电动汽车及其驱动电机发展现状与展望于占斌

电动汽车及其驱动电机发展现状与展望于占斌

于占斌

安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心新能源汽车研究院安徽合肥230001

摘要：目前，我国电动汽车行业正在不断发展，相关的生产技术也逐步完善。本文中，笔者即将对电动汽车用驱动电机进行介绍，并就驱动电机目前的发展状况以及在将来一段时间的发展趋势作出相关分析。

关键词：电动汽车；驱动电机；发展现状；展望

1导言

电动汽车是以电驱动为基础的、安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境等方面有其独特的优越性和竞争力，而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，因而具有广阔的发展前景。电机驱动系统由电动机、功率转换器和电源组成，电机驱动系统是电动汽车的心脏，是动力源，又是决定汽车运行各项性能指标的主体与内在根据，因此，电机的选择与确定是非常重要的。

2电动汽车驱动电机性能要求

电动汽车驱动电机除了一般行走机械的电气特性外，还有其特殊的电气特性。电动汽车既能高速行驶，又能上下坡，快速加速，良好的制动性能，还要考虑汽车平顺性、舒适性的要求，确保驾驶员的行车安全。总之，电动汽车要满足汽车应有的各种性能，因此设计电动汽车轮毂驱动电机系统要满足以下几点：（1）瞬时功率大，过载能力强（过载系数应为3～4），加速响应快；（2）调速范围广，既能满足爬坡的低速要求，又能满足汽车在较平路面上行驶的高速要求；（3）密封性好，可靠性高；（4）制动能量回收率、电能转化效率高；（5）转矩脉动小，满足汽车平顺性要求；（6）功率密度、转矩密度高，克服轮毂空间限制。

3电动汽车驱动电机的发展趋势与关键技术

3.1电动汽车驱动电机的发展趋势

3.1.1混合动力车中电驱动所占比例变高

随着国家对环境问题的重视，汽车的节能减排能力便愈加重要。在混合动力车中，电驱动所占比例越高，汽车节能性能越强。电驱动已不再是发动机的附属设备，而是汽车的重要动力来源。

3.1.2电机驱动系统的集成化和一体化

电动汽车电机和控制系统的集成化体现在电机与发动机、电机与变速箱以及电机与底盘系统的集成度越来越高。当前混合发动机集成的发展从结构的集成到控制和系统的集成，电机与变速箱基本已经成为一体，电气化在汽车中体现得越来越明显。在高性能电动汽车中，底盘系统、制动系统、电机传动系统已经实现一体化集成，并且各部分之间融合得非常好。

3.1.3电机的永磁化

由于永磁电机转矩、功率密度高，启动转矩大，设计永磁电机时，电机气隙长度是个比较关键的变量，通过选择优化，可以获得更好的电磁性能。在同样的设计要求下，永磁电机的材料用量可以大幅节省。永磁电机在轻载运行情况下仍能保持较高效率和功率因数。由于其转子无绕组，没有电阻损耗，电机效率也得以提高。近些年来随着计算机硬件和软件的飞速发展，永磁电机的理论分析、电磁设计、制造工艺、控制策略有显著进步，永磁电机设计制造也形成了一套完整的体系。随着材料技术的迅猛发展，永磁材料在近些年也得到了极大的突破，尤其是稀土永磁材料具有十分优越的磁性能。经过行业多年的研究及电机制造技术探索，永磁电机的制造成本大幅降低，永磁电机已成为电动汽车驱动电机领域研究的热点。

3.1.4电机控制的集成化和数字化

随着车用电控制系统集成化程度不断加深，将电机控制器、低压DC-DC变换器以及发动机控制器、变速箱控制器、整车控制器等进行不同方式的集成正在成为发展趋势。同时，高速高性能微处理器使得电驱动控制系统进入一个全数字化时代。在高性能高速的数字控制芯片的基础上，高性能的控制算法、复杂的控制理论得以实现。同时，使用面向用户的可视化编程，通过代码转化和下载直接进入微处理，将进一步提高编程效率和可调试性。

