新能源汽車驅動電機發展現狀及趨勢分析

文章來源於：張軍/肖倩/孟慶闊，圖片來自「123rf.com.cn」

根據中汽協發布的產銷數據，2017 年我國新能源汽車產銷分別為 79.4 萬輛和 77.7 萬輛，同比增長分別為 53.8% 和 53.3%，產銷量連續三年位居全球第一。新能源汽車的快速發展給驅動電機帶來了巨大的發展機遇，電機技術的發展成為行業關注的熱點。

電機技術發展現狀

目前驅動電機主要分為直流電機、交流電機及輪轂電機等；其中，直流和交流電機又可進一步劃分。目前行業對交流異步電機、永磁同步電機及開關磁阻電機關注度較高。通過對常見的幾種電機進行比較分析可知（見表 1），永磁同步電機具有效率高、轉速範圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、成本低等優點，成為純電動乘用車市場的主要驅動電機。

表 1  主要電機性能及參數比較

從行業配套來看，新能源乘用車主要使用的是交流感應電機和永磁同步電機。其中，永磁同步電機使用較多，因其轉速區間和效率都相對較高，但是需要使用昂貴的系統永磁材料釹鐵硼；部分歐美車系採用交流感應電機，主要因為稀土資源匱乏，同時出於降低電機成本考慮，其劣勢主要是轉速區間小，效率低，需要性能更高的調速器以匹配性能。

隨著新能源汽車市場的迅猛發展，驅動電機市場空間潛力巨大，吸引了眾多企業和資本的進入。國內外典型驅動電機企業的永磁同步電機產品情況如表 2 所示。整體來看，我國驅動電機取得較大進展，已經自主開發出滿足各類新能源汽車需求的產品，部分主要性能指標已達到相同功率等級的國際先進水平。但是在峰值轉速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距。

表 2  國內外驅動電機企業的永磁同步電機參數比較

在技術指標方面，國內電機與國外電機相比尚存在以下幾方面的差距：

① 峰值轉速

峰值轉速是驅動電機的重要指標，也是目前國內驅動電機較之國外電機差距最為明顯的指標。國內絕大部分永磁同步電機的峰值轉速在 10000 rpm 以下，而國外基本在10000 rpm 以上。

② 功率密度

雖然國內電機在功率方面基本能夠達到國際水平，但是在同功率條件下存在重量劣勢，因此功率密度較之國際水平存在較大差距。目前，國內的永磁同步電機功率密度多處於 1～2 kw/kg 區間內，與 2020 年 3.5 kw/kg 的目標值存在較大差距。

③ 效率

在電機效率方面，國內電機的最高效率均達到 94%～96%，已達到西門子、Remy 等企業的水平。但是在高效區面積方面，如系統效率大於 80% 的區域佔比方面尚存在一定差距。我國電機的高效區面積佔比集中在 70%～75%，而國外電機基本達到 80%。

④ 冷卻方式

電機的冷卻方式已經從自然冷卻逐步發展為水冷，目前國內電機企業採用水冷為主，國外先進的電機企業已經發展到油冷電機。國內部分電機企業也研發出油冷電機，如精進等，使電機的冷卻效率得到進一步提升。

永磁同步電機的發展瓶頸

當前因純電動乘用車以永磁同步電機為主要技術路線，故如何進一步提升其性能成為行業重點問題。目前，永磁同步電機面臨以下幾方面的技術難點：

① 功率密度

功率的提升有兩種途徑，一種是提高扭矩，另一種是提高轉速。前者主要問題是過載電流加大，造成發熱量高，給散熱造成較大壓力；後者是高速時鐵磁損耗大，需採用高性能低飽和矽鋼片，從而使成本提高；或採用複雜的轉子結構，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升的重要因素，目前常用的永磁材料釹鐵硼主要存在溫度穩定性差、不可逆損失和溫度係數較高以及高溫下磁性能損失嚴重等缺點，從而影響電機性能。

③ 生產工藝

永磁同步電機在生產工藝方面的難點是制約大規模配套乘用車的重要因素。因為永磁同步電機生產企業缺乏產業化的積累，國內企業生產不良率較高，無法達到乘用車企業的不良率要求，尤其是隨著純電動乘用車市場規模的擴大，十萬級的年產量給永磁同步電機帶來了巨大的挑戰。

輪轂電機的發展

① 技術現狀

輪轂電機最早於 1900 年由保時捷搭載到純電動汽車上，經過 100 多年的發展，不僅眾多美系、日系主機廠增加對輪轂電機的開發，電機公司（如英國 Protean 公司、法國 TM4 公司等）和輪胎企業（米其林公司、普利司通公司）也開發出輪轂電機產品。國內方面，萬安科技與英國 Protean 合資、亞太股份與斯洛維尼亞輪轂電機公司合資開發輪轂電機產品。國內外主要輪轂電機產品及其參數如表 3 所示。

表 3  國內外主要輪轂電機產品及參數

② 優缺點分析

從整體來看，永磁同步電機在輪轂電機上應用較為廣泛。近年來，國內外的整車及零部件企業進行了很多輪轂電機驅動純電動和混合動力乘用車的嘗試，經比較可知輪轂電機的優缺點如表 4 所示。

表 4  輪轂電機優缺點分析

③ 性能提升對策

輪轂電機在性能上面臨的主要問題是簧下質量的提升對舒適性和操控性的影響；與輪轂集成後的散熱問題和制動能量回收問題，以及隨之而來的防震、防水和防塵等。主要提升的技術手段及對策如表 5 所示。

表 5  輪轂電機性能提升對策

④ 發展前景

不同的行業主體對輪轂電機的態度不同造成輪轂電機的發展前景並不理想。新能源主機廠對輪轂電機以觀望為主，傳統的電機企業尚未對輪轂電機進行開發和規劃，僅靠部分合資的電機企業對輪轂電機的推進，從而缺乏成熟量產車的支撐，同時輪轂電機的高成本和系統複雜度尚未解決，顯著制約著輪轂電機在新能源乘用車領域的發展，詳見表 6。

表 6  不同行業主體對輪轂電機發展的觀點

未來驅動電機發展趨勢分析

通過以上分析並結合市場調研可以看出，在未來幾年的純電動乘用車市場上，永磁同步電機仍將佔據主流，交流異步電機的配套將逐年萎縮。隨著輪轂電機技術的逐步成熟和成本的下探，其在純電動乘用車市場的配套量會有一定的增長；而開關磁阻電機受限於體積和噪聲問題，短時間內應用到乘用車的可能性較小。

表 7  驅動電機技術路線圖

根據《節能與新能源汽車技術路線圖》分析，驅動電機的發展路線圖如表 7 所示。總體上看，驅動電機的主要趨勢包含以下幾個方面：集成化——涵蓋電力電子控制器的集成和機電耦合的集成；高效化——提高功率密度並降低成本；智能化和數位化——與控制器配合不斷提升驅動系統的性能。

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