电动车驱动电机发展现状

2013-02-22柴海波鄢治国况明伟吴建东

微特电机 2013年4期

柴海波，鄢治国，况明伟，吴建东

(中国东方电气集团有限公司，四川成都611731)

0 引言

传统的内燃机汽车排放大量的废弃污染物。在我国城市大气污染中，汽车尾气排放所占的比例已经超过70%［1］。

石油是内燃机汽车的主要能源形式，但石油作为一种不可再生矿物资源，其存有量正在急剧减少。据美国能源部的调查报告显示，假如石油的新发现及其消耗量遵循现在的趋势，则全世界石油资源可应用至2038年［2］。目前，中国的汽车市场已跃居世界第一，并将在未来20年持续迅猛增长。中国的石油消费越来越多地依靠国外进口。工信部的统计数据显示，2011年1月至5月，我国原油对外依存度达到55.2%，超过全球第一大能源消费国美国的53.5%。

在环境污染和能源短缺的压力下，电动车以环境污染低和可持续的特点越来越受到重视，电动车已成为解决当今环保和能源等问题的研究热点［3］。

根据能源与储能源及不同的应用技术，电动车通常可分为混合动力车、燃料电池汽车和纯电动车三类，其中混合动力车又可分为微混合动力车、轻混合动力车、全混合动力车及插电式混合动力车［4］。近年来，作为电动车研究热点之一的增程式电动车也属于混合动力车的一种。

驱动电机系统是电动车的核心部件之一，高密度、高效率、宽调速的驱动电机系统已成为当前电动车领域的研究热点。在对主要电动车驱动电机开发商及其典型产品进行调研与对比的基础上，本文对电动车驱动电机系统的发展现状及趋势进行了总结与分析。

1 电动车驱动电机的特点与分类

电动车驱动电机系统主要应满足以下性能要求［5-6］:

(1)良好的输出特性。在起动和爬坡时，应具有较大的输出转矩;在巡航时，应具有较高的转速;

(2)转速范围大、响应速度快;

(3)在较宽范围内都具有高效率，能量回收效率高;

(4)机构坚固、重量轻。

直流电机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机是目前电动车驱动电机常用的电机类型。另外，以轮毂电机为代表的其他驱动电机系统也愈来愈引起人们的关注。电动车驱动电机分类如图1所示［7］。

2 电动车驱动电机发展现状

几种常用的驱动电机性能比较如表1所示［8］。

图1 电动车驱动电机分类

表1 电动车用电机驱动性能比较

2.1 直流电机

在过去几十年中，直流电机曾普遍应用于电动车驱动系统中。表2所示为部分使用直流电机驱动的电动车。

表2 部分使用直流电机驱动的电动车

直流电机系统的重量大、效率低，而且电刷和滑环的存在，阻碍了其在电动车中的进一步应用［9］。随着电力电子技术的发展和新材料的应用，直流电机驱动系统基本上已经被其他驱动电机系统所取代。

2.2 感应电机

感应电机具有简单、可靠，转矩脉动小和噪声低等优点，被较早地应用于电动车驱动系统中。表3给出了部分采用感应电机驱动的电动车性能参数。图2是对应的车型图片。

表3 部分使用感应电机驱动的电动车

图2 部分使用感应电机驱动的电动车

目前，国际上知名的电动车感应电机开发厂商包括AC Propulsion公司、BRUSA公司、Siemens等。国内较主要的有东方电气东风电机和大连电机等。

(1)AC Propulsion公司

位于美国加利福尼亚的AC Propulsion公司是感应电机领域最知名的企业之一，其研发的感应电机驱动系统最高功率可达200 kW。AC Propulsion研发的TZERO技术获得了多项专利，并为宝马等多家知名汽车制造商提供完整的电机、电控产品及电动车系统技术。

AC Propulsion开发的典型感应电机产品有AC-75、AC-150和LCM-150等。

AC-75的额定转矩为122N·m、峰值转速13 000 r/min。AC-150的峰值转矩超过225 N·m，额定功率为40 kW，第二代和第三代AC-150的峰值转矩分别为220 N·m和225 N·m。

