新能源汽車驅動電機發展現狀及趨勢分析

根據中(zhong)國(guo)汽車協會發(fa)(fa)布的(de)產銷數據，2017年 中(zhong)國(guo)新能源(yuan)汽車的(de)生產和(he)(he)銷售分(fen)別(bie)分(fen)別(bie)為(wei) karrylady.cn 萬(wan)輛(liang)和(he)(he) karrylady.cn 同比增長分(fen)別(bie)為(wei)萬(wan)輛(liang) karrylady.cn 和(he)(he) karrylady.cn，產銷連續(xu)三年位居世界第(di)一。新能源(yuan)汽車的(de)快速發(fa)(fa)展給驅動電機(ji)帶來了巨(ju)大的(de)發(fa)(fa)展機(ji)遇，電機(ji)技術的(de)發(fa)(fa)展成為(wei)業(ye)界關注(zhu)的(de)焦點。

1. 電機技術發(fa)展(zhan)現狀

目(mu)前，驅(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)機主(zhu)要(yao)分為(wei)直流(liu)(liu)電(dian)(dian)機、交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)機和輪轂(gu)電(dian)(dian)機；其中，直流(liu)(liu)和交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)機可以(yi)進一步(bu)(bu)劃分。目(mu)前，行業高度(du)重(zhong)視交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)異步(bu)(bu)電(dian)(dian)機、永磁同步(bu)(bu)電(dian)(dian)機和開(kai)關(guan)磁阻電(dian)(dian)機。通過對(dui)幾種常(chang)見(jian)電(dian)(dian)機的比較分析(xi)(見(jian)表) 1)永磁同步(bu)(bu)電(dian)(dian)機具有效率高、速度(du)范圍寬、體積(ji)小、重(zhong)量(liang)輕、功(gong)率密度(du)大、成本(ben)低等優點(dian)，已成為(wei)純電(dian)(dian)動(dong)(dong)乘用車市場的主(zhu)要(yao)驅(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)機。

表1 主(zhu)電機(ji)性能(neng)及參數比較(jiao)

新能源乘(cheng)用(yong)(yong)車主要(yao)采用(yong)(yong)交流(liu)感應電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)和永(yong)(yong)磁同步(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)。其中，永(yong)(yong)磁同步(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)使用(yong)(yong)較(jiao)多，由(you)(you)于其速(su)(su)度范(fan)(fan)圍和效(xiao)率(lv)相對較(jiao)高，但需要(yao)使用(yong)(yong)昂貴的系(xi)統永(yong)(yong)磁材料(liao)釹鐵硼；部分(fen)歐美汽車采用(yong)(yong)交流(liu)感應電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)，主要(yao)是(shi)由(you)(you)于稀(xi)土資源短(duan)缺(que)，降低電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)成本，主要(yao)缺(que)點是(shi)速(su)(su)度范(fan)(fan)圍小，效(xiao)率(lv)低，需要(yao)性(xing)能更高的調速(su)(su)器來匹配性(xing)能。

隨著新能源(yuan)汽車(che)市場的(de)快速(su)發展(zhan)，電(dian)機(ji)市場潛力(li)巨大(da)，吸引了許多企業和資本。國(guo)內外典(dian)型(xing)驅(qu)動電(dian)機(ji)企業永磁同步電(dian)機(ji)產(chan)(chan)品如表所示 2 所示。總體而言，中國(guo)的(de)驅(qu)動電(dian)機(ji)取得(de)了巨大(da)的(de)進(jin)展(zhan)，獨立(li)開(kai)發了滿足各種新能源(yuan)汽車(che)需(xu)求的(de)產(chan)(chan)品，部(bu)分(fen)主要性能指標已(yi)達到國(guo)際(ji)先進(jin)的(de)相同功率水平。但峰值(zhi)速(su)度(du)、功率密度(du)和效(xiao)率與國(guo)外仍存(cun)在一(yi)定差距

表2 國內外驅動(dong)電機(ji)企業永磁同步電機(ji)參數比較

在(zai)技術指標方面，國內電機與(yu)國外電機仍存在(zai)以(yi)下差距：

① 峰值轉速

峰值轉速(su)是(shi)(shi)驅動電機(ji)的重要指標(biao)，也(ye)是(shi)(shi)國(guo)內驅動電機(ji)與國(guo)外(wai)電機(ji)差距(ju)最(zui)明(ming)顯的指標(biao)。中國(guo)大多數(shu)永磁(ci)同步電機(ji)的峰值轉速(su)都在 微信(xin)(xin)rpm 國(guo)外(wai)基本(ben)在微信(xin)(xin)rpm 以(yi)上。

② 功率密度

雖然國內電機在功率(lv)(lv)方面基本可以(yi)達到國際(ji)(ji)水平，但在同(tong)一功率(lv)(lv)條件下存在重(zhong)量劣勢，因此(ci)功率(lv)(lv)密度與國際(ji)(ji)水平存在較大差距。目前，國內永磁(ci)同(tong)步電機的功率(lv)(lv)密度主(zhu)要處于(yu) 1～2 kw/kg 區間(jian)內，與 2020 年 karrylady.cn kw/kg 目標值差距較大。

