劉尚達(dá)

吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)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(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車及其他新能源汽車，其中以純電動(dòng)汽車為主流，電機(jī)技術(shù)作為電動(dòng)汽車的三電技術(shù)之一，電機(jī)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(diǎn)

目前市場上大規(guī)模生產(chǎn)的新能源汽車按照動(dòng)力來源的不同可分為：純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和氫燃料汽車三大類。其中，純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車一定要配備驅(qū)動(dòng)電機(jī)，氫燃料汽車則分為兩種：一種是氫內(nèi)燃機(jī)汽車，以內(nèi)燃機(jī)燃燒 氫氣產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車，不需要配置驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(yīng)，產(chǎn)生電力推動(dòng) 電 動(dòng)機(jī)再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，目前市場上的民用產(chǎn)品以這個(gè)品類為主。由此可見，目前在市場上大量應(yīng)用的新能源汽車都需要配置驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但由于每種車輛的結(jié)構(gòu)及功能不同對驅(qū)動(dòng)電機(jī)有不同的要求。

2.1 純電動(dòng)汽車

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是純電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力來源，以不同種類的蓄電池作為能源的存儲(chǔ)器，由蓄電池輸出電能，通過電機(jī)控制器進(jìn)行相應(yīng)的電能變換，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行，最終輸出動(dòng)力。同時(shí)當(dāng)車輛制動(dòng)或減速時(shí)，由電機(jī)控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，再把能量回收到電池中。相比于其他幾個(gè)類型的新能源汽車，純電動(dòng)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(yīng)用最廣泛的新能源車型。

2.2 混合動(dòng)力汽車

混合動(dòng)力汽車一般以一種或多種的儲(chǔ)能器作為動(dòng)力來源，目前市場中的混合動(dòng)力汽車至少都有一種動(dòng)力是靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的。如果按照動(dòng)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(dòng)力可以根據(jù)工況選擇發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力或者電機(jī)輸出動(dòng)力；串聯(lián)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)只負(fù)責(zé)發(fā)電，始終運(yùn)行在最優(yōu)的轉(zhuǎn)速區(qū)間，車輪得到的動(dòng)力全部來自驅(qū)動(dòng)電機(jī)；混聯(lián)車型的動(dòng)力既可以由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，也可以由電機(jī)輸出，還可以由兩者搭配輸出，這樣能最大發(fā)揮兩種動(dòng)力來源的優(yōu)勢，但這種新能源汽車的結(jié)構(gòu)也是最復(fù)雜的，同時(shí)對于兩種動(dòng)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(rèn)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(yīng)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(chǔ)在蓄電池、超級電容或其他儲(chǔ)能器中的電動(dòng)汽車，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。它的主要特點(diǎn)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(dòng)電機(jī)的分類及各自特點(diǎn)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)明比發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)電機(jī)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(jī)技術(shù)是最成熟可靠的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)種類主要有：直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。

3.1 直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)是最早應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因?yàn)槟壳暗膭?dòng)力電池只能存儲(chǔ)直流電，所以直流電動(dòng)機(jī)可以從電池組直接獲得直流電不需要進(jìn)行交直流的轉(zhuǎn)換。但是由于直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有換向和電刷維護(hù)等問題，不適宜高速運(yùn)行，現(xiàn)在車輛性能要求越來越高，應(yīng)用已經(jīng)受到了極大的限制。

3.2 交流感應(yīng)電機(jī)

交流感應(yīng)電機(jī)的定子及轉(zhuǎn)子基于電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)力矩的傳遞，也稱交流異步電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠成本低廉，但控制系統(tǒng)相對復(fù)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(jī)控制技術(shù)的大力發(fā)展應(yīng)用比較普遍。

