新能源汽車驅(qū)動電機選配方法探究

劉尚達

吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學院 吉林吉林 132200

1 前言

新能源汽車已經(jīng)成為全球汽車行業(yè)的發(fā)展大趨勢。目前市面上的新能源汽車可分為四大類，即混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車及其他新能源汽車，其中以純電動汽車為主流，電機技術(shù)作為電動汽車的三電技術(shù)之一，電機的選擇與車型定位的匹配已經(jīng)成為決定車輛性能的關(guān)鍵因素之一。

2 新能源汽車的分類及各自特點

目前市場上大規(guī)模生產(chǎn)的新能源汽車按照動力來源的不同可分為：純電動汽車、混合動力汽車和氫燃料汽車三大類。其中，純電動汽車和混合動力汽車一定要配備驅(qū)動電機，氫燃料汽車則分為兩種：一種是氫內(nèi)燃機汽車，以內(nèi)燃機燃燒 氫氣產(chǎn)生動力驅(qū)動汽車，不需要配置驅(qū)動電機，但目前幾乎沒有大規(guī)模批量生產(chǎn)民用產(chǎn)品；另一種是氫燃料電池車，使氫或含氫物質(zhì)與空氣中的氧在燃料電池中反應，產(chǎn)生電力推動 電 動機再由電動機驅(qū)動車輛，目前市場上的民用產(chǎn)品以這個品類為主。由此可見，目前在市場上大量應用的新能源汽車都需要配置驅(qū)動電機，但由于每種車輛的結(jié)構(gòu)及功能不同對驅(qū)動電機有不同的要求。

2.1 純電動汽車

驅(qū)動電機是純電動汽車唯一的動力來源，以不同種類的蓄電池作為能源的存儲器，由蓄電池輸出電能，通過電機控制器進行相應的電能變換，控制驅(qū)動電機的運行，最終輸出動力。同時當車輛制動或減速時，由電機控制器控制驅(qū)動電機發(fā)電，再把能量回收到電池中。相比于其他幾個類型的新能源汽車，純電動汽車的結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、技術(shù)成熟、能源轉(zhuǎn)換效率高，是應用最廣泛的新能源車型。

2.2 混合動力汽車

混合動力汽車一般以一種或多種的儲能器作為動力來源，目前市場中的混合動力汽車至少都有一種動力是靠驅(qū)動電機輸出的。如果按照動力的組合方式可以分為并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)。其中并聯(lián)車型的動力可以根據(jù)工況選擇發(fā)動機輸出動力或者電機輸出動力；串聯(lián)車型的發(fā)動機只負責發(fā)電，始終運行在最優(yōu)的轉(zhuǎn)速區(qū)間，車輪得到的動力全部來自驅(qū)動電機；混聯(lián)車型的動力既可以由發(fā)動機輸出，也可以由電機輸出，還可以由兩者搭配輸出，這樣能最大發(fā)揮兩種動力來源的優(yōu)勢，但這種新能源汽車的結(jié)構(gòu)也是最復雜的，同時對于兩種動力源的選擇也是要求最高的。

2.3 燃料電池汽車

現(xiàn)在所說的燃料電池汽車通常指的就是氫燃料電池汽車，氫燃料是國際上公認的清潔能源，且來源廣泛。但由于氫燃料的利用技術(shù)發(fā)展并不成熟，核心技術(shù)只掌握在少數(shù)公司手中，沒有得到廣泛的應用，所以市場上能夠見到的車型并不多，也少有用戶敢于嘗試。氫燃料電池汽車是以氫燃料為能源，存儲在蓄電池、超級電容或其他儲能器中的電動汽車，以電機驅(qū)動車輪。它的主要特點是能量轉(zhuǎn)換效率高，燃料來源廣泛，可再生無污染。

