淺談新能源汽車電驅(qū)動技術(shù)

周清霞 孫國超

摘 要：介紹汽新能源汽車電驅(qū)動發(fā)展背景，分析國內(nèi)外專利發(fā)展的歷程和發(fā)展現(xiàn)狀，對各國的專利申請重心和趨勢作了統(tǒng)計和分析，并對比了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，最后簡單介紹了新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展路線。

關(guān)鍵詞：新能源；電驅(qū)動；電機

一、技術(shù)發(fā)展背景

新能源汽車電驅(qū)動主要由整車控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機系統(tǒng)以及自動變速器系統(tǒng)構(gòu)成，驅(qū)動電機作為新能源汽車的核心部件處于產(chǎn)業(yè)鏈中游，在電動汽車發(fā)展的早期，采用直流電機方案，雖然其控制方式容易，調(diào)速優(yōu)良，但其復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)是其突出的短板，損耗大、維護成本高，目前的電動汽車已將直流電機淘汰，現(xiàn)階段主要采用的是交流異步電機和永磁同步電機，近年來出現(xiàn)的新型開關(guān)磁阻電機雖然具有結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點，但是由于其噪音大，目前處于研究階段，并未大量投入使用中。

二、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，交流異步電機主要是以特斯拉為首的美國車企和部分歐洲企業(yè)使用，全球69%的新能源汽車采用的是永磁同步電機，因此永磁同步電機全球?qū)＠暾埍３制椒€(wěn)上升趨勢。

特斯拉之所以選用交流異步電機與其最初的技術(shù)路徑選擇有關(guān)，交流感應(yīng)電機價格低廉，而偏大的體積對美式車并無掛礙；另一方面，美國高速路網(wǎng)發(fā)達，交流電機的高速區(qū)間效率性能上佳，因此歐美的永磁同步電機的專利申請量一直處于低迷的狀態(tài)（圖1）。 包括中國、日本在內(nèi)的其他國家新能源汽車電機最廣泛使用的仍是永磁同步電機。適合本國路況是主要因素，永磁同步電機在反復(fù)啟停、加減速時仍能保持較高效率，對高速路網(wǎng)受限的工況是最佳選擇。此外，我國稀土儲量豐富，日本稀土永磁產(chǎn)業(yè)有配套基礎(chǔ)也是重要因素。日本和中中國的專利申請量占據(jù)了絕對的優(yōu)勢，而日本依托其稀土永磁產(chǎn)業(yè)獨特發(fā)展的先天優(yōu)勢，起步早，在2012年申請量達到了巔峰期，占據(jù)了絕對的市場和技術(shù)優(yōu)勢，而中國稀土產(chǎn)業(yè)開始于1886年，因此永磁同步電機起步于1886年，先階段已處于專利高速增長時期，也源于永磁同步電機目前在我國新能源汽車中的使用占比超過90%。

目前，我國新能源汽車配套電機市場仍然是國內(nèi)自給，國際競爭對手參與較少。國內(nèi)技術(shù)水平與國外相比，仍有不少差距。以專利作為技術(shù)儲備衡量，我國新能源汽車電機專利申請總量位于世界第二，目前申請量是僅次于日本，處于不斷增長趨勢。

全球永磁同步電機專利申請人排名前十（圖2）來看，日本電機實力強勁，其中日立的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多元化，不僅在永磁材料中處于專利壟斷地位，其永磁同步電機申請量也是位居榜首。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、山東理工大學(xué)、東南大學(xué)、大洋電機、江蘇大學(xué)、比亞迪等企業(yè)和研究機構(gòu)具有豐富的技術(shù)儲備。 前新能源汽車驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)頗具吸引力，潛在市場空間較大、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未確定、整車供應(yīng)鏈未成熟，能夠伴隨新能源汽車一同壯大，正是理想的朝陽行業(yè)。

縱觀中國永磁同步電機專利申請人排名前十來看，現(xiàn)階段中國主要有四類市場（潛在）參與者：傳統(tǒng)電機生產(chǎn)企業(yè)、汽車零部件供應(yīng)商、整車企業(yè)內(nèi)部配套、高?？蒲袡C構(gòu)。這四類參與者中高校申請占據(jù)了前十中的七席，可見高校掌握了大多數(shù)的前沿技術(shù)，然后研發(fā)成果轉(zhuǎn)化率低，并沒有大量投入產(chǎn)業(yè)化中，比如東南大學(xué)，在混合勵磁這一塊的研發(fā)由來已久，將永磁同步電機與開關(guān)磁阻電機結(jié)合在一起，克服開關(guān)磁阻電機和永磁同步電機自身的缺陷，并進行了大量的專利申請，但是就目前國內(nèi)新能源汽車電機的市場份額來看，并沒有得到推廣，研發(fā)成果沒有得到合理的轉(zhuǎn)化，從長遠的角度來看，企業(yè)和高校之前達成產(chǎn)學(xué)研合作，將成果轉(zhuǎn)化是未來發(fā)展的一個方向。傳統(tǒng)電機企業(yè)產(chǎn)能成熟、電機生產(chǎn)制造經(jīng)驗豐富，且中小電機行業(yè)近幾年持續(xù)低迷，使其具有迫切的向新能源驅(qū)動電機轉(zhuǎn)型的需求。這類企業(yè)生產(chǎn)線可以較快的技改切換適應(yīng)激增的新能源汽車訂單，在競爭中最具實力。如大洋電機已轉(zhuǎn)型進入新能源汽車驅(qū)動電機生產(chǎn)陣營。