3.3 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)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(dòng)。永磁同步電機(jī)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(hù)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前市場上應(yīng)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(dòng)機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)對于大多數(shù)人來說可能就有點(diǎn)陌生了，它是新發(fā)展起來的一種調(diào)速電機(jī)，這類電機(jī)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(gè)繞組，具備可靠性高、效率高、散熱特性好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、電流小和調(diào)速范圍寬、適合高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，容易引起較大的震動(dòng)，因?yàn)檗D(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(jī)的低速運(yùn)轉(zhuǎn)性能有所影響。

4 新能源汽車對電機(jī)的要求

工業(yè)中所使用的電機(jī)，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(gè)行走的機(jī)器，要面臨的使用條件更加苛刻，所以新能源汽車選用電機(jī)也有更加嚴(yán)格的技術(shù)要求，總結(jié)起來可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)。

4.1 體積小、質(zhì)量輕

汽車的體積和質(zhì)量是有嚴(yán)格限制的，為了爭取更大的使用空間和更良好的經(jīng)濟(jì)性，汽車上的所有零部件都有嚴(yán)格的輕量化要求，電機(jī)也不例外。同時(shí)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(dòng)電機(jī)應(yīng)更輕、更小。

4.2 低轉(zhuǎn)速時(shí)大扭矩輸出

汽車在起步爬坡脫困等狀態(tài)時(shí)都需要有較大的扭矩輸出，目前的電動(dòng)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(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)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(fù)雜，擁有啟動(dòng)、加速、行駛、減速、制動(dòng)等各種工況，如果沒有一個(gè)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(zhǔn)確判斷車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這也會(huì)降低乘坐的舒適度。為了達(dá)到和傳統(tǒng)汽車至少相同的控制響應(yīng)，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)相比，高轉(zhuǎn)速電機(jī)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(jì)而言，在允許的范圍內(nèi)盡可能采用高電壓，可以減小電機(jī)的尺寸和控制器、導(dǎo)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(qiáng)制報(bào)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(dòng)汽車也要盡可能地接近這個(gè)使用壽命，才可以得到用戶的認(rèn)可，同時(shí)也減少了生產(chǎn)廠家的售后服務(wù)成本。另外，車用電機(jī)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(jī)的選擇

5.1 電機(jī)類型的選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇的首要因素是在機(jī)械特性上滿足車輛的使用要求，可以根據(jù)電機(jī)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(jìn)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(jī)。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(yīng)電機(jī)價(jià)格低廉，而偏大的體積對于車身龐大的美式造車風(fēng)格影響并不大；另外，歐美國家地廣人稀高速路網(wǎng)發(fā)達(dá)，相對簡單的行駛環(huán)境也掩蓋了交流異步電機(jī)調(diào)速范圍小的缺點(diǎn)。

包括中國、日本在內(nèi)的亞洲國家應(yīng)用較多的是永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)在反復(fù)啟停、加減速時(shí)仍能保持較高效率[2]，更能適應(yīng)復(fù)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(dòng)力電池的電壓越高，電流就越低；反之動(dòng)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(dǎo)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(huì)隨之減少。但是要求有更加嚴(yán)格的高壓保護(hù)措施，相對的管理系統(tǒng)也要更復(fù)雜。相反的，低電壓高電流的電池系統(tǒng)的成本會(huì)升高，但管理系統(tǒng)相對要簡單得多[3]。

隨著當(dāng)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(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了汽車的動(dòng)力性能，可根據(jù)車輛的定位選取不同轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。一般在3 000～6 000 r/min屬于低速電機(jī)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、反應(yīng)慢，所以在家用車上應(yīng)用較少。6 000～10 000 r/min屬于中速電機(jī)，對于沒有特殊性能要求的家用電動(dòng)車， 選用這個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間的較多；10 000～15 000 r/min屬于高轉(zhuǎn)速電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、起步快、停止也快，如果對汽車的運(yùn)動(dòng)性能要求較高，可以選擇這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電機(jī)。

6 結(jié)語

目前家用電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要分為兩個(gè)陣營：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（即交流異步電動(dòng)機(jī)）和永磁同步電動(dòng)機(jī)。二者各有優(yōu)缺點(diǎn)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。