LCM-150采用油冷，峰值功率大于150 kW，峰值转矩大于225 N·m，最高转速为13 000 r/min。图3为AC Propulsion公司部分典型产品。

图3 AC Propulsion公司部分典型产品

(2)BRUSA公司

瑞士BRUSA公司主要生产电动车驱动电机系统及其他电动车产品。该公司典型的感应电机产品有 ASM1-6.17.12 和 ASM1-8.24.10 等。表 4 为ASM1-6.17.12 和 ASM1-8.24.10 的部分性能参数。

表4 ASM1-6.17.12 和 ASM1-8.24.10 部分性能参数

(3)Siemens公司

德国Siemens公司生产的ELFA驱动电机，已应用于全球多个城市的电动巴士。其中包括伦敦、汉堡和越南河内等。另外，Siemens生产的NEMA电机也可应用于电动车领域。图4为Siemens公司在EVS25和EVS26展出的部分电机。

图4 Siemens在EVS25和EVS26展出的部分电机

(4)东方电气东风电机

东方电气东风电机是东方电气集团东风电机有限公司的简称，是国内较早从事电驱动研发的单位之一。

东方电气东风电机的电动车感应电机种类较多，涵盖多个功率等级。其研发的产品已成功应用于安凯汽车、郑州日产、柳州五菱及陆地方舟等多家知名企业的电动车辆上。表5和图5分别给出了东方电气东风电机研发的部分感应电机参数和图片。

表5 东方电气东风电机研发的部分感应电机参数

图5 东方电气东风电机研发的感应电机

(5)大连电机

大连电机是大连电机集团有限公司的简称，是国内主要的电动车感应电机研发与制造单位之一。

大连电机研发的某两款感应电机产品的部分参数如表6所示。

表6 大连电机研发的两款感应电机部分参数

此外，湘潭电机、南车襄阳电机技术有限公司、深圳市大地和电气有限公司和佳木斯电机股份有限公司等也都推出了电动车感应电机相关产品。

由于感应电机具有低价格、易维护、高可靠性等特点，因此其在电动车驱动领域被广泛应用。但是，相较于永磁电机，感应电机的功率密度低和效率低等缺点，制约了其在部分电动车驱动领域的应用。另外，电动车感应电机的驱动控制，尤其是低速下的驱动控制一直是一个难点［10-11］。

2.3 永磁电机

由于永磁电机具有很高的功率密度和效率，并且散热较好［12-13］。因此，永磁同步电机系统在电动车领域已经得到了大量应用目前代表世界最先进技术水平的几款电动车型，包括日产Leaf、丰田普锐斯等，均采用永磁电机驱动。表7和图6分别给出了部分使用永磁电机驱动的电动车的参数和图片。

表7 部分使用永磁同步电机驱动的电动车

图6 部分使用永磁电机驱动的电动车

目前，国际上知名的电动车永磁电机开发厂商包括UQM公司、Remy公司、TM4公司、BOSCH公司和US Hybrid公司等。国内知名的开发厂商包括上海电驱动和精进电动等。

(1)UQM公司

美国UQM公司是世界知名的永磁电机系统开发商，其产品已经应用于日本Hino电动城市巴士、CODA公司生产的电动车和奥迪A1 E-Tron等。

UQM生产的永磁电机系统主要有PowerPhase Pro和PowerPhase Select两种。表8和图7分别为UQM公司的部分典型产品参数和图片。

表8 UQM公司的部分典型产品参数

图7 UQM公司的部分典型产品

(2)Remy公司

美国Remy公司是电动车驱动电机领域的领军企业之一，其HVH系列电机是当前世界上最先进的驱动电机之一。目前Remy公司的客户主要包括通用、戴姆勒和北美的大部分商用车厂家以及一汽大众、江淮、长安等。表9和图8分别为Remy公司部分典型产品的性能参数和产品示意图。

