新能源汽车驱动电机选配方法探究

刘尚达

吉林铁道职业技术学院 吉林吉林 132200

1 前言

新能源汽车已经成为全球汽车行业的发展大趋势。目前市面上的新能源汽车可分为四大类，即混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车及其他新能源汽车，其中以纯电动汽车为主流，电机技术作为电动汽车的三电技术之一，电机的选择与车型定位的匹配已经成为决定车辆性能的关键因素之一。

2 新能源汽车的分类及各自特点

目前市场上大规模生产的新能源汽车按照动力来源的不同可分为：纯电动汽车、混合动力汽车和氢燃料汽车三大类。其中，纯电动汽车和混合动力汽车一定要配备驱动电机，氢燃料汽车则分为两种：一种是氢内燃机汽车，以内燃机燃烧 氢气产生动力驱动汽车，不需要配置驱动电机，但目前几乎没有大规模批量生产民用产品；另一种是氢燃料电池车，使氢或含氢物质与空气中的氧在燃料电池中反应，产生电力推动 电 动机再由电动机驱动车辆，目前市场上的民用产品以这个品类为主。由此可见，目前在市场上大量应用的新能源汽车都需要配置驱动电机，但由于每种车辆的结构及功能不同对驱动电机有不同的要求。

2.1 纯电动汽车

驱动电机是纯电动汽车唯一的动力来源，以不同种类的蓄电池作为能源的存储器，由蓄电池输出电能，通过电机控制器进行相应的电能变换，控制驱动电机的运行，最终输出动力。同时当车辆制动或减速时，由电机控制器控制驱动电机发电，再把能量回收到电池中。相比于其他几个类型的新能源汽车，纯电动汽车的结构简单、维修方便、技术成熟、能源转换效率高，是应用最广泛的新能源车型。

2.2 混合动力汽车

混合动力汽车一般以一种或多种的储能器作为动力来源，目前市场中的混合动力汽车至少都有一种动力是靠驱动电机输出的。如果按照动力的组合方式可以分为并联、串联和混联。其中并联车型的动力可以根据工况选择发动机输出动力或者电机输出动力；串联车型的发动机只负责发电，始终运行在最优的转速区间，车轮得到的动力全部来自驱动电机；混联车型的动力既可以由发动机输出，也可以由电机输出，还可以由两者搭配输出，这样能最大发挥两种动力来源的优势，但这种新能源汽车的结构也是最复杂的，同时对于两种动力源的选择也是要求最高的。

2.3 燃料电池汽车

现在所说的燃料电池汽车通常指的就是氢燃料电池汽车，氢燃料是国际上公认的清洁能源，且来源广泛。但由于氢燃料的利用技术发展并不成熟，核心技术只掌握在少数公司手中，没有得到广泛的应用，所以市场上能够见到的车型并不多，也少有用户敢于尝试。氢燃料电池汽车是以氢燃料为能源，存储在蓄电池、超级电容或其他储能器中的电动汽车，以电机驱动车轮。它的主要特点是能量转换效率高，燃料来源广泛，可再生无污染。

3 驱动电机的分类及各自特点

驱动电机的发明比发动机还要早上50多年，所以虽然新能源汽车是汽车行业的新产品，但驱动电机的技术已经很成熟，在新能源汽车的三电技术中，电机技术是最成熟可靠的。驱动电机种类繁多、用途广泛，功率覆盖面积大。根据使用要求，可以用在新能源汽车上的电机种类主要有：直流电动机、交流感应电动机、永磁电机和开关磁阻电动机。

3.1 直流电动机

直流电动机是最早应用在电动汽车上的驱动电机，因为目前的动力电池只能存储直流电，所以直流电动机可以从电池组直接获得直流电不需要进行交直流的转换。但是由于直流电动机的结构复杂，有换向和电刷维护等问题，不适宜高速运行，现在车辆性能要求越来越高，应用已经受到了极大的限制。

3.2 交流感应电机

交流感应电机的定子及转子基于电磁感应原理实现力矩的传递，也称交流异步电动机，其结构简单、工作可靠成本低廉，但控制系统相对复杂，存在调速范围小、转矩特性不理想等问题，但得益于微处理技术和交流电机控制技术的大力发展应用比较普遍。

3.3 永磁同步电机

永磁同步电机的转子采用永磁材料制成，定子产生旋转磁场，磁场相互作用使转子转动。永磁同步电机具有效率高、转矩和功率密度大、功率因素高、可靠性高便于维护等优点，使其成为目前市场上应用较广的主流产品，但永磁体的材料成本、高温退磁问题依然没有可靠的解决办法，是限制其发展的主要因素[1]。

