浅析电机技术在新能源汽车中的应用

2024-02-01林碧琴

中国设备工程 2024年2期

林碧琴

（闽江师范高等专科学校，福建福州 350018）

我国正在加快推进可持续发展战略，节约能源和环境保护已经变成一项重大的系统工程。在“双碳”目标大背景下，汽车产业加速电动化转型，我国新能源汽车发展迅速。作为新能源汽车的动力元件，电机取代了传统的发动机作为电力汽车的主体，将电能转换为机械能以供新能源汽车行驶运行。因此，加强电机技术的研究和应用对于新能源汽车的发展是至关重要的。

1 新能源汽车及对电机技术的要求

1.1 新能源汽车

新能源汽车是一种将传统能源和最新技术相结合的车辆，通过使用动力电池和发动机组合的模式或纯动力电池的形式提供动能的发动机也变为了电机，这种汽车的能源形式打破了传统的机械式结构，提高了能源的使用效率。新能源汽车更侧重于电子元器件的应用开发，尤其是对于电控系统的应用能够大大提高新能源车的使用感受，另外，还能够有效降低环境的污染问题发生，提高汽车的动能表现。

1.2 新能源汽车对电机技术的要求

新能源汽车对电机技术的要求非常严格，不仅要满足汽车的行驶性能，还要具备良好的舒适性、环境友好性和耐久性，以及调速范围宽，以满足不同的使用需求。电机的调速范围必须满足恒定的转矩和功率，以确保汽车能够迅速启动，并在加速和爬坡时提供足够的动力。当车辆以高速行驶时，为了适应超车等驾驶特点，必须大范围调速，以保证提供稳定动力。此外，为了提高效率和功率密度，必须确保车辆在一定的转速和转矩范围内，尽量减少功率损失，延长发电机的寿命。电机的设计应具备较强的抗振性和安全性，同时质量轻巧，体积小巧，以减轻车辆的整体重量，提高车身空间利用率，使驾驶者和乘客更加舒适。电机需要具备高效的瞬时功率和强大的过载能力，以满足汽车在短时间内快速加速和爬坡的需求。此外，电机还需要具备良好的环境适应性，能够在极端环境如高温、潮湿等正常工作，并具有较高的制动再生效率。新能源汽车电机应尽可能简单，成本低廉，以满足大规模生产的需求，并且具有良好的可靠性和可操作性。

2 电机技术在新能源汽车中的应用

2.1 电机驱动系统

电机驱动系统是新能源汽车的核心部件(电池、电机、电控)之一，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。电机驱动系统主要由电机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源部分构成，结构框图如图1所示。

图1 电机驱动系统的基本组成框图

2.2 直流电机驱动控制技术

新能源汽车发展前期，直流电机驱动控制技术是新一代汽车研发和生产制造的主要驱动技术。当晶闸管尚未发现时，人们只能通过机械手段来调控车辆的行驶速度，例如，通过调整蓄电池串联的数量来控制电机电枢电压。显而易见，传统的技术方法存在许多缺陷，效率低下、可靠性不佳，操作过程中还可能产生顿挫感，严重影响舒适度和安全。随着晶闸管的顺利开发，直流电机控制器一般采用晶闸管脉宽调制方式(PWM)，控制性能好，调速平滑度高，控制简单，技术成熟，且成本较低。但它也存在一些不利因素，比如，效率较低、电刷、换向器等元件老化和损坏频率较快，必须定期维护和更新，这大大增加了新能源汽车的使用成本，因此，新研制的车型基本不再采用。

2.3 开关磁阻电机驱动控制技术

开关磁阻电机是一款全新的电动机，它的构造比任何电动机都简洁，而且速度还能到达每分钟15000转，运行效率高达90%，拥有优异的扭矩和速度，起动制动性能好、可靠性高、成本低，但电机噪声高，非线性严重，转矩脉动严重，用于电动汽车驱动有利有弊，目前在电动汽车中应用较少。

2.4 交流感应电机驱动控制技术

交流感应电机被广泛应用于新能源汽车进行动力驱动，使汽车能够在高速行驶时保持稳定的性能。把三相交流电输入定子绕组中，通过定子绕组能够在电流中产生相应的磁场，而在磁场的作用下又会推动转动力矩旋转，而将这一力矩作用到机械齿轮中来达到提供汽车动力的目的。此种结构的电机能够以更加简单的方式实现能量的转化，无论是使用过程中的成本维护还是后期的维修保养都相对来说比较简单。缺点在于这种电机驱动技术往往会伴随较高的能量消耗，对于速度的线性调整表现较差，另外，在高速行驶过程中还需配备相应的散热系统，而这部分往往会带来较高的成本。现阶段，交流电机大部分针对于空间使用充足且对于速度要求较低的客车或者物流车。