三、技術(shù)演進路線

按照永磁同步電機結(jié)構(gòu)構(gòu)成，將其劃分為磁路零部件、燒結(jié)釹鐵硼、冷卻系統(tǒng)、繞組零部件四個分支，其中磁路零部件是各大車企關(guān)注的技術(shù)重點，其申請量在各大分支中占據(jù)了絕對的優(yōu)勢，而永磁體對磁路結(jié)構(gòu)的性能起著決定性的作用，稀土永磁電機對于工作環(huán)境要求比較苛刻，超過180℃的稀土永磁材料將出現(xiàn)不可逆的退磁和失效情況；在劇烈振動或溫差較大的情況下容易出現(xiàn)斷裂；材料容易氧化腐蝕，必須進行表面涂裝才能使用；稀土永磁電機對于過載十分敏感，一旦過載將導(dǎo)致永磁材料的退磁。

稀土稀土永磁材料是金屬系和鐵氧體系之后開發(fā)成功的第三代永磁材料，釹鐵硼在內(nèi)稟矯頑力、磁能積和剩磁強度等性能系數(shù)上都表現(xiàn)卓越，獨具比較優(yōu)勢。其內(nèi)稟矯頑力是Sm2Co17的2倍，鐵氧體的5倍；最大磁能積是Sm2Co17的1.5倍，鐵氧體的10倍；剩磁是Sm2Co17的1.2倍，鐵氧體的3倍。事實上，要實現(xiàn)相同磁力，所需釹鐵硼的體積僅為鐵氧體的1/13，Sm2Co17的1/2，燒結(jié)釹鐵硼不管是矯頑力還是磁能積都優(yōu)于所有的永磁材料以及所有的成型工藝，因此最終我們從永磁材料中聚焦到燒結(jié)釹鐵硼。

釹鐵硼在需求端被替代，有兩種可能性，一是被性能更加優(yōu)越的磁性材料替代，例如第四代稀土永磁材料，稀土鐵氮體；二是由于性價比原因，被一些性能稍差的材料替代，例如鐵氧體或釤鈷磁體。第一種可能性，從性能角度來看，鑒于第四代稀土永磁材料形成成熟工藝走向?qū)嵱弥辽龠€需幾十年，短期難以出現(xiàn)性能更加優(yōu)越的磁性材料。第二種可能性，從性價比角度來看，釤鈷磁體、鐵氧體都有可能在低端領(lǐng)域部分替代甚至完全替代釹鐵硼磁材，而在高端領(lǐng)域，釹鐵硼的剛性需求和新興需求難以替代?，F(xiàn)階段燒結(jié)釹鐵硼主要是中國和日本在使用，因此日本和中中國的專利申請量占據(jù)了絕對的優(yōu)勢，而日本依托其稀土永磁產(chǎn)業(yè)獨特發(fā)展的先天優(yōu)勢，起步早，占據(jù)了絕對的市場和技術(shù)優(yōu)勢，中國的燒結(jié)釹鐵硼規(guī)模雖然位居全球第1，但是主要產(chǎn)品集中在中低性能磁性材料，高性能磁性材料市場主要被日本企業(yè)占據(jù)，日立金屬的燒結(jié)釹鐵硼基本上都是高性能產(chǎn)品，目前磁能積水平最高的燒結(jié)釹鐵硼永磁體是日立研制的，日立在釹鐵硼發(fā)展路徑中一個最重要的途徑是并購，在多元化過程中，確保各個領(lǐng)域之間能夠相互支持，比如技術(shù)互補性、技術(shù)的優(yōu)化或提升，新材料核心技術(shù)的形成需要長期積累，并通過并購獲取或強化自身的核心技術(shù)可以達到事半功倍的效果。

四、總結(jié)

目前我國磁性材料上市公司也開始參考日本

的并購模式，通過并購以謀求突破單一業(yè)務(wù)的天花板，尋求更大的成長空間，從目前并購的標(biāo)來看，基本上屬于穩(wěn)健性的相關(guān)性并購，但是并購標(biāo)的在市場知名度、核心技術(shù)等方面與日立金屬的相比還有差異，強強聯(lián)合型并購較少，基本上屬于試探性并購，還處于并購的初期階段，且缺少與車企之間的合作聯(lián)盟。

作者簡介：

周清霞，出生年月：19890212，性別：女，民族：漢，籍貫（精確到市）：湖北省天門市，當(dāng)前職務(wù)：專利審查員，當(dāng)前職稱：助理研究員，學(xué)歷：碩士，研究方向：電力

孫國超（等同于第一作者），出生年月：19841214，性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：湖北省棗陽市，當(dāng)前職務(wù)：硬件研發(fā)工程師，當(dāng)前職稱：中級工程師，學(xué)歷：碩士，研究方向：硬件設(shè)備