电动汽车驱动电机发展现状分析

陈亚莉

（奇瑞新能源汽车股份有限公司 241002）

0 引言

纯电动汽车指仅由电能驱动的电动汽车，我国2012年发布的《节能与电动汽车产业发展规划（2012-2020年）》中所指的纯电动汽车为符合国家“双80”标准的电动汽车。纯电动汽车技术主要包括动力电池及电池管理技术、驱动电机及其控制技术、整车控制技术等。受限于电池技术的发展，电动汽车目前面临的最大问题主要为续航里程及成本问题，在电池能量密度低这一“瓶颈”问题没有取得重大突破之前，提高驱动电机系统的效率显得尤为重要。

1 电动汽车驱动特点分析

驱动电机作为纯电动汽车的核心零部件，其性能直接关系到电动汽车的动力性和能源转化效率，同时还需要满足汽车结构尺寸的限制及复杂工况下的运行条件。因此，电动汽车除了要求驱动电机效率高、重量轻、尺寸小、功率密度大、扭矩密度大、可靠性高以及成本低以外，还必须能够满足汽车的频繁起动、停车、爬坡、急加速、急减速和倒车等复杂工况要求。这就要求驱动电机还需要具备宽广的调速范围和较大的过载能力，以满足低速时高起动扭矩和爬坡能力，高速巡航时恒功率输出能力[1]。同时为进一步提高电动汽车的续驶里程，还要求驱动电机具有能量回收功能，即在车辆减速或者制动时将车辆的部分动能回收，转化为电能存储到动力电池中。

综合上述要求及特点，目前比较常见的可作为电动汽车驱动的电机主要有四种：直流有刷电机、交流异步感应电机、开关磁阻电机、永磁同步电机。

1.1 直流有刷电机

直流有刷电机因控制简单、生产技术成熟在电动汽车发展早期得到了广泛的采用。但因其结构上存在电刷和换向器而限制了电机的转速和过载能力，同时其运转时会产生火花，可靠性较差，需要经常维护保养，目前在电动汽车驱动系统中已经被淘汰。

1.2 交流异步感应电机

交流异步感应电机与直流电机相比，效率高、功率大、结构简单，无电刷和换向器，可靠性高、便于维护。但与永磁电机相比，其存在损耗大、功率密度低、发热量大、功率因数低等缺陷，在电动汽车中的应用也逐渐被永磁电机所取代。

1.3 开关磁阻电机

开关磁阻电机是近年来新研发的一种电机，具有结构简单、运行效率高、易于散热、耐高温以及维护方便等显著特点，能够较好地满足电动汽车的需求。但其扭矩脉动严重，电机运行噪声大，与永磁同步电机相比效率和功率密度均偏低，限制了其在电动汽车中的应用。

1.4 永磁同步电机

永磁同步电机采用永磁体直接励磁，具有体积小、无励磁损耗、效率和功率密度高、功率因数高、转矩脉动小、振动和噪声小、可靠性高以及维护成本低等优点，已经逐渐取代其他类型的电机作为电动汽车的首选。但永磁材料在高温、振动以及过流的条件下，会产生不可逆的退磁现象，这会降低永磁电机的性能。因此还需通过技术、工艺等方面的研究来提升永磁同步电机的性能水平。

2 国内外研究现状

在19世纪20年代，人类发明的第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。随着永磁材料的不断发展，人们相继发现铝镍钴永磁、铁氧体永磁、稀土钴永磁以及钕铁硼永磁等永磁材料。特别是20世纪80年代出现的钕铁硼永磁材料，价格相对较低、磁性能优异，具有很大的矫顽力、很高的剩磁密度和磁能积。同时伴随着电力电子技术和控制技术的高速发展，使许多传统的电励磁电机被永磁电机所取代[2]。

永磁同步电机具有高控制精度、高效率、高功率密度以及低噪声等优良特性，使其在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。目前日本、欧美及中国等汽车厂家及科研机构均进行了大量的研究并且得到了广泛的应用。

日本的电机技术全球领先。日本研发的电动汽车普遍采用永磁同步电机。1996年日本丰田公司推出全球第一款量产的混合动力汽车普锐斯便是以永磁同步电机作为驱动电机。其第一代电机采用表贴式永磁体结构，第二代采用内置式永磁体结构，两代电机均采用8极48槽的极槽配合[3]。

日本电机工程研究实验室推出的内置式双层永磁体的永磁同步电机，使电机的效率、转矩等性能大大提高。2007年丰田公司推出的凯美瑞混合动力汽车，其搭载的永磁同步电机定子同样采用8极48槽的极槽配合，转子永磁体采用“V”型结构布置。2010年日产推出全球第一款量产的纯电动汽车聆风，同样采用了永磁同步电机作为驱动电机。

欧洲各国大部分也采用永磁同步电机作为电动汽车的驱动电机。德国宝马公司推出的纯电动汽车i3和i8采用了具有自主知识产权的混合式永磁同步电机作为驱动电机，该电机具有永磁电机和磁阻电机的双重优点，大大提高了永磁同步电机中磁阻转矩的利用率。英国谢菲尔德大学的Zhu ZQ、Chen JT等科研人员在永磁同步电机的结构设计上进行了大胆的尝试和革新，开发了横向磁通电机，并采用双层永磁体布置，同时改变定子齿部形状和磁极形状，提高了电机输出转矩，降低了转矩脉动[4]。

美国SatCon技术公司研发的汽车驱动用永磁同步电机，其定子采用双套绕组结构，汽车起动和爬坡时采用低速大扭矩绕组，汽车高速巡航时采用高速恒功率绕组。该技术增加了电机的调速范围，使电机的绕组电流低，逆变器电压利用率高，同时电机各区间运行时均可获得较高的效率[5]。

国内，沈阳工业大学在汽车驱动用永磁同步电机方面的研究一直处于领先地位。徐衍亮博士提出的转子外圆偏心技术优化气隙磁密波形取得了较好的效果，但优化后交轴磁阻变大，电机凸极率降低，不利于提高磁阻转矩。吴延忠、郭振宏等人研究了内置式永磁体磁路结构中，隔磁磁桥尺寸和极弧系数对空载气隙磁密波形的影响，并提出了优化方案[6]。

中国作为全球最大的纯电动汽车市场，电动汽车技术的发展突飞猛进。包括比亚迪、奇瑞新能源、北汽新能源、吉利、和江淮等电动汽车厂商都无一例外地采用了永磁同步电机[7]。

经过调研，表1给出了近几年国内外主要车企电动汽车驱动电机的种类和相关参数，除特斯拉采用交流异步感应电机作为驱动电机外，其余均采用永磁同步电机。

表1 国内外电动汽车用驱动电机数据

3 结束语

总体上，我国永磁同步电机的技术水平与欧美、日本等发达国家还存在差距，还需要进一步加大研究。但我国稀土资源丰富，加上国家一系列政策的支持，使国内电动汽车及驱动电机技术的发展进入了快车道。