3.1.5电机功率和功率密度的提高

电机作为驱动系统中重要的动力来源，其运行性能直接影响到电动汽车在整个汽车行业中的竞争力。随着人们对电动汽车要求的逐渐提高，电动汽车电机功率已经从几千瓦提高到了几十千瓦甚至更高。同时，随着生活水平的不断提高，人们对舒适度的要求也逐步提升，这就对电动汽车内部空间提出了更高的要求，电机变得越来越小巧，功率密度不断提高。

3.1.6电机运行转速和回馈制动效率的提高

回馈制动是混合动力机电一体化技术的特征之一。使用高效的回馈制动电机，同时使用特殊的调速系统和电能管理系统，使电机能适应多种不同工况，让电动汽车可以更加节能，延长行车里程，从而使电动汽车对消费者更具吸引力。

3.2永磁电机的关键技术

3.2.1提高电机转矩性能

永磁电机中永磁体产生的磁场是恒定的，在过载工况下，由电枢绕组产生的磁场会与永磁体磁场叠加，使电机齿部饱和。如何设计电机结构，使其在额定工况下磁密分布合理，在过载工况下达到转矩要求，同时电磁材料用量最少，这是设计中所需要考虑的。电动汽车用永磁电机对振动和噪声比较敏感，减小电机的转矩脉动是抑制振动噪声的一个主要方面。一般情况下通过优化电机结构来降低电机转矩脉动，如采用不等气隙，改变永磁体形状，加定子辅助槽，改变永磁体极弧、斜槽、极槽配合等，这些方案能够优化气隙磁场波形或者提高转矩脉动频率，从而削弱脉动幅值。

3.2.2提高弱磁能力

为了实现永磁电机在低速时输出恒定转矩，在高速时输出恒定功率，具有较宽的扩速范围，同时使电机的电压不超过变频器输出电压上限，使电机能合理利用变频器容量等要求，永磁电机必须具有较高的弱磁能力，因此需要深度优化电机结构。目前具有代表性的方法有：1）定子深槽结构：这种方法增加了电机的直轴漏抗，从而提高了电机的弱磁能力。由于高速时铁耗较大，导致电机效率下降，采用这种方法必须使用高性能低饱和硅钢片。2）复合转子结构：这种结构的电机转子轴向由永磁段和磁阻段堆叠而成，同时对这两部分分别设计，磁阻段可以调节其厚度来控制电机的交直轴电感大小，获得比较大的凸极比，从而获得较高的弱磁能力。但这种方式减小了永磁体用量，使电机转矩密度降低；此外，高速工况下的铁耗也会增加。3）双套定子绕组：这种电机有两套定子绕组分别负责低速和高速时电机的运行。在低速时，使用串联匝数多的定子绕组，对电流的要求较小，可提高电机效率。在高速时，使用串联匝数少的高速绕组，从而实现电机的扩速。由于有两套绕组，电机的体积会增大。4）磁场调制永磁电机：磁场调制永磁电机因其独特的大转矩密度、平稳的转矩波形、良好的调速特性而越来越受到电动汽车研究者的关注，相关研究越来越多。

4结语

通过对各种驱动电机比较发现：高速电机不能直接驱动，需加装减速机构，从而影响了电机的效率，而低速直流电机效率低、体积大，异步电机和SR电机相对稀土永磁电机来说，效率和功率密度都偏低，SR电机转矩脉动大，噪声大。而稀土永磁电机具有高的质量功率，比其他类型的电机有更高的效率、更大的输出转矩，电机的极限转速和制动性能等都优于其他类型的电机，因此稀土永磁电机最适合作为电动汽车用轮毂电机。我国稀土资源丰富，高性能稀土永磁材料不断出现，加工工艺不断改进，控制技术不断突破，稀土永磁无刷电机作为轮毂驱动电机在电动汽车中的应用将更为广泛。

参考文献：

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