2.5 永磁同步电机驱动控制技术

近年来，由于新能源汽车电机驱动技术的不断发展，永磁同步电机驱动控制系统已经被广泛应用于新能源汽车的开发、控制系统设计和生产中。它不但可以提高95%的效率，而且体积小巧，质量轻，完全没有了直流电动机换向器和电刷的缺陷，也没有了开关磁阻电机的噪声和脉冲问题。随着电子技术的进步，越来越多的新能源汽车品牌都开始使用永磁同步电机。永磁同步电机系统在新能源汽车中应用主要分为永磁同步电机（正弦波）和永磁无刷直流电机（方波）两大类，其转子均由永磁材料制成，定子采用三相绕组，输入调制方波产生旋转磁场带动永磁转子转动。永磁无刷电机驱动系统采用全数字化和模块化结构设计，操作更加简单，控制技术更加强大，应用能量回馈制动技术，减少了刹车片的磨损，又增加了汽车续驶里程。永磁同步电机具有高功率密度和宽调速范围，有较大的转矩和驱动效率，且没有励磁损耗和散热问题，电机结构简单，体积比同功率的异步电机小。其缺点在于在使用过程中容易出现退磁现象，目前还难以解决，且永磁同步电机在高速运行时控制复杂，维护成本较高，这些影响其在新能源汽车中的使用。

3 电机在新能源汽车上的具体应用

随着科学技术水平的不断发展，电机在新能源汽车上的应用越来越广。电机已经不仅仅应用于新能源汽车的发动机，还在汽车其他部件中也有很好地应用。最常见的电机系统有驱动电机系统、底盘电机系统和零件电机系统。

3.1 电机在发动机中的应用

新能源汽车与常规内燃机车有着显著的差别，它们采用洁净的电力驱动，而传统汽车则使用不可再生资源，这些资源在燃烧过程中会产生一些危险废气，对周围环境产生重大污染。采用新能源汽车有助于改善生态环境，提升出行感受。目前，新能源汽车采用电动机取代常规汽油机，使用洁净资源作为动力源，以电能转化为机械能，实现新能源汽车高效、快速、环保的行驶特性。电动机能够按照不同类型的新能源汽车装配在不同位置，使用电力来取代常规的热能驱动汽车，从而实现更加环保的汽车运行。

3.2 电机在底盘中的应用

电机的特性，使其能够在驱动系统之外的模块中发挥更大的功用。例如，在底盘上，电机系统可以应用于利用助力和转向设备协助完成车辆转向，也可以应用于车辆防抱死系统。传统的汽车转向系统依赖于汽车的蓄电池来控制，这种方式既耗时又费力，而且效果一般。然而，在新能源汽车中，为了简化安装并最大限度地利用系统动力，采用微型控制器来管理发动机提供周期内的扭矩和电力，从而直接控制汽车底盘的转向。电机系统是新能源汽车底盘防抱死系统的主要部件，它利用安装在车轮上的传感器来实时检测车轮的状态，并将信号传输到汽车控制系统，以便实现智能化管理。电机系统在底盘中能够提供优质的电力，以保证车辆行驶的安全性和可靠性。

3.3 电机在汽车零部件中的应用

随着汽车技术的不断发展和安全、便捷的要求，电机技术在新能源汽车零部件中的应用也越发广泛，新能源汽车中各种传统由人工控制的部件也开始趋近于智能化、自动化，可通过一个完整的电力驱动装置进行控制。例如，可对新能源汽车后视镜实行电动收起和展开控制，可对汽车窗户玻璃完成电动升起和降落，对于汽车雨刷、车门锁等部件都可以采取电机电动控制。

4 新能源汽车电机技术的发展趋势

4.1 扁线电机渗透率将快速提升

扁线电机相较传统圆线电机，大幅提高了功率密度，总铜耗明显减少，效率也有所提升。扁线电机有效材料成本降低8%～12%，性能优势更加明显。在此背景下，新能源汽车扁线电机渗透率加速提升，随着越来越多的车企换装扁线电机，行业企业也纷纷布局此领域，华域汽车等多家企业已实现大规模量产扁线电机。目前，扁线电机生产仍面临着制造工序多且复杂、严重依赖高端设备、产线和设备投入较大等问题，未来在企业的发力下，扁线电机产品和工艺上将不断取得突破，行业将实现大规模产业化。

4.2 集成化、智能化助力行业降本增效

随着新能源汽车驱动电机技术的快速发展，降低成本、缩小体积、智能控制的需求更加强烈，促使行业向集成化、智能化方向发展。目前，市场上已发布的多合一电驱动系统有三合一、四合一、六合一等等，但三合一电驱动系统较为常见，通过将驱动电机、端盖与减速器三个部件进行两位一体化或三位一体化设计，不仅可降低单体电机的金属用量，减少成本支出，还可以缩小电驱动系统体积，降低重量，增大车内空间，满足汽车轻量化要求，提升续航里程。同时，多合一电驱动系统对产品设计协调、冷却系统设计、智能控制等方面提出了更高的要求。未来多合一电驱动系统技术将成为企业研发的重点，迎来更大的发展。