表9 Remy公司部分典型产品的性能参数

图8 Remy公司产品

(3)TM4公司

加拿大TM4公司主要从事高性能电机和控制系统的开发及其在新能源汽车和风能发电等领域的应用。

TM4公司的典型永磁电机产品包括MФTIVE A、MФTIVE B和 SUMΦ HD等，如图 9所示。MФTIVE A的峰值速度为12 000 r/min，峰值转矩170 N·m(@350 V)，峰值功率80 kW(@350 V)。MФTIVE B的峰值速度为12 500 r/min，峰值转矩180 N·m(@320 V)。SUMΦ HD是9相直驱式电机，峰值转矩为2 700 N·m，峰值功率为230 kW。MФTIVE A和MФTIVE B主要应用于乘用车，SUMΦ HD主要应用于公交车和重载卡车。

图9 TM4公司的典型产品

TM4公司MФTIVE电机与Tata汽车的电动车产品配套，同时应用于Motive Industries的Kestrel中。另外，TM4公司的产品也被应用到Novabus、Wilhelm Karmann GmbH、Toronto Electric等公司的产品上。

(4)BOSCH公司

德国BOSCH公司是电动车驱动电机领域的领军企业之一，其典型电驱动产品包括同轴式电机和分离式电机等。图10为BOSCH公司在EVS26上展出的新一版永磁电机及控制器。

(5)US Hybrid公司

图10 BOSCH在EVS26展出的电机及控制器

美国US Hybrid公司的主要业务之一是为纯电动及混合动力汽车设计和制造电驱动系统。US Hybrid公司生产的永磁电机系统主要有永磁电机HPM450和HPM1000等。

HPM450的峰值转矩为450 N·m，峰值功率为120 kW，峰值速度为4 500 r/min。HPM1000的峰值转矩为1 200 N·m，峰值功率为120 kW，峰值速度为2 500 r/min。HPM450主要用于中型电动及混合车辆，HPM1000主要用于中型及重型电动及混合车辆。

(6)上海电驱动

上海电驱动有限公司是国内知名的电驱动产品开发商，其产品涵盖客车、乘用车、微型电动车及工程车等多个车型的多个功率等级，客户包括一汽集团、奇瑞、长安、华晨等众多国内外知名企业。

表10和图11所示为上海电驱动研发的某两款永磁电机产品参数和图片。

表10 上海电驱动研发的永磁电机产品参数

图11 上海电驱动研发的永磁电机

(7)精进电动

精进电动科技(北京)有限公司是国内新能源汽车驱动电机系统的领军企业之一，其主要研发方向之一是为新能源汽车研发与制造永磁电机系统，其产品多出口国外。图12为精进电动研发的电动车用永磁同步电机产品。

图12 精进电动研发的永磁同步电机

此外，奥地利AVL公司、美国Apex Drive Laboratories公司、美国Light Engineering公司、日本安川电机公司、上海大郡动力控制技术有限公司、株洲电力机车研究所、东方电气东风电机及卧龙电气等公司的永磁电机产品已经在国内外的电动车产品上得到应用。

但是，目前的永磁电机还存在一定的不足。当环境恶劣时，永磁材料可能会发生退磁现象，甚至会带来严重的后果。同时，大功率的永磁电机系统的优化设计与制造，尚存一定的技术难度。此外，高成本也是制约永磁电机系统的一个重要因素。

2.4 开关磁阻电机

开关磁阻电机是一种单边励磁的双凸极电机，具有结构简单坚固、成本低、起动转矩大和低速性能好等优点［15］。

由于开关磁阻电机的噪声和振动较大的问题尚未完全解决［16-18］，因此开关磁阻电机在电动车领域的应用并不普遍。目前主要的应用包括克劳瑞德公司的“Lucas”电动车和武汉部分示范公交车等［19］。