3 驅(qū)動電機的分類及各自特點

驅(qū)動電機的發(fā)明比發(fā)動機還要早上50多年，所以雖然新能源汽車是汽車行業(yè)的新產(chǎn)品，但驅(qū)動電機的技術(shù)已經(jīng)很成熟，在新能源汽車的三電技術(shù)中，電機技術(shù)是最成熟可靠的。驅(qū)動電機種類繁多、用途廣泛，功率覆蓋面積大。根據(jù)使用要求，可以用在新能源汽車上的電機種類主要有：直流電動機、交流感應電動機、永磁電機和開關(guān)磁阻電動機。

3.1 直流電動機

直流電動機是最早應用在電動汽車上的驅(qū)動電機，因為目前的動力電池只能存儲直流電，所以直流電動機可以從電池組直接獲得直流電不需要進行交直流的轉(zhuǎn)換。但是由于直流電動機的結(jié)構(gòu)復雜，有換向和電刷維護等問題，不適宜高速運行，現(xiàn)在車輛性能要求越來越高，應用已經(jīng)受到了極大的限制。

3.2 交流感應電機

交流感應電機的定子及轉(zhuǎn)子基于電磁感應原理實現(xiàn)力矩的傳遞，也稱交流異步電動機，其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠成本低廉，但控制系統(tǒng)相對復雜，存在調(diào)速范圍小、轉(zhuǎn)矩特性不理想等問題，但得益于微處理技術(shù)和交流電機控制技術(shù)的大力發(fā)展應用比較普遍。

3.3 永磁同步電機

永磁同步電機的轉(zhuǎn)子采用永磁材料制成，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，磁場相互作用使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。永磁同步電機具有效率高、轉(zhuǎn)矩和功率密度大、功率因素高、可靠性高便于維護等優(yōu)點，使其成為目前市場上應用較廣的主流產(chǎn)品，但永磁體的材料成本、高溫退磁問題依然沒有可靠的解決辦法，是限制其發(fā)展的主要因素[1]。

3.4 開關(guān)磁阻電動機

開關(guān)磁阻電機對于大多數(shù)人來說可能就有點陌生了，它是新發(fā)展起來的一種調(diào)速電機，這類電機的結(jié)構(gòu)更為簡單、成本更低。轉(zhuǎn)子沒有繞組也沒有永磁體，定子只有少數(shù)幾個繞組，具備可靠性高、效率高、散熱特性好、起動轉(zhuǎn)矩大、電流小和調(diào)速范圍寬、適合高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)等優(yōu)點。缺點是轉(zhuǎn)矩脈動大，容易引起較大的震動，因為轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一系列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成，由于合成轉(zhuǎn)矩并不是恒定轉(zhuǎn)矩，對該電機的低速運轉(zhuǎn)性能有所影響。

4 新能源汽車對電機的要求

工業(yè)中所使用的電機，大都是處于固定的位置，擁有穩(wěn)定的工作環(huán)境。而汽車是一個行走的機器，要面臨的使用條件更加苛刻，所以新能源汽車選用電機也有更加嚴格的技術(shù)要求，總結(jié)起來可以歸結(jié)為以下幾點。

4.1 體積小、質(zhì)量輕

汽車的體積和質(zhì)量是有嚴格限制的，為了爭取更大的使用空間和更良好的經(jīng)濟性，汽車上的所有零部件都有嚴格的輕量化要求，電機也不例外。同時還要考慮到車輛前后軸的配重，要求在滿足其他要求的前提下，車用驅(qū)動電機應更輕、更小。

4.2 低轉(zhuǎn)速時大扭矩輸出

汽車在起步爬坡脫困等狀態(tài)時都需要有較大的扭矩輸出，目前的電動汽車多數(shù)不配備變速器，或是變速器的速比很小，這就要求電機在低轉(zhuǎn)速時擁有較大的扭矩輸出。

4.3 寬范圍的恒功率輸出

汽車的行駛狀況復雜，擁有啟動、加速、行駛、減速、制動等各種工況，如果沒有一個穩(wěn)定的功率輸出，那么將大大提高車輛的駕駛難度，駕駛員也很難準確判斷車輛的運動狀態(tài)，這也會降低乘坐的舒適度。為了達到和傳統(tǒng)汽車至少相同的控制響應，要求驅(qū)動電機具有寬泛的穩(wěn)定功率輸出。

