新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)研究

莊勛

摘 要：隨著全球汽車行業(yè)不斷朝著新能源汽車方向發(fā)展，新能源汽車中使用到的各種零部件也迎來(lái)了很大的發(fā)展契機(jī)。以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為代表，由于各供應(yīng)商的技術(shù)路線不一樣，在產(chǎn)品的性能和對(duì)車輛的影響程度上存在比較大的差異。本文對(duì)新能源汽車中使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和將來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明，并著重對(duì)永磁電機(jī)和輪轂電機(jī)當(dāng)前發(fā)展的狀況和技術(shù)瓶頸等進(jìn)行分析，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，希望能對(duì)相關(guān)行業(yè)起到一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;驅(qū)動(dòng)電機(jī);永磁電機(jī);輪轂電機(jī);發(fā)展現(xiàn)狀;趨勢(shì)

1 引言

據(jù)資料顯示，2018年我國(guó)的新能源汽車全年累計(jì)生產(chǎn)臺(tái)數(shù)為127萬(wàn)輛，全年累計(jì)銷量為125.6萬(wàn)輛。占據(jù)了當(dāng)前全部汽車銷量的4.5%，而在2017年，這一數(shù)據(jù)還不足3%。從當(dāng)前的數(shù)據(jù)來(lái)看，2019年的比例將會(huì)更高。新能源汽車的發(fā)展勢(shì)頭如此迅猛，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了廣闊的前景和機(jī)遇。當(dāng)前，電機(jī)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展，受到了新能源汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注。

2 電機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，電機(jī)技術(shù)主要存在直流電機(jī)、交流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、輪轂電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)這幾大類。直流電機(jī)和交流電機(jī)根據(jù)特性來(lái)分類又可以再次分類。這幾種電機(jī)各有自己的特點(diǎn)，以轉(zhuǎn)速范圍來(lái)區(qū)分，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)最高，在15000r/min以上，其次是交流異步電機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍約在12000-15000r/min，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍比較大，大約在4000-15000r/min，而直流電機(jī)轉(zhuǎn)速最低，在4000-6000r/min之間;以性能的可靠性和結(jié)構(gòu)的牢固性來(lái)區(qū)分，交流異步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的可靠性最強(qiáng)，其次是永磁同步電機(jī)，而直流電機(jī)的安全可靠性需要再加強(qiáng);以體積和重量來(lái)區(qū)分，永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，而直流電機(jī)體積大，重量也重，交流異步電機(jī)居于其中;從成本上來(lái)看，交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)最高，直流電機(jī)成本低，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)居中。

近些年，受到新能源汽車發(fā)展的影響，我國(guó)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jīng)開(kāi)發(fā)出了適合其使用的各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)。不過(guò)與國(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)在以下技術(shù)參數(shù)方面還存在著一定的差距：

①電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速

峰值轉(zhuǎn)速的高低作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要指標(biāo)，是衡量驅(qū)動(dòng)電機(jī)水平的一個(gè)重要參數(shù)。在永磁電機(jī)重，我國(guó)自主產(chǎn)品基本在10000r/min以內(nèi)，而國(guó)外先進(jìn)的同類型產(chǎn)品基本超過(guò)了10000r/min;

②功率的密度

目前，我國(guó)的永磁同步電機(jī)功率密度基本在1-2kw/kg的范圍內(nèi)，而國(guó)外先進(jìn)水平已經(jīng)超出了這個(gè)值。為了追趕國(guó)際上的先進(jìn)水平，我國(guó)也制定了2020年要達(dá)到3.5kw/kg的目標(biāo)值。

③效率

在效率方面，我國(guó)電機(jī)的最高效率基本在94%-96%的范圍水平，和國(guó)際上西門子、Remy等先進(jìn)企業(yè)的水平相差無(wú)幾，不過(guò)，在高效區(qū)的面積方面，我國(guó)電機(jī)的水平和國(guó)際上先進(jìn)的水平相比，還存在不少的差距，比如在系統(tǒng)的效率80%以上，我們稱之為高效區(qū)，在這一區(qū)域，我國(guó)的電機(jī)總的達(dá)到時(shí)間比較少，正常運(yùn)行時(shí)高效區(qū)面積基本占比為73%左右，而國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了80%以上。

