電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀分析

陳亞莉

摘要：近年來，環(huán)境和能源問題正引起人們的高度重視，因此研發(fā)節(jié)約能源、少污染甚至無污染的綠色新能源汽車已成為全球的熱點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為純電動(dòng)汽車的核心零部件，其性能直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和能源轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)還需要滿足汽車結(jié)構(gòu)尺寸的限制及復(fù)雜工況下的運(yùn)行條件。本文重點(diǎn)對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行介紹，并對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)目前的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;驅(qū)動(dòng)電機(jī);現(xiàn)狀

0引言

純電動(dòng)汽車指僅由電能驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，我國2012年發(fā)布的《節(jié)能與電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》中所指的純電動(dòng)汽車為符合國家“雙80”標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)汽車。純電動(dòng)汽車技術(shù)主要包括動(dòng)力電池及電池管理技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制技術(shù)、整車控制技術(shù)等。受限于電池技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車目前面臨的最大問題主要為續(xù)航里程及成本問題，在電池能量密度低這一“瓶頸”問題沒有取得重大突破之前，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的效率顯得尤為重要。

1電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)分析

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為純電動(dòng)汽車的核心零部件，其性能直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和能源轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)還需要滿足汽車結(jié)構(gòu)尺寸的限制及復(fù)雜工況下的運(yùn)行條件。因此，電動(dòng)汽車除了要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率高、重量輕、尺寸小、功率密度大、扭矩密度大、可靠性高以及成本低以外，還必須能夠滿足汽車的頻繁起動(dòng)、停車、爬坡、急加速、急減速和倒車等復(fù)雜工況要求。這就要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)還需要具備寬廣的調(diào)速范圍和較大的過載能力，以滿足低速時(shí)高起動(dòng)扭矩和爬坡能力，高速巡航時(shí)恒功率輸出能力。同時(shí)為進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，還要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有能量回收功能，即在車輛減速或者制動(dòng)時(shí)將車輛的部分動(dòng)能回收，轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到動(dòng)力電池中。

綜合上述要求及特點(diǎn)，目前比較常見的可作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的電機(jī)主要有四種：直流有刷電機(jī)、交流異步感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)。

1.1直流有刷電機(jī)

直流有刷電機(jī)因控制簡單、生產(chǎn)技術(shù)成熟在電動(dòng)汽車發(fā)展早期得到了廣泛的采用。但因其結(jié)構(gòu)上存在電刷和換向器而限制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速和過載能力，同時(shí)其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，可靠性較差，需要經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)，目前在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中已經(jīng)被淘汰。

1.2交流異步感應(yīng)電機(jī)

交流異步感應(yīng)電機(jī)與直流電機(jī)相比，效率高、功率大、結(jié)構(gòu)簡單，無電刷和換向器，可靠性高、便于維護(hù)。但與永磁電機(jī)相比，其存在損耗大、功率密度低、發(fā)熱量大、功率因數(shù)低等缺陷，在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用也逐漸被永磁電機(jī)所取代。

1.3開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)是近年來新研發(fā)的一種電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行效率高、易于散熱、耐高溫以及維護(hù)方便等顯著特點(diǎn)，能夠較好地滿足電動(dòng)汽車的需求。但其扭矩脈動(dòng)嚴(yán)重，電機(jī)運(yùn)行噪聲大，與永磁同步電機(jī)相比效率和功率密度均偏低，限制了其在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用。

1.4永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)采用永磁體直接勵(lì)磁，具有體積小、無勵(lì)磁損耗、效率和功率密度高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、振動(dòng)和噪聲小、可靠性高以及維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸取代其他類型的電機(jī)作為電動(dòng)汽車的首選。但永磁材料在高溫、振動(dòng)以及過流的條件下，會(huì)產(chǎn)生不可逆的退磁現(xiàn)象，這會(huì)降低永磁電機(jī)的性能。因此還需通過技術(shù)、工藝等方面的研究來提升永磁同步電機(jī)的性能水平。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在19世紀(jì)20年代，人類發(fā)明的第一臺(tái)電機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的永磁電機(jī)。隨著永磁材料的不斷發(fā)展，人們相繼發(fā)現(xiàn)鋁鎳鈷永磁、鐵氧體永磁、稀土鈷永磁以及釹鐵硼永磁等永磁材料。特別是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的釹鐵硼永磁材料，價(jià)格相對(duì)較低、磁性能優(yōu)異，具有很大的矯頑力、很高的剩磁密度和磁能積。同時(shí)伴隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的高速發(fā)展，使許多傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)被永磁電機(jī)所取代。

