新能源汽車驅(qū)動電機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析
電機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
表1主要電機性能及參數(shù)比較
從行業(yè)配套設(shè)施來看，交流感應(yīng)電機和永磁同步電機主要用于新能源乘用車。其中，永磁同步電機應(yīng)用廣泛，因為其速度范圍和效率相對較高，但需要使用昂貴的系統(tǒng)永磁材料釹鐵硼；一些歐美汽車使用交流感應(yīng)電機，主要是由于稀土資源的缺乏。同時，為了降低電機成本，其缺點主要是速度范圍小、效率低，需要性能更高的調(diào)速器來匹配性能。
隨著新能源汽車市場的快速發(fā)展，電機市場潛力巨大，吸引了許多企業(yè)和資本。國內(nèi)外典型驅(qū)動電機企業(yè)永磁同步電機產(chǎn)品如表2所示?？傮w而言，中國的驅(qū)動電機取得了巨大的進(jìn)展，獨立開發(fā)了滿足各種新能源汽車需求的產(chǎn)品，部分主要性能指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，功率水平相同。但在峰值速度、功率密度和效率方面與國外仍存在一定差距。
表2國內(nèi)外驅(qū)動電機企業(yè)永磁同步電機參數(shù)比較
在技術(shù)指標(biāo)方面，國內(nèi)電機與國外電機仍存在以下差距：
①峰值轉(zhuǎn)速
峰值轉(zhuǎn)速是驅(qū)動電機的重要指標(biāo)，也是國內(nèi)驅(qū)動電機與國外電機差距最明顯的指標(biāo)。中國大多數(shù)永磁同步電機的峰值轉(zhuǎn)速低于1萬rpm，而國外基本超過1萬rpm。
②功率密度
雖然國內(nèi)電機在功率方面基本上可以達(dá)到國際水平，但在同一功率條件下存在重量劣勢，因此功率密度與國際水平之間存在較大差距。目前，國內(nèi)永磁同步電機的功率密度主要為1～2kw/kg范圍內(nèi)，2020年
3.5kw/kg目標(biāo)值差距較大。
在電機效率方面，國內(nèi)電機最高效率達(dá)到94%～96%已達(dá)到西門子、Remy等企業(yè)的水平。但在高效區(qū)域，如系統(tǒng)效率大于80%的區(qū)域比例仍存在一定差距。我國電機高效區(qū)占70%～75%，而國外電機基本達(dá)到80%。
④冷卻方式
電機的冷卻模式已逐漸從自然冷卻發(fā)展為水冷。目前，國內(nèi)電機企業(yè)主要采用水冷，國外先進(jìn)的電機企業(yè)已發(fā)展為油冷電機。國內(nèi)一些電機企業(yè)也開發(fā)了油冷卻電機，如改進(jìn)，進(jìn)一步提高了電機的冷卻效率。
永磁同步電機發(fā)展瓶頸
目前，由于純電動乘用車以永磁同步電機為主要技術(shù)路線，如何進(jìn)一步提高其性能已成為行業(yè)的關(guān)鍵問題。目前，永磁同步電機面臨以下技術(shù)困難：
①功率密度
提高功率有兩種方法，一種是增加扭矩，另一種是增加速度。前者的主要問題是過載電流增加，導(dǎo)致熱量高，散熱壓力大；后者是高速鐵磁損失大，需要使用高性能低飽和硅鋼，以提高成本；或使用復(fù)雜的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但影響功率密度。
②材料方面
永磁材料也是制約永磁同步電機性能提高的重要因素。目前，常用的永磁材料釹鐵硼主要存在溫度穩(wěn)定性差、不可逆損失高、溫度系數(shù)高、高溫下磁性能損失嚴(yán)重等缺點，影響電機性能。
③生產(chǎn)工藝
永磁同步電機在生產(chǎn)過程中的困難是限制大型配套乘用車的重要因素。由于永磁同步電機制造商缺乏工業(yè)化積累，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)不良率高，不能滿足乘用車企業(yè)的不良率要求，特別是隨著純電動乘用車市場規(guī)模的擴大，年產(chǎn)量10萬給永磁同步電機帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
輪轂電機的發(fā)展
①技術(shù)現(xiàn)狀
輪轂電機最早于1900年由保時捷運送到純電動汽車。經(jīng)過100多年的發(fā)展，不僅美國和日本的許多主機制造商增加了輪轂電機的發(fā)展，而且電機公司（如英國Protean公司、法國TM4公司等）和輪胎企業(yè)（米其林公司和普利司通公司）也開發(fā)了輪轂電機產(chǎn)品。在國內(nèi)，萬安科技與英國Protean合資，亞太股份與斯洛文尼亞輪轂電機公司合資開發(fā)輪轂電機產(chǎn)品。國內(nèi)外主要輪轂電機產(chǎn)品及其參數(shù)如表3所示。
表3國內(nèi)外主要輪轂電機產(chǎn)品及參數(shù)
②優(yōu)缺點分析
總的來說，永磁同步電機廣泛應(yīng)用于輪轂電機。近年來，國內(nèi)外汽車及零部件企業(yè)嘗試了許多輪轂電機驅(qū)動純電動和混合動力乘用車。通過比較，輪轂電機的優(yōu)缺點如表4所示。
分析表4輪轂電機的優(yōu)缺點
③性能改進(jìn)對策
輪轂電機性能的主要問題是彈簧質(zhì)量的提高對舒適性和操控性的影響；與輪轂集成后的散熱問題和制動能量回收問題，以及隨后的抗震、防水和防塵問題。主要改進(jìn)的技術(shù)手段和對策如表5所示。
表5輪轂電機性能提升對策
④發(fā)展前景
不同行業(yè)主體對輪轂電機的態(tài)度不同，導(dǎo)致輪轂電機發(fā)展前景不理想。新能源主機廠主要關(guān)注輪轂電機。傳統(tǒng)電機企業(yè)尚未開發(fā)和規(guī)劃輪轂電機，僅依靠部分合資電機企業(yè)推廣輪轂電機，缺乏成熟批量生產(chǎn)車輛的支持。同時，輪轂電機的高成本和系統(tǒng)復(fù)雜性尚未得到解決，顯著制約了輪轂電機在新能源乘用車領(lǐng)域的發(fā)展。詳見表6。
表6不同行業(yè)主體對輪轂電機發(fā)展的看法
未來驅(qū)動電機發(fā)展趨勢分析分析
通過以上分析和市場調(diào)研，可以看出，永磁同步電機在未來幾年仍將占據(jù)純電動乘用車市場的主流，交流異步電機的配套設(shè)施將逐年萎縮。隨著輪轂電機技術(shù)的逐步成熟和成本的下降，純電動乘用車市場的配套數(shù)量將有一定的增長；開關(guān)磁阻電機受體積和噪聲問題的限制，不太可能在短時間內(nèi)應(yīng)用于乘用車。
表7驅(qū)動電機技術(shù)路線圖
根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的分析，驅(qū)動電機的發(fā)展路線圖如表7所示?？傮w而言，驅(qū)動電機的主要趨勢包括以下幾個方面：集成——涵蓋電力電子控制器集成和機電耦合集成；高效——提高功率密度，降低成本；智能和數(shù)字——與控制器合作，不斷提高驅(qū)動系統(tǒng)的性能。
