纯电动轿车驱动电机的选型分析

金灵 宋亮 耿冲 王琳琳

（一汽丰田技术开发有限公司）

电动机是纯电动轿车唯一的动力元件，它与能量源电池包之间的能量流动是通过逆变器进行能量转换调节的。纯电动轿车电机驱动系统与整车运行性能的好坏有很大关系。电机自身的性能将直接影响电动汽车动力性参数，如最高车速、加速性能及爬坡性能等[1]，所以开发纯电动轿车新产品之前初步确定电机类型及其参数是至关重要的。

1 纯电动轿车需求的驱动电机性能要求

电机驱动系统是纯电动轿车中的关键系统，纯电动轿车的运行性能主要取决于电机驱动系统的类型和性能。纯电动轿车的驱动系统一般由整车控制器、电机、逆变器、DC-DC、减速器以及驱动轮构成[2]。典型的纯电动轿车驱动系统，如图1所示。

纯电动轿车对驱动电机系统性能要求如下：

1）低速输出大转矩，以适应车辆的起动、加速、负荷爬坡以及频繁起或停等工况，即:低速时恒转矩运行[3]；

2）高速输出恒定功率，有较大的调速范围，以适应最高车速和超车等要求，即:高速时恒功率运行。

3）减速时，电机实现再生制动，将能量回收并反馈回电池，使得整车具有最佳的能量利用率；

4）电动机可靠性好，能在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量的生产，运行时噪声低，使用维修方便，成本低，体积小。

5）结构坚固、质量轻、良好的环境适应性和高可靠性。

2 各类电机性能分析

目前市场上纯电动轿车使用的驱动电机主要有4种型式，分别是直流电机（DCMotor）、交流异步电机（感应电机，ACIM）、永磁电机（包含永磁同步电机和无刷直流电机，BDCM）、开关磁阻电机（SRD）。对4种型式电机的各种性能比较分析，如表1所示[1]。

表1 4种型式电机的各种性能比较分析

结合纯电动轿车对驱动电机性能的需求，驱动电机应具有较宽的调速范围、较高的转速、足够大的启动扭矩、高电压、体积小、质量轻、效率高、可靠性高以及动态制动能量回馈的性能。通过表1分析可知：永磁同步电机具有比功率高、峰值效率高、体积小、质量轻、维护简单等特点和开关磁阻电机具有效率高、结构和控制简单、可靠性好、启动扭矩大、成本低等特点均符合纯电动轿车用电机的需求。

结合汽车理论知识分析，电机需求功率一定时，电机质量的增加会增大整车质量，整车质量的增加将会影响电动汽车的动力性和100 km能耗。现实生活中，消费者最注重续驶里程和充电时间。而续驶里程受限于车辆的最高车速、整备质量和电池容量，充电时间受限于电池容量和充电技术。当电池容量一定时，想得到越大的续驶里程，整车的整备质量当然越小越好。因此，在驱动电机选型时，应优先选择永磁电机和开关磁阻电机。

3 纯电动轿车驱动电机使用的实证研究

3.1 国外电动轿车用驱动电机的研究现状

电机的驱动及其控制技术是电动汽车的核心技术，当前在纯电动轿车的设计研发过程中主要使用的电机有4种，包括直流电机、感应电动机、永磁同步电机和开关磁阻电动机。在实际的使用过程中，不同用途车型对驱动电机的要求有着很大的区别。针对纯电动轿车用驱动电机许多发达国家很早就进行了研究，不同的国家研究方向也不大相同。日本主要是针对电动汽车用的永磁同步电机的研究，40多年前就开始了。最早是1996年运用在丰田RAV4电动车上。最新的日产电动轿车启辰晨风也是使用的永磁同步电机。英国将研究重点放在永磁无刷直流电机上，德国研究重点主要是开关磁阻电机，法国着重研发的是三相永磁同步电机，美国则是感应电机[4]。综合来说，纯电动轿车早期的驱动电机多采用直流电机，直流电机具有优良的电磁转矩控制特性、调速比较方便、易于控制，控制装置简单、成本较低。但其效率较低、电机结构复杂，不利于维修[5]。接着是调速范围宽、成本较低、可靠性好、体积较小的交流异步电机，到现阶段驱动电机多采用永磁同步电动机。