永磁同步電機(jī)具有高控制精度、高效率、高功率密度以及低噪聲等優(yōu)良特性，使其在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。目前日本、歐美及中國等汽車廠家及科研機(jī)構(gòu)均進(jìn)行了大量的研究并且得到了廣泛的應(yīng)用。

日本的電機(jī)技術(shù)全球領(lǐng)先。日本研發(fā)的電動(dòng)汽車普遍采用永磁同步電機(jī)。1996年日本豐田公司推出全球第一款量產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車普銳斯便是以永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其第一代電機(jī)采用表貼式永磁體結(jié)構(gòu)，第二代采用內(nèi)置式永磁體結(jié)構(gòu)，兩代電機(jī)均采用8極48槽的極槽配合。

日本電機(jī)工程研究實(shí)驗(yàn)室推出的內(nèi)置式雙層永磁體的永磁同步電機(jī)，使電機(jī)的效率、轉(zhuǎn)矩等性能大大提高。2007年豐田公司推出的凱美瑞混合動(dòng)力汽車，其搭載的永磁同步電機(jī)定子同樣采用8極48槽的極槽配合，轉(zhuǎn)子永磁體采用“V”型結(jié)構(gòu)布置。2010年日產(chǎn)推出全球第一款量產(chǎn)的純電動(dòng)汽車聆風(fēng)，同樣采用了永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

歐洲各國大部分也采用永磁同步電機(jī)作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。德國寶馬公司推出的純電動(dòng)汽車i3和i8采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混合式永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)具有永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn)，大大提高了永磁同步電機(jī)中磁阻轉(zhuǎn)矩的利用率。英國謝菲爾德大學(xué)的Zhu ZO、Chen JT等科研人員在永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了大膽的嘗試和革新，開發(fā)了橫向磁通電機(jī)，并采用雙層永磁體布置，同時(shí)改變定子齒部形狀和磁極形狀，提高了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

美國SatCon技術(shù)公司研發(fā)的汽車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)，其定子采用雙套繞組結(jié)構(gòu)，汽車起動(dòng)和爬坡時(shí)采用低速大扭矩繞組，汽車高速巡航時(shí)采用高速恒功率繞組。該技術(shù)增加了電機(jī)的調(diào)速范圍，使電機(jī)的繞組電流低，逆變器電壓利用率高，同時(shí)電機(jī)各區(qū)間運(yùn)行時(shí)均可獲得較高的效率。

國內(nèi)，沈陽工業(yè)大學(xué)在汽車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)方面的研究一直處于領(lǐng)先地位。徐衍亮博士提出的轉(zhuǎn)子外圓偏心技術(shù)優(yōu)化氣隙磁密波形取得了較好的效果，但優(yōu)化后交軸磁阻變大，電機(jī)凸極率降低，不利于提高磁阻轉(zhuǎn)矩。吳延忠、郭振宏等人研究了內(nèi)置式永磁體磁路結(jié)構(gòu)中，隔磁磁橋尺寸和極弧系數(shù)對(duì)空載氣隙磁密波形的影響，并提出了優(yōu)化方案。

中國作為全球最大的純電動(dòng)汽車市場(chǎng)，電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。包括比亞迪、奇瑞新能源、北汽新能源、吉利、和江淮等電動(dòng)汽車廠商都無一例外地采用了永磁同步電機(jī)。

經(jīng)過調(diào)研，表1給出了近幾年國內(nèi)外主要車企電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的種類和相關(guān)參數(shù)，除特斯拉采用交流異步感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)外，其余均采用永磁同步電機(jī)。

3結(jié)束語

總體上，我國永磁同步電機(jī)的技術(shù)水平與歐美、日本等發(fā)達(dá)國家還存在差距，還需要進(jìn)一步加大研究。但我國稀土資源豐富，加上國家一系列政策的支持，使國內(nèi)電動(dòng)汽車及驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了快車道。