4.4 高電壓、高轉(zhuǎn)速

與低轉(zhuǎn)速電機相比，高轉(zhuǎn)速電機的體積和質(zhì)量較小，更能滿足車輛的輕量化要求。就目前的車輛設(shè)計而言，在允許的范圍內(nèi)盡可能采用高電壓，可以減小電機的尺寸和控制器、導線等設(shè)備的尺寸，還可以降低逆變器的成本。

4.5 可靠性高、使用壽命長

在汽車的行駛環(huán)境中，雨雪、氣壓、海拔、顛簸、塵土環(huán)境都是基本要求，所以要求在各種極端環(huán)境下都具有較高的可靠性及安全性。不僅如此，目前傳統(tǒng)燃油車已經(jīng)取消了強制報廢政策，根據(jù)現(xiàn)在的制造水平，一輛汽車開十幾年不成問題，這就要求電動汽車也要盡可能地接近這個使用壽命，才可以得到用戶的認可，同時也減少了生產(chǎn)廠家的售后服務成本。另外，車用電機還要求具有低噪音、工作平穩(wěn)等特性，以滿足對車內(nèi)乘坐環(huán)境的舒適性要求。

5 電機的選擇

5.1 電機類型的選擇

驅(qū)動電機選擇的首要因素是在機械特性上滿足車輛的使用要求，可以根據(jù)電機生產(chǎn)廠家提供的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線（T-n）和功率-轉(zhuǎn)速特性曲線（Tp）作為依據(jù)，再結(jié)合自身車型的性能要求進行選擇。

以特斯拉為代表的美國車企和部分歐洲企業(yè)多采用交流異步電機。這與特斯拉最初的技術(shù)研發(fā)路線選擇有關(guān)，交流感應電機價格低廉，而偏大的體積對于車身龐大的美式造車風格影響并不大；另外，歐美國家地廣人稀高速路網(wǎng)發(fā)達，相對簡單的行駛環(huán)境也掩蓋了交流異步電機調(diào)速范圍小的缺點。

包括中國、日本在內(nèi)的亞洲國家應用較多的是永磁同步電機。永磁同步電機在反復啟停、加減速時仍能保持較高效率[2]，更能適應復雜的路況。

5.2 額定電壓的選擇

在選定輸出功率的條件下，動力電池的電壓越高，電流就越低；反之動力電池的電壓低，為滿足功率要求電流就要加大。高電壓低電流的電池系統(tǒng)的導線、插頭、開關(guān)等電器元件都可以更小一些，這樣安裝、維修、制造的成本都會隨之減少。但是要求有更加嚴格的高壓保護措施，相對的管理系統(tǒng)也要更復雜。相反的，低電壓高電流的電池系統(tǒng)的成本會升高，但管理系統(tǒng)相對要簡單得多[3]。

隨著當今控制技術(shù)的快速發(fā)展，更加高性能的管理系統(tǒng)層出不窮，車企更愿意選擇高電壓低電流的技術(shù)路線。

5.3 額定轉(zhuǎn)速的選擇

電機的轉(zhuǎn)速決定了汽車的動力性能，可根據(jù)車輛的定位選取不同轉(zhuǎn)速的驅(qū)動電機。一般在3 000～6 000 r/min屬于低速電機，由于轉(zhuǎn)動慣量大、反應慢，所以在家用車上應用較少。6 000～10 000 r/min屬于中速電機，對于沒有特殊性能要求的家用電動車， 選用這個轉(zhuǎn)速區(qū)間的較多；10 000～15 000 r/min屬于高轉(zhuǎn)速電機，轉(zhuǎn)動慣量小、起步快、停止也快，如果對汽車的運動性能要求較高，可以選擇這個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電機。

6 結(jié)語

目前家用電動汽車驅(qū)動電機主要分為兩個陣營：感應電動機（即交流異步電動機）和永磁同步電動機。二者各有優(yōu)缺點沒有好壞之分，具體的選擇依據(jù)要結(jié)合車輛的產(chǎn)品定位、制造成本、自然資源分布等多方面因素綜合考慮決定。