④冷卻方式

為了提高電機(jī)的運(yùn)行效率，降低由于高溫帶來(lái)的點(diǎn)擊運(yùn)行故障，僅僅依靠自然冷卻，顯然無(wú)法滿足使用要求。因此，必須依托其它的冷卻技術(shù)來(lái)降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的電機(jī)冷卻方式較常見(jiàn)的為水冷，國(guó)外的先進(jìn)企業(yè)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(jī)的發(fā)展瓶頸

第一，功率的密度有限

為了提高電機(jī)的功率，通常會(huì)采用提高電機(jī)的扭矩或者轉(zhuǎn)速。不過(guò)，這兩種方式都有一定的弊端，提高電機(jī)的扭矩，會(huì)造成國(guó)在電流的增大，使得電機(jī)的溫度升高，并且，由于水冷的能力有限，給電機(jī)的散熱帶來(lái)不利的影響;而提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鐵磁的損耗會(huì)增大，這時(shí)，就需要采用性能更好的低飽和硅鋼片，這樣就會(huì)造成電機(jī)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(diǎn)

永磁同步電機(jī)中的永磁材料，是影響永磁電機(jī)性能的重要一項(xiàng)因素。當(dāng)前，我國(guó)的永磁材料為釹鐵硼，這種材料的缺點(diǎn)為溫度的穩(wěn)定性較差、存在不可逆的損失、溫度的系數(shù)較高、以及在高溫時(shí)鐵磁的性能損失比較嚴(yán)重，從而進(jìn)一步影響到整個(gè)電機(jī)的運(yùn)行性能。

第三，受生產(chǎn)工藝技術(shù)限制，不良率較高

制造業(yè)最重要的除了開(kāi)發(fā)技術(shù)水平，還有生產(chǎn)制造的經(jīng)驗(yàn)積累。由于我國(guó)在這方面的投入時(shí)間較短，雖然技術(shù)上已經(jīng)朝著國(guó)際的先進(jìn)水平發(fā)展，不過(guò)在制造方面，由于缺少經(jīng)驗(yàn)的積累，生產(chǎn)過(guò)程中的不良率較高，直接影響到產(chǎn)能，無(wú)法形成大規(guī)模的配套。隨著新能源汽車的大規(guī)模發(fā)展，永磁同步電機(jī)的工藝技術(shù)水平必須要突破當(dāng)前的限制，才能滿足未來(lái)巨大市場(chǎng)的需求。

4 輪轂電機(jī)的發(fā)展

輪轂電機(jī)的技術(shù)，最早應(yīng)該是保時(shí)捷應(yīng)用到純電動(dòng)的汽車中。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)發(fā)展和沉淀，全球很多知名的電機(jī)廠家已經(jīng)相繼開(kāi)發(fā)出各種規(guī)格的輪轂電機(jī)產(chǎn)品，以滿足新能源汽車的發(fā)展需求。由于各企業(yè)走的技術(shù)路線不同，產(chǎn)品的性能以及體積大小存在一定的差異。以英國(guó)的Protean、法國(guó)的TM4和杭州亞太依拉菲這三家企業(yè)為例，在重量上，杭州亞太依拉菲重量為23kg，法國(guó)的TM4居中，為26k，而英國(guó)的Protean公司產(chǎn)品最重，達(dá)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(guó)的TM4分別為1700Nm和120kw，而英國(guó)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(jī)暫時(shí)沒(méi)有該方面的信息數(shù)據(jù)，法國(guó)的TM4分別為600Nm和37kw，英國(guó)的Proteam分別為650Nm和54kw。

與其它類型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，輪轂電機(jī)存在以下的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)如下：

①效率較高，由于采用的時(shí)直接驅(qū)動(dòng)車輪的方式，動(dòng)力傳輸方面能量損失較少，有利于車輛的節(jié)能;

②控制比較方便。通過(guò)直接控制車輪的轉(zhuǎn)速和扭矩，減少了轉(zhuǎn)彎的半徑，在制動(dòng)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(shí)現(xiàn)各功能的模塊化開(kāi)發(fā)。當(dāng)進(jìn)行不同項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，可以有效采用其它項(xiàng)目的部分模塊，有利于開(kāi)發(fā)費(fèi)用的降低和開(kāi)發(fā)周期的縮短。并且，利用現(xiàn)有成熟技術(shù)，降低了新技術(shù)的使用而帶來(lái)的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

它的主要缺點(diǎn)如下：

①?gòu)椈上碌馁|(zhì)量增加了，影響到操控。進(jìn)而使得懸架的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng);