在开关磁阻电机的开发方面，英国Nidec SR Drives公司和中纺锐力机电有限公司等居于领先地位。

英国Nidec SR Drives公司成立于1980年，主要研发和生产开关磁阻电机驱动产品。SR Drives公司的典型产品之一是其与比利时Green Propulsion公司合作开发的应用于乘用车的开关磁阻驱动电机。

中纺锐力机电有限公司是我国较早从事开关磁阻电机研发的单位之一。该公司的开关磁阻电机产品分别应用于武汉市示范公交车和北京奥运会混合动力公交车，综合节油率分别达到25%和21%。目前，用作电动车驱动电机的开关磁阻电机所存在的问题和发展趋势主要体现在以下两个方面［20-22］:

(1)低噪声设计。尽管开关磁阻电机驱动系统的噪声研究大有进展，但其仍未达到一个令人满意的水平;

(2)开关磁阻电机瞬时转矩控制。开关磁阻电机瞬时转矩控制是减少转矩脉动和噪声、提高电驱动系统动态性能最有效的手段，但在理论和应用方面还需要进一步研究和完善。

2.5 其他电机

近年来，随着电动车愈来愈引起人们的关注，有别于传统电驱动系统的其他新型电驱动系统也被研发出来，并被大量应用于电动车产品中，其中包括轮毂电机、轴向磁通电机和混合同步电机等等。

轮毂式电动车采用电子差速控制，省略了传统的汽车部件，提高了传动效率［23］。轮毂电机包括多种结构型式，如内转子、外转子和双转子等［24］。

早在上个世纪，众多世界知名厂商开发并推出了轮毂电机及轮毂电机驱动的电动车。

自上世纪90年代起，日本庆应义塾大学的清水浩教授团队相继推出了IZA、ECO、KAZ和Eliica等轮毂电机驱动的电动车［25］。其中，Eliica采用8个轮毂电机直接驱动，0～60 km/h加速时间仅为4 s，最高车速达到370 km/h，在良好工况下甚至可以达到400 km/h。由清水浩教授参与组建的 SIMDRIVE公司于2011年推出了SIM-LEI轮毂式电动车，该车0～100 km/h加速时间为4.8 s，最高时速可达150 km/h。

米其林公司开发的Active Wheel轮毂电机已接近量产水平，其额定功率为30 kW，峰值功率为55 kW。采用Active Wheel的电动车Heuliez Will，峰值车速为150 km/h，90 km/h的稳定范围内续航里程为320 km。

成立于1963年的美国Protean公司，主要研发轮毂电机。Protean公司的某款典型产品的峰值功率为81 kW，峰值转矩为800 N·m，系统峰值效率为90%。

奇瑞汽车于2011年发布了搭载轮毂电机的瑞麒X1-EV电动车。该车采用四轮驱动，可以节省车载电池约30%的电量。

此外，TM4、通用、标致雪铁龙、普利司通、三菱、丰田、本田和国内的比亚迪公司等众多企业均推出了轮毂电机及轮毂式电动样车。

但是，采用轮毂电机，电动车辆的非簧载质量明显增加，降低了行驶的平稳性和操控性。另外，轮毂电机工作环境恶劣，在密封、散热等方面也有较高要求。

轴向磁通电机和混合同步电机等为近年来推出的不同于传统电机的电动车驱动产品。其中的典型产品有YASA MOTORS公司的轴向磁通电机YASA-250、YASA-400和 YASA-750，BRUSA 公司的混合同步电机 HSM1-6.17.12 和 HSM1-10.18.13 等。

3 结论及展望

随着能源短缺和环境污染等问题的加剧，电动车已经成为解决能源和环保等突出问题的研究热点。目前，电动车驱动电机正朝着小型化、高功率密度、高可靠性等方向发展。永磁电机已经成为目前应用于电动车的主要电驱动产品。同时，以轮毂电机为代表的其他电驱动产品也逐渐进入实用化阶段。因此，我们应当把握历史机遇，加大研发力度，在低碳经济和后危机时代的世界汽车工业布局中占得先机。同时，希望绿色交通技术稳步前进，真正实现人与自然的和谐发展，造福人类。

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