淺析電機技術在新能源汽車中的應用

林碧琴

（閩江師范高等專科學校，福建 福州 350018）

我國正在加快推進可持續發展戰略，節約能源和環境保護已經變成一項重大的系統工程。在“雙碳”目標大背景下，汽車產業加速電動化轉型，我國新能源汽車發展迅速。作為新能源汽車的動力元件，電機取代了傳統的發動機作為電力汽車的主體，將電能轉換為機械能以供新能源汽車行駛運行。因此，加強電機技術的研究和應用對于新能源汽車的發展是至關重要的。

1 新能源汽車及對電機技術的要求

1.1 新能源汽車

新能源汽車是一種將傳統能源和最新技術相結合的車輛，通過使用動力電池和發動機組合的模式或純動力電池的形式提供動能的發動機也變為了電機，這種汽車的能源形式打破了傳統的機械式結構，提高了能源的使用效率。新能源汽車更側重于電子元器件的應用開發，尤其是對于電控系統的應用能夠大大提高新能源車的使用感受，另外，還能夠有效降低環境的污染問題發生，提高汽車的動能表現。

1.2 新能源汽車對電機技術的要求

新能源汽車對電機技術的要求非常嚴格，不僅要滿足汽車的行駛性能，還要具備良好的舒適性、環境友好性和耐久性，以及調速范圍寬，以滿足不同的使用需求。電機的調速范圍必須滿足恒定的轉矩和功率，以確保汽車能夠迅速啟動，并在加速和爬坡時提供足夠的動力。當車輛以高速行駛時，為了適應超車等駕駛特點，必須大范圍調速，以保證提供穩定動力。此外，為了提高效率和功率密度，必須確保車輛在一定的轉速和轉矩范圍內，盡量減少功率損失，延長發電機的壽命。電機的設計應具備較強的抗振性和安全性，同時質量輕巧，體積小巧，以減輕車輛的整體重量，提高車身空間利用率，使駕駛者和乘客更加舒適。電機需要具備高效的瞬時功率和強大的過載能力，以滿足汽車在短時間內快速加速和爬坡的需求。此外，電機還需要具備良好的環境適應性，能夠在極端環境如高溫、潮濕等正常工作，并具有較高的制動再生效率。新能源汽車電機應盡可能簡單，成本低廉，以滿足大規模生產的需求，并且具有良好的可靠性和可操作性。

2 電機技術在新能源汽車中的應用

2.1 電機驅動系統

電機驅動系統是新能源汽車的核心部件(電池、電機、電控)之一，其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標。電機驅動系統主要由電機、功率轉換器、控制器、各種檢測傳感器以及電源部分構成，結構框圖如圖1所示。

圖1 電機驅動系統的基本組成框圖

2.2 直流電機驅動控制技術

新能源汽車發展前期，直流電機驅動控制技術是新一代汽車研發和生產制造的主要驅動技術。當晶閘管尚未發現時，人們只能通過機械手段來調控車輛的行駛速度，例如，通過調整蓄電池串聯的數量來控制電機電樞電壓。顯而易見，傳統的技術方法存在許多缺陷，效率低下、可靠性不佳，操作過程中還可能產生頓挫感，嚴重影響舒適度和安全。隨著晶閘管的順利開發，直流電機控制器一般采用晶閘管脈寬調制方式(PWM)，控制性能好，調速平滑度高，控制簡單，技術成熟，且成本較低。但它也存在一些不利因素，比如，效率較低、電刷、換向器等元件老化和損壞頻率較快，必須定期維護和更新，這大大增加了新能源汽車的使用成本，因此，新研制的車型基本不再采用。

2.3 開關磁阻電機驅動控制技術

開關磁阻電機是一款全新的電動機，它的構造比任何電動機都簡潔，而且速度還能到達每分鐘15000轉，運行效率高達90%，擁有優異的扭矩和速度，起動制動性能好、可靠性高、成本低，但電機噪聲高，非線性嚴重，轉矩脈動嚴重，用于電動汽車驅動有利有弊，目前在電動汽車中應用較少。

2.4 交流感應電機驅動控制技術

交流感應電機被廣泛應用于新能源汽車進行動力驅動，使汽車能夠在高速行駛時保持穩定的性能。把三相交流電輸入定子繞組中，通過定子繞組能夠在電流中產生相應的磁場，而在磁場的作用下又會推動轉動力矩旋轉，而將這一力矩作用到機械齒輪中來達到提供汽車動力的目的。此種結構的電機能夠以更加簡單的方式實現能量的轉化，無論是使用過程中的成本維護還是后期的維修保養都相對來說比較簡單。缺點在于這種電機驅動技術往往會伴隨較高的能量消耗，對于速度的線性調整表現較差，另外，在高速行駛過程中還需配備相應的散熱系統，而這部分往往會帶來較高的成本。現階段，交流電機大部分針對于空間使用充足且對于速度要求較低的客車或者物流車。

