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浅析新能源汽车驱动电机




1 驱动电机的发展趋势及分类



1.1 驱动电机的发展趋势



从行业配套来看,新能源乘用车主要使用的是永磁同步电机和交流异步电机。其中,永磁同步电机得益于节能、效率、轻量化等优势,使用最多,但由于转子结构较为复杂,且需要使用昂贵的稀土永磁材料,如钕铁硼等,因此出于成本、可靠性等因素考虑,部分车系采用交流异步电机。

我国驱动电机已经自主开发出满足各类新能源汽车的产品,部分主要性能指标已达到国际先进水平,但是在峰值转速、功率密度及效率方面与国外仍存在一定的差距。峰值转速是电机的重要指标,也是目前国内电机较之国外差距最明显的指标。国内绝大部分永磁同步电机的峰值转速在10000rpm 以下,而国外基本在10000rpm 以上。国内电机在功率方面基本能够达到国际水平,但是在同功率条件下存在重量劣势,因此功率密度存在较大差距。国内的永磁同步电机功率密度多在(1 ~2)kw/kg 区间内,与2020 年3.5kw/kg 的目标值存在较大差距。在电机效率方面,国内电机的最高效率均达到94%~96%,已达到西门子、博世等企业的水平,但是在高效区方面,如系统效率大于80%的区域占比方面尚存在一定差距。我国电机的高效区占比集中在70%~75%,而国外电机基本达到80%。另外,电机的冷却方式已经从自然冷却逐步发展为水冷,国内电机采用水冷为主,国外先进的电机已经发展到油冷电机。

由我国《节能与新能源汽车技术路线图》分析,驱动电机主要发展趋势有以下几个方面:

集成化--与整车的电子控制器的集成和机电耦合的集成;

高效化--提高功率密度并降低成本;

智能化--与整车传感器、控制器配合不断提升驱动系统的性能。




1.2 驱动电机的主要分类



驱动电机历史悠久,在1885 年被美国的尼古拉·特斯拉申请了感应电动机专利,之后不断衍生出各式各样的电动机,被各行各业所广泛使用。下面,按照驱动电机的电源对其进行分类:

图1

从图1 可见,电机的种类繁多,每个电机都有自己的特点。结合市场,简单比较主流驱动电机的性能,如下表:

表1

上表的经验性统计,结合新能源汽车复杂的工况:频繁停车启动、加速减速、负载爬坡、持续高速、低速蠕动等分析,交流异步电机和永磁同步电机在尺寸、质量、功率密度、效率等优势明显,因此逐渐成为新能源汽车的主流选择。




2 新能源汽车对驱动电机的性能要求

以内燃机和驱动电机为动力的汽车早在19 世纪就开始了较量,经过不断的发展优化、竞争,电动车因充电慢,续航短等劣势成为小众车型,而内燃机最终以其稳定、可靠、加油方便等优势称霸全球。

发动机和驱动电机同为汽车的核心动力,为汽车提供驱动力,有相似必然也有不同之处,下面分析两者的主要差异。




2.1 发动机和驱动电机主要差异对比分析



(1)结构对比。发动机结构复杂,主要由曲柄连杆机构、燃油供给机构、冷却机构、启动系统、润滑系统等,机械结构复杂,制造、工艺要求、成本等较高。重量、体积均较大。

驱动电机结构简单,主要由转子、定子、壳体、冷却系统等组成,部件较少,制造简单,成本较低。整车使用过程中电机基本上免维护。

(2)标定控制和耗能对比。发动机需要配合变速箱来达到变速变扭的目的,因此标定控制必须结合发动机和变速箱匹配,标定流程非常复杂,需要同时为发动机和变速箱配置控制器。而驱动电机由于其特殊的性能,仅需一台单级减速器来减速增扭即可,只需要为电机配置一台控制器,标定也较发动机简单很多。

发动机主要以汽油和柴油等有限的石化资源燃烧产生热能,再转换为机械能,热效率较低,最高仅40%。整个过程热能损失、机械损失较大,产生的废气污染环境。驱动电机主要由电池供电,电能的获取方式非常多,可以从风能、核能、地热等可持续资源获取。电能转化为机械能,效率普遍在90%左右,且零排放、无污染。

(3)性能对比。对于一辆汽车来说,发动机和驱动电机的扭矩和功率是动力性能至关重要的两个参数。扭矩表示从动力源输出端输出的力矩,功率是指动力源单位时间内做功的快慢,两者决定了一辆汽车的加速性能、爬坡性能等。