3.4 开关磁阻电动机

开关磁阻电机对于大多数人来说可能就有点陌生了，它是新发展起来的一种调速电机，这类电机的结构更为简单、成本更低。转子没有绕组也没有永磁体，定子只有少数几个绕组，具备可靠性高、效率高、散热特性好、起动转矩大、电流小和调速范围宽、适合高转速运转等优点。缺点是转矩脉动大，容易引起较大的震动，因为转子上产生的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而成，由于合成转矩并不是恒定转矩，对该电机的低速运转性能有所影响。

4 新能源汽车对电机的要求

工业中所使用的电机，大都是处于固定的位置，拥有稳定的工作环境。而汽车是一个行走的机器，要面临的使用条件更加苛刻，所以新能源汽车选用电机也有更加严格的技术要求，总结起来可以归结为以下几点。

4.1 体积小、质量轻

汽车的体积和质量是有严格限制的，为了争取更大的使用空间和更良好的经济性，汽车上的所有零部件都有严格的轻量化要求，电机也不例外。同时还要考虑到车辆前后轴的配重，要求在满足其他要求的前提下，车用驱动电机应更轻、更小。

4.2 低转速时大扭矩输出

汽车在起步爬坡脱困等状态时都需要有较大的扭矩输出，目前的电动汽车多数不配备变速器，或是变速器的速比很小，这就要求电机在低转速时拥有较大的扭矩输出。

4.3 宽范围的恒功率输出

汽车的行驶状况复杂，拥有启动、加速、行驶、减速、制动等各种工况，如果没有一个稳定的功率输出，那么将大大提高车辆的驾驶难度，驾驶员也很难准确判断车辆的运动状态，这也会降低乘坐的舒适度。为了达到和传统汽车至少相同的控制响应，要求驱动电机具有宽泛的稳定功率输出。

4.4 高电压、高转速

与低转速电机相比，高转速电机的体积和质量较小，更能满足车辆的轻量化要求。就目前的车辆设计而言，在允许的范围内尽可能采用高电压，可以减小电机的尺寸和控制器、导线等设备的尺寸，还可以降低逆变器的成本。

4.5 可靠性高、使用寿命长

在汽车的行驶环境中，雨雪、气压、海拔、颠簸、尘土环境都是基本要求，所以要求在各种极端环境下都具有较高的可靠性及安全性。不仅如此，目前传统燃油车已经取消了强制报废政策，根据现在的制造水平，一辆汽车开十几年不成问题，这就要求电动汽车也要尽可能地接近这个使用寿命，才可以得到用户的认可，同时也减少了生产厂家的售后服务成本。另外，车用电机还要求具有低噪音、工作平稳等特性，以满足对车内乘坐环境的舒适性要求。

5 电机的选择

5.1 电机类型的选择

驱动电机选择的首要因素是在机械特性上满足车辆的使用要求，可以根据电机生产厂家提供的转矩-转速特性曲线（T-n）和功率-转速特性曲线（Tp）作为依据，再结合自身车型的性能要求进行选择。

以特斯拉为代表的美国车企和部分欧洲企业多采用交流异步电机。这与特斯拉最初的技术研发路线选择有关，交流感应电机价格低廉，而偏大的体积对于车身庞大的美式造车风格影响并不大；另外，欧美国家地广人稀高速路网发达，相对简单的行驶环境也掩盖了交流异步电机调速范围小的缺点。

包括中国、日本在内的亚洲国家应用较多的是永磁同步电机。永磁同步电机在反复启停、加减速时仍能保持较高效率[2]，更能适应复杂的路况。

5.2 额定电压的选择

在选定输出功率的条件下，动力电池的电压越高，电流就越低；反之动力电池的电压低，为满足功率要求电流就要加大。高电压低电流的电池系统的导线、插头、开关等电器元件都可以更小一些，这样安装、维修、制造的成本都会随之减少。但是要求有更加严格的高压保护措施，相对的管理系统也要更复杂。相反的，低电压高电流的电池系统的成本会升高，但管理系统相对要简单得多[3]。

随着当今控制技术的快速发展，更加高性能的管理系统层出不穷，车企更愿意选择高电压低电流的技术路线。

5.3 额定转速的选择

电机的转速决定了汽车的动力性能，可根据车辆的定位选取不同转速的驱动电机。一般在3 000～6 000 r/min属于低速电机，由于转动惯量大、反应慢，所以在家用车上应用较少。6 000～10 000 r/min属于中速电机，对于没有特殊性能要求的家用电动车， 选用这个转速区间的较多；10 000～15 000 r/min属于高转速电机，转动惯量小、起步快、停止也快，如果对汽车的运动性能要求较高，可以选择这个转速范围内的电机。

6 结语

目前家用电动汽车驱动电机主要分为两个阵营：感应电动机（即交流异步电动机）和永磁同步电动机。二者各有优缺点没有好坏之分，具体的选择依据要结合车辆的产品定位、制造成本、自然资源分布等多方面因素综合考虑决定。