2.5 永磁同步電機驅動控制技術

近年來，由于新能源汽車電機驅動技術的不斷發展，永磁同步電機驅動控制系統已經被廣泛應用于新能源汽車的開發、控制系統設計和生產中。它不但可以提高95%的效率，而且體積小巧，質量輕，完全沒有了直流電動機換向器和電刷的缺陷，也沒有了開關磁阻電機的噪聲和脈沖問題。隨著電子技術的進步，越來越多的新能源汽車品牌都開始使用永磁同步電機。永磁同步電機系統在新能源汽車中應用主要分為永磁同步電機（正弦波）和永磁無刷直流電機（方波）兩大類，其轉子均由永磁材料制成，定子采用三相繞組，輸入調制方波產生旋轉磁場帶動永磁轉子轉動。永磁無刷電機驅動系統采用全數字化和模塊化結構設計，操作更加簡單，控制技術更加強大，應用能量回饋制動技術，減少了剎車片的磨損，又增加了汽車續駛里程。永磁同步電機具有高功率密度和寬調速范圍，有較大的轉矩和驅動效率，且沒有勵磁損耗和散熱問題，電機結構簡單，體積比同功率的異步電機小。其缺點在于在使用過程中容易出現退磁現象，目前還難以解決，且永磁同步電機在高速運行時控制復雜，維護成本較高，這些影響其在新能源汽車中的使用。

3 電機在新能源汽車上的具體應用

隨著科學技術水平的不斷發展，電機在新能源汽車上的應用越來越廣。電機已經不僅僅應用于新能源汽車的發動機，還在汽車其他部件中也有很好地應用。最常見的電機系統有驅動電機系統、底盤電機系統和零件電機系統。

3.1 電機在發動機中的應用

新能源汽車與常規內燃機車有著顯著的差別，它們采用潔凈的電力驅動，而傳統汽車則使用不可再生資源，這些資源在燃燒過程中會產生一些危險廢氣，對周圍環境產生重大污染。采用新能源汽車有助于改善生態環境，提升出行感受。目前，新能源汽車采用電動機取代常規汽油機，使用潔凈資源作為動力源，以電能轉化為機械能，實現新能源汽車高效、快速、環保的行駛特性。電動機能夠按照不同類型的新能源汽車裝配在不同位置，使用電力來取代常規的熱能驅動汽車，從而實現更加環保的汽車運行。

3.2 電機在底盤中的應用

電機的特性，使其能夠在驅動系統之外的模塊中發揮更大的功用。例如，在底盤上，電機系統可以應用于利用助力和轉向設備協助完成車輛轉向，也可以應用于車輛防抱死系統。傳統的汽車轉向系統依賴于汽車的蓄電池來控制，這種方式既耗時又費力，而且效果一般。然而，在新能源汽車中，為了簡化安裝并最大限度地利用系統動力，采用微型控制器來管理發動機提供周期內的扭矩和電力，從而直接控制汽車底盤的轉向。電機系統是新能源汽車底盤防抱死系統的主要部件，它利用安裝在車輪上的傳感器來實時檢測車輪的狀態，并將信號傳輸到汽車控制系統，以便實現智能化管理。電機系統在底盤中能夠提供優質的電力，以保證車輛行駛的安全性和可靠性。

3.3 電機在汽車零部件中的應用

隨著汽車技術的不斷發展和安全、便捷的要求，電機技術在新能源汽車零部件中的應用也越發廣泛，新能源汽車中各種傳統由人工控制的部件也開始趨近于智能化、自動化，可通過一個完整的電力驅動裝置進行控制。例如，可對新能源汽車后視鏡實行電動收起和展開控制，可對汽車窗戶玻璃完成電動升起和降落，對于汽車雨刷、車門鎖等部件都可以采取電機電動控制。

4 新能源汽車電機技術的發展趨勢

4.1 扁線電機滲透率將快速提升

扁線電機相較傳統圓線電機，大幅提高了功率密度，總銅耗明顯減少，效率也有所提升。扁線電機有效材料成本降低8%～12%，性能優勢更加明顯。在此背景下，新能源汽車扁線電機滲透率加速提升，隨著越來越多的車企換裝扁線電機，行業企業也紛紛布局此領域，華域汽車等多家企業已實現大規模量產扁線電機。目前，扁線電機生產仍面臨著制造工序多且復雜、嚴重依賴高端設備、產線和設備投入較大等問題，未來在企業的發力下，扁線電機產品和工藝上將不斷取得突破，行業將實現大規模產業化。

4.2 集成化、智能化助力行業降本增效

隨著新能源汽車驅動電機技術的快速發展，降低成本、縮小體積、智能控制的需求更加強烈，促使行業向集成化、智能化方向發展。目前，市場上已發布的多合一電驅動系統有三合一、四合一、六合一等等，但三合一電驅動系統較為常見，通過將驅動電機、端蓋與減速器三個部件進行兩位一體化或三位一體化設計，不僅可降低單體電機的金屬用量，減少成本支出，還可以縮小電驅動系統體積，降低重量，增大車內空間，滿足汽車輕量化要求，提升續航里程。同時，多合一電驅動系統對產品設計協調、冷卻系統設計、智能控制等方面提出了更高的要求。未來多合一電驅動系統技術將成為企業研發的重點，迎來更大的發展。

5 結語

綜上所述，新能源汽車具有非常廣闊的發展前景，是全世界都在進行研究和發展的目標。作為新能源汽車核心部件之一的電機，就需要我們不斷進行研究，制造出轉矩性能高、安全可靠、輕量化、使用壽命長的電機，不斷發展電機驅動技術，實現系統集成化、控制智能化，推進電機技術在新能源汽車中更科學地應用。