图2

如上图所示,发动机和驱动电机的转矩特性和驱动特性的对比可知,驱动电机几乎在启动之际即达到最大扭矩,低扭性能强劲,且调速范围较宽。而发动机的最大扭矩必须配合复杂的变速器,在达到一定转速时才会出现。

另外,驱动电机高速状态下的恒功率转速范围较为宽范,且效率大概在90%,远高于发动机的效率。运行时,电机在噪声方面的优势也远优于发动机。




2.2 新能源汽车对驱动电机的性能要求



(1)重量轻、体积小。新能源汽车轻量化和有效空间的需求使得驱动电机在达到要求的同时必须质量轻、体积小,降低整车整备质量,为汽车动力性和续航做贡献。

(2)长寿命、高可靠性。驱动电机作为汽车的核心部件,防尘、防水、防震等性能的要求必须符合要求,寿命及可靠性必须和整车一样,在整个汽车的生命周期基本不会出现任何问题。

(3)高耐压性。在允许的范围内应尽可能采用高电压,可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸,特别是可以降低逆变器的成本。

(4)整个转速范围的高效率。为了保证续驶里程长,驱动电机在整个转速范围尽可能高效率运行,特别是路况复杂以及行驶方式频繁改变时,低负荷运行也应该具有较高的效率。

(5)低速大扭矩特性和较宽范围的恒功率特性。驱动电机应具有汽车行驶所需要的转矩特性,满足汽车启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率及转矩。如下图所示转矩转速特性图。

图3

(6)电器系统的安全性。目前,市场上新能源汽车的工作电压基本上在300V 以上,对电气系统包括电机的安全性,都必须符合相关车辆电气控制的安全性能标准和规定。




3 主流驱动电机的简要论述

目前,新能源汽车领域的驱动电机基本被永磁同步电机和交流异步电机“垄断”,下面简要论述两种电机的构造、原理和特点。




3.1 永磁同步电机



我国在稀土资源方面优势明显,结合各个方面的因素,从节能、成本、性能等角度考虑,未来永磁同步电机将是乘用车领域的绝对主力。

(1)基本构造。永磁同步电机主要由端盖、壳体、定子和转子等组成,最核心的为嵌入或贴入永磁体磁极的转子结构,永磁体多采用一种名为钕铁硼的稀土类磁铁

(2)基本原理。永磁同步电机的定子部分通入由逆变器调制的三相交流电后,定子电枢产生空间磁场,它与永磁体转子(磁极固定)相互作用,通过同性相斥异性相吸的原理,产生与定子旋转磁场方向相同的电磁转矩输出,即转子旋转速度等于旋转磁场的速度,称为“同步”。当输出的转矩超过转子的摩擦转矩以及由于永磁体的阻尼转矩时,电机便开始向外做功,克服汽车的滚动阻力、空气阻力、加速阻力等,驱动汽车行驶。

(3)基本特点。永磁同步电机的特点主要有节能、功率密度大、效率高、尺寸小、重量轻等。缺点主要是转子结构较为复杂,成本较高,存在高温退磁的风险,在弱磁方面的控制较难。




3.2 交流异步电机



三相交流异步电机是目前较为成熟的驱动电机,也被称为感应电机,国外著名的特斯拉Model S 和国内的蔚来ES8 出于成本、控制等因素都采用了此类电机。

(1)基本构造。交流异步电机的构造和永磁电机大致相同,也是由端盖、壳体、定子和转子组成,不同的是转子部分,无永磁体,主要分为鼠笼式转子和绕线式转子。

(2)基本原理。异步电机的三相定子绕组通入交流电,产生一个旋转磁场,此磁场切割转子绕组,从而使转子绕组产生感应电动势。由于转子绕组是闭合通路,转子中便产生电流,方向和感应电动势相同,而载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力,由电磁力进而产生电磁转矩,驱动电机轴旋转,克服阻力,进而驱动汽车行驶。

(3)基本特点。异步电机的优点主要有控制技术成熟、成本低、结构相对简单,缺点主要是有励磁损失,能耗较大,低速启动性差,轻载时效率低,相对永磁电机在节能、效率方面不足。

综上分析,在国家倡导节能,新能源汽车高续航,车型轻量化的大前提下,永磁同步电机在这发面的优势远大于交流异步电机,在逐步解决永磁电机退磁、高速控制等问题后,必将成为新能源汽车的核心驱动系统。




4 结论

未来,随着动力电池能量密度的增加,充电基础设施的普及,甚至无线充电的出现,消费者不再担忧续航里程,充电像加油一样快速、便利,再加上动力系统驱动电机优秀的加速性能,可忽略的震动、噪音,无需频繁的保养等等,新能源汽车一定会非常普及,成为未来的主力车型。

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