi)車上。

2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)（雙電機(jī)）+驅(qū)動(dòng)橋。“驅(qū)動(dòng)電機(jī)（雙電機(jī)）+驅(qū)動(dòng)橋”的動(dòng)力型式也屬于中央驅(qū)動(dòng)方式的一種。這種電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)取消了變速器，消除了換擋沖擊，提高了驅(qū)動(dòng)平順性。18t級(jí)以上新能源環(huán)衛(wèi)車可能采取雙電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)，8～16t級(jí)通常采用單電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)。

3）平行軸（同軸）電驅(qū)動(dòng)橋。電驅(qū)動(dòng)橋的型式屬于中央集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要分為平行軸電橋和同軸電橋兩種。新能源環(huán)衛(wèi)車上常采用平行軸電橋，這種型式的動(dòng)力系統(tǒng)集成度高、傳遞效率高，但是增加了簧下質(zhì)量，一般只在6t級(jí)以下的小噸位車型上應(yīng)用。

4）輪邊（輪轂）電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。輪邊（輪轂）電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在電驅(qū)動(dòng)橋的基礎(chǔ)上去掉主減、差速器、半軸，集成度更高，傳遞效率更高，但是控制難度大，成本也最高，目前在新能源環(huán)衛(wèi)車上的應(yīng)用較少，主要應(yīng)用于小型自動(dòng)駕駛車型上。

4 新能源環(huán)衛(wèi)車電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 新能源環(huán)衛(wèi)車電機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展趨勢(shì)

1）高速電機(jī)。高速電機(jī)通常指轉(zhuǎn)速超過10000r/min的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)速提高后，功率大幅提升，電機(jī)系統(tǒng)功率密度提升，高速電機(jī)還能減少稀土等材料的使用量，系統(tǒng)效率也能得到提升。高速電機(jī)技術(shù)的難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子磁橋設(shè)計(jì)、高速軸承選型等方面。高速電機(jī)技術(shù)已經(jīng)很成熟，在電動(dòng)乘用車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外很多乘用車主機(jī)廠都推出了搭載高速電機(jī)的車型。目前高速電機(jī)在新能源環(huán)衛(wèi)車已經(jīng)開始嘗試搭載，相信在不久后可大量推廣應(yīng)用。

2）扁線電機(jī)。扁線電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都采用扁平的線圈，采用銅箔或者矩形導(dǎo)線制作，從而實(shí)現(xiàn)了尺寸更小、導(dǎo)電效率更高的優(yōu)勢(shì)，使得電機(jī)具備更高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和性能。針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速提升，扁線繞組需要進(jìn)行分層和低集膚效應(yīng)設(shè)計(jì)。扁線電機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，在電動(dòng)乘用車領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，如理想、比亞迪等廠家都推出了應(yīng)用扁線電機(jī)的車型。未來單款新能源環(huán)衛(wèi)車型達(dá)到一定產(chǎn)量需求時(shí)，就可采用扁線電機(jī)技術(shù)。

3）油冷電機(jī)。油冷電機(jī)利用油冷系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效冷卻，相比于風(fēng)冷系統(tǒng)或者水冷系統(tǒng)，油冷系統(tǒng)能夠更有效地將熱量散發(fā)出去，提高電機(jī)的散熱性能和工作效率。按照冷卻油與定子的接觸形式分為間接油冷和直接油冷兩種。油冷電機(jī)技術(shù)已較為成熟，在高性能電動(dòng)汽車和電動(dòng)賽車等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。這些領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的輸出功率和工作溫度要求較高，因此需要采用更強(qiáng)大的冷卻系統(tǒng)來保證電機(jī)的穩(wěn)定工作。未來新能源環(huán)衛(wèi)車如果對(duì)功率密度、扭矩密度有更高的要求，極有可能搭載油冷電機(jī)。

4.2 新能源環(huán)衛(wèi)車電機(jī)市場(chǎng)前景和挑戰(zhàn)

從市場(chǎng)前景上看，新能源環(huán)衛(wèi)車市場(chǎng)將逐步發(fā)展壯大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)市場(chǎng)也將迎來新的機(jī)遇。然而，技術(shù)創(chuàng)新、成本降低和安全性提升等問題仍然是新能源環(huán)衛(wèi)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展的挑戰(zhàn)。2023年前三季度新能源專用汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)配套數(shù)量前10名見表3[5]。

表3 2023年前三季度新能源專用汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)配套排名表

5 結(jié)論與展望

未來，新能源環(huán)衛(wèi)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)將繼續(xù)向高效化、輕量化、集成化和智能化方向發(fā)展。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度和系統(tǒng)效率將進(jìn)一步提高，控制系統(tǒng)將更加智能化，能量回收等技術(shù)將更加成熟。電機(jī)配套廠家應(yīng)繼續(xù)加大電機(jī)技術(shù)的研發(fā)投入，提高其系統(tǒng)效率和可靠性，減低成本。同時(shí)，還需加強(qiáng)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究，提高其精確化、智能化水平。此外，政府和企業(yè)應(yīng)加大對(duì)新能源環(huán)衛(wèi)車的政策支持和市場(chǎng)推廣力度，促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。