③ 效率

就電機(ji)效(xiao)(xiao)率(lv)而(er)言，國內電機(ji)的(de)最高效(xiao)(xiao)率(lv)已經達到(dao) 西(xi)門子已達94%~96%，Remy 等(deng)待企業的(de)水平。但在高效(xiao)(xiao)區域(yu)，如系統效(xiao)(xiao)率(lv)大于 80% 區域(yu)比(bi)例(li)仍存在一定差距。我國電機(ji)高效(xiao)(xiao)區的(de)比(bi)例(li)集中(zhong)在 70%~75%，而(er)國外(wai)電機(ji)基本達到(dao) 80%。

④ 冷卻方式

電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)模式已(yi)逐漸從自然冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)發展(zhan)(zhan)為(wei)水冷(leng)(leng)(leng)。目(mu)前(qian)，國內電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)企(qi)(qi)業(ye)主(zhu)要(yao)采用水冷(leng)(leng)(leng)，國外先(xian)進(jin)電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)企(qi)(qi)業(ye)已(yi)發展(zhan)(zhan)為(wei)油(you)(you)冷(leng)(leng)(leng)電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)。國內一些電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)企(qi)(qi)業(ye)也開發了油(you)(you)冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)，如改進(jin)，進(jin)一步(bu)提高了電(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的冷(leng)(leng)(leng)卻(que)(que)效率(lv)。

2. 永(yong)磁同步電機(ji)發展瓶頸(jing)

目前，由于(yu)純(chun)電動乘用車以永磁(ci)同(tong)步(bu)電機(ji)為(wei)主要技(ji)術路(lu)線，如何進一(yi)步(bu)提(ti)高其性能已(yi)成(cheng)為(wei)行業的(de)關(guan)鍵問題。目前，永磁(ci)同(tong)步(bu)電機(ji)面臨以下技(ji)術困難：

① 功率密度

提高(gao)功率有兩種方法(fa)，一種是(shi)增(zeng)加(jia)(jia)扭(niu)矩，另一種是(shi)增(zeng)加(jia)(jia)速度(du)。前者的主要問題是(shi)過載電流增(zeng)加(jia)(jia)，導致熱量高(gao)，散熱壓力大；后者是(shi)高(gao)速鐵(tie)磁損失大，需要使用高(gao)性能低飽和硅鋼，以提高(gao)成本(ben)；或復(fu)雜的轉子(zi)結構，但影響(xiang)功率密(mi)度(du)。

② 材料方面

永磁(ci)材料(liao)也是制約永磁(ci)同步電機性(xing)(xing)能(neng)(neng)提高的重要(yao)因(yin)素。目前，常用的永磁(ci)材料(liao)釹鐵硼主要(yao)存在溫度(du)穩(wen)定性(xing)(xing)差、不可逆損失(shi)高、溫度(du)系(xi)數高、高溫下磁(ci)性(xing)(xing)能(neng)(neng)損失(shi)嚴重等缺點，影響電機性(xing)(xing)能(neng)(neng)。

③ 生產工藝

永磁同步電(dian)機(ji)在生產(chan)過程中的(de)困難(nan)是(shi)限制大(da)型配套乘用(yong)(yong)(yong)車(che)的(de)重要(yao)因素。由于永磁同步電(dian)機(ji)制造商缺乏工業化積(ji)累，國內企(qi)業生產(chan)不(bu)(bu)良率高，不(bu)(bu)能(neng)滿足乘用(yong)(yong)(yong)車(che)企(qi)業的(de)不(bu)(bu)良率要(yao)求，特別是(shi)隨著(zhu)純電(dian)動乘用(yong)(yong)(yong)車(che)市場規模的(de)擴大(da)，年產(chan)量10萬給永磁同步電(dian)機(ji)帶來了巨大(da)的(de)挑戰(zhan)。

3. 發展輪轂電機

① 技術現狀

最早(zao)的(de)輪(lun)(lun)轂(gu)(gu)(gu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji) 1900 年(nian)由保時(shi)捷搭載到純電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)汽車(che)上 100 經過多年(nian)的(de)發展(zhan)，不僅美國(guo)(guo)和(he)(he)日(ri)本的(de)許多主(zhu)(zhu)機(ji)制(zhi)造(zao)商增加了輪(lun)(lun)轂(gu)(gu)(gu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)發展(zhan)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)公(gong)司(si)(si)(si)（如英國(guo)(guo)） Protean 公(gong)司(si)(si)(si)、法國(guo)(guo) TM4 公(gong)司(si)(si)(si)等(deng)。)和(he)(he)輪(lun)(lun)胎企(qi)業(米其林公(gong)司(si)(si)(si)、普利(li)司(si)(si)(si)通(tong)公(gong)司(si)(si)(si))也開發了輪(lun)(lun)轂(gu)(gu)(gu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)產(chan)品。在國(guo)(guo)內(nei)，萬安科技(ji)和(he)(he)英國(guo)(guo) Protean 亞太(tai)股份與(yu)斯洛文尼亞輪(lun)(lun)轂(gu)(gu)(gu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)公(gong)司(si)(si)(si)合資 ** 中國(guo)(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)產(chan)品。國(guo)(guo)內(nei)外主(zhu)(zhu)要輪(lun)(lun)轂(gu)(gu)(gu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)產(chan)品及參數如表 3 所示(shi)。