②電機(jī)在運(yùn)行時(shí)所造成的熱量，由于電機(jī)是內(nèi)置式，不利于熱量的散發(fā)，從而影響到電機(jī)的性能以及使用壽命;

③電機(jī)和輪轂是高度集成，而輪轂的工作環(huán)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(dòng)容量較低，需要其它機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)共同完成某些動(dòng)作，能耗方面比較大。

鑒于輪轂電機(jī)在性能上存在的一些缺點(diǎn)，技術(shù)人員也提出了一些對(duì)應(yīng)措施，主要的技術(shù)手段如下：

①針對(duì)穩(wěn)定性和舒適性方面，通過(guò)對(duì)減振系統(tǒng)的優(yōu)化，達(dá)到降低減振的效果，比如，合理的布置質(zhì)量，改變結(jié)構(gòu)，以此改變車輛制動(dòng)部分的固有頻率;通過(guò)建立模型，對(duì)懸掛系統(tǒng)的剛度和阻尼的參數(shù)匹配與懸架和車輪進(jìn)行合理的匹配，以降低簧下的質(zhì)量，提高穩(wěn)定性;

②針對(duì)散熱問(wèn)題，通過(guò)液冷使用高導(dǎo)熱系數(shù)環(huán)氧樹脂對(duì)定子、機(jī)殼和液冷鋁環(huán)進(jìn)行澆注，在轉(zhuǎn)子上開(kāi)槽，利用轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)電機(jī)內(nèi)的空氣流動(dòng)達(dá)到散熱的效果;

③針對(duì)制動(dòng)回收問(wèn)題，將車速、輪轂電機(jī)的制動(dòng)力矩、電機(jī)的轉(zhuǎn)速為輸入，并優(yōu)化控制策略，創(chuàng)新布置電動(dòng)汽車前后軸的制動(dòng)力;

④針對(duì)工作環(huán)境惡劣的問(wèn)題，在輪轂電機(jī)外殼的設(shè)計(jì)上，通過(guò)形狀的設(shè)計(jì)優(yōu)化，達(dá)到防塵防水等問(wèn)題，并且，對(duì)輪轂電機(jī)和整車的匹配性進(jìn)行優(yōu)化分析，以達(dá)到消除減振的目的，從而降低電機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題。

在各大電機(jī)企業(yè)中，由于仍存在制造成本高、構(gòu)成系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題，使得輪轂電機(jī)當(dāng)前在新能源汽車中的應(yīng)用受到一定的限制。不過(guò)隨著技術(shù)研究的不斷深入，相信這一問(wèn)題會(huì)得到解決。

5 未來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析

當(dāng)前新能源汽車的制造中，也多以永磁同步電機(jī)為主。而交流異步電機(jī)在功率密度上存在一定的局限性，電機(jī)和控制器的成本也比較高，未來(lái)的市場(chǎng)必將逐漸減少。而輪轂電機(jī)隨著技術(shù)的不斷完善和成熟，在新能源汽車市場(chǎng)中的應(yīng)用會(huì)逐步擴(kuò)大。前文中所講述到的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，雖然在功率密度等方面具有較好的性能，不過(guò)由于其體積較大，運(yùn)行時(shí)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(wèn)題，才有可能會(huì)在新能源汽車市場(chǎng)中得到應(yīng)用。

總體上來(lái)看，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的趨勢(shì)主要為：①高度集成化。它將會(huì)覆蓋電子控制器的集成和機(jī)電耦合的集成;②效率大幅提升。由于功率密度的提高，運(yùn)行效率會(huì)大大提升，同時(shí)，工藝技術(shù)的優(yōu)化，使得制造成本降低;③智能化和數(shù)字化，通過(guò)與車輛的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，與控制器高度配合，從而進(jìn)一步提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。

6 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車作為未來(lái)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和方向，在未來(lái)的數(shù)年，必將會(huì)得到高速發(fā)展。作為新能源汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)來(lái)源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能對(duì)整個(gè)車輛的運(yùn)行性能起到了非常重要的影響。我國(guó)為新能源汽車的發(fā)展提供了良好的政策環(huán)境，作為新能源汽車的核心零部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的零部件制造商也要抓住機(jī)遇，通過(guò)持續(xù)研究和試驗(yàn)，不斷提高技術(shù)水平，并針對(duì)當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)在實(shí)際用于中存在的問(wèn)題進(jìn)行對(duì)策分析，提出有效的改善措施，為我國(guó)新能源汽車的事業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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