表3 國(guo)內外主要輪轂電機產(chan)品及參(can)數(shu)

② 優缺點分析

總的來說，永(yong)磁同步(bu)電(dian)(dian)機廣(guang)泛應用(yong)于輪轂(gu)電(dian)(dian)機。近年來，國內外汽(qi)車(che)及零部件企(qi)業嘗試了(le)許多輪轂(gu)電(dian)(dian)機驅(qu)動純電(dian)(dian)動和混合動力(li)乘用(yong)車(che)。通過比較(jiao)，輪轂(gu)電(dian)(dian)機的優缺點(dian)如(ru)表(biao)所(suo)示 4 所(suo)示。

表4 分析輪轂電機的優缺(que)點

③ 性能改進對策

輪轂電機性能(neng)的主要(yao)問題(ti)是(shi)彈簧(huang)質量的提(ti)高(gao)對舒適性和(he)(he)(he)操控(kong)性的影響；與輪轂集成(cheng)后的散熱問題(ti)和(he)(he)(he)制動能(neng)量回收問題(ti)，以及隨后的抗震(zhen)、防水和(he)(he)(he)防塵問題(ti)。主要(yao)的技術手段和(he)(he)(he)對策(ce)如(ru)表所示 5 所示。

表5 提高輪轂(gu)電機性能的對策(ce)

④ 發展前景

不(bu)同行(xing)業(ye)主體(ti)對輪(lun)轂(gu)(gu)電機(ji)(ji)的態度不(bu)同，導致輪(lun)轂(gu)(gu)電機(ji)(ji)發(fa)(fa)展前景不(bu)佳(jia)。新能源主機(ji)(ji)廠(chang)主要關(guan)注輪(lun)轂(gu)(gu)電機(ji)(ji)。傳統(tong)電機(ji)(ji)企業(ye)尚未開發(fa)(fa)和規劃輪(lun)轂(gu)(gu)電機(ji)(ji)，僅依靠(kao)部(bu)分合資電機(ji)(ji)企業(ye)推廣(guang)輪(lun)轂(gu)(gu)電機(ji)(ji)，缺乏成熟批量生產車(che)輛的支持。同時，輪(lun)轂(gu)(gu)電機(ji)(ji)的高成本和系(xi)統(tong)復雜(za)性尚未得到解決，顯著制約了輪(lun)轂(gu)(gu)電機(ji)(ji)在新能源乘用車(che)領域的發(fa)(fa)展，詳見表 6。

表6 不(bu)同行業主(zhu)體對輪轂電(dian)機發展(zhan)的看法

4. 分析(xi)未來驅動(dong)電(dian)機的發(fa)展趨勢

通過以(yi)上(shang)分析和市場調研，可以(yi)看出，永磁(ci)同步電(dian)(dian)機(ji)在未(wei)來幾年(nian)仍將(jiang)(jiang)占據(ju)純電(dian)(dian)動乘(cheng)用(yong)車市場的主流，交流異步電(dian)(dian)機(ji)的配套(tao)設施將(jiang)(jiang)逐年(nian)萎(wei)縮。隨著(zhu)輪(lun)轂電(dian)(dian)機(ji)技(ji)術的逐步成(cheng)熟和成(cheng)本的下降，純電(dian)(dian)動乘(cheng)用(yong)車市場的配套(tao)數量將(jiang)(jiang)有一定的增長；開關磁(ci)阻電(dian)(dian)機(ji)受體(ti)積(ji)和噪聲問(wen)題的限制(zhi)，不太(tai)可能在短(duan)時間(jian)內應用(yong)于(yu)乘(cheng)用(yong)車。

表7 驅動電機技(ji)術路線圖

驅動(dong)電(dian)機(ji)的發展(zhan)路(lu)線圖如表 7 所示(shi)。一(yi)般來說(shuo)，驅動(dong)電(dian)機(ji)的主要(yao)趨勢包括以下幾個方面：集(ji)(ji)成-涵蓋電(dian)力電(dian)子控制(zhi)(zhi)器集(ji)(ji)成和機(ji)電(dian)耦(ou)合(he)集(ji)(ji)成；高效-提(ti)高功(gong)率密度，降低成本(ben)；智能和數字(zi)-與控制(zhi)(zhi)器合(he)作，不斷提(ti)高驅動(dong)系統的性能。

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