3.2 我国纯电动轿车用驱动电机存在的问题

经过前期“九五”、“十五”、“十一五”对电动汽车用电机系统的集中研发和应用，我国已经具有满足各类电动汽车需求的驱动电机系统的产品，在电动汽车关键零部件方面，我国具有一定的生产设计能力，但也存在以下问题。

1）技术上。我国虽然拥有了一大批电机系统的相关知识产权，具备了电动汽车用驱动电机系统的小批量生产能力，但与发达国家相比，在产品集成度、可靠性和系统应用技术方面，仍存在较大的差距。主要表现在：由于整车开发的经验积累有限，导致对电机和控制器的可靠性与使用寿命考核办法不明确；控制器、DC/DC的体积、质量普遍偏大；模块化设计不足，插接件标准不统一，需要提高工程化程度；关键电力电子元器件需要进口，成本占到控制器近一半左右。

2）资金方面。由于整车开发的周期长，工作量大，各种研发认证的相关费用投入非常多，产业化扩大投资规模时，固定资产投入较大，汽车零部件供应链的回款周期较长，一般需要6～9个月的账期，流动资金需求较大，资金周转难度较大。因此新产品研制及产业化费用高，投入回报周期长。同时由于该领域是属于边缘和交叉学科，需要有较高的理论知识、较强的实践能力和经验，人才培养的周期也较长。

3）标准法规。驱动电机系统的行业标准尚不完善。作为一个新兴行业，产品的技术标准尚未得到有效检验，同时也有待进一步完善，现有的电机和控制器标准法规相对滞后。

3.3 我国纯电动轿车驱动电机的型式实证分析

通过对近2年上海、北京、广州车展展示的31辆电动轿车进行统计分析得出：除了帝豪EC-7、欧朗、朗世3种电动轿车使用的交流异步电机，其他28种电动汽车使用的都是永磁电机，占电动汽车展车总数的90%，如图2所示。其中，永磁同步电机是目前纯电动轿车用电机的主流形式，大约占87%。

通过对近几年车展上展示的纯电动轿车比较分析可知：永磁同步电机具有比功率高、峰值效率高、可靠性好及外形尺寸小等优点，被大多数汽车企业选用作为电动汽车动力源，交流异步电机具有比功率适中，调速范围大，结构可靠，成本低，结构简单及技术成熟等优点，被少数汽车企业选用作为电动汽车动力源。当然也有个别企业选用永磁直流无刷电机。

3.4 纯电动轿车电机驱动系统的进一步分析

纯电动轿车在选择电机驱动系统时，需要考虑的关键问题是成本、可靠性、效率、维护、耐用性、质量、尺寸以及噪声。现对纯电动轿车常用的4种电机优缺点进行分析比较，如表2所示。

表2 4种电机优缺点分析

直流电机具有优良的电磁转矩控制特性、调速比较方便、易于控制，控制装置简单、成本较低。但其效率较低，电机结构复杂，不利于维修。

感应电动机采用旋转磁场与转子绕组相互作用产生交互电磁转矩，带动转子旋转，从而实现电能转化为机械能。感应电动机效率高（最高效率达到95%）、可靠性高、过载能力强、结构坚固性好、便于维修，价格相对较便宜，感应电动机的控制器采用了矢量控制方法控制的变频器，使感应电动机具有更好的可控性和宽广的调速范围。但感应电机的控制系统很复杂，负荷效率低。

永磁电动机由电枢铁芯和电枢绕组组成定子，转子由永磁体、转子铁芯和转轴构成，永磁体磁动势和电枢磁动势构成高磁通密度磁场驱动转子连续运行，具有功率密度高、质量轻、体积小、可靠性较好、效率高（达到90%以上）、利于维护等优点[5]。采用矢量控制的变频调速系统使永磁电动机具有宽广的调速范围，有利于变速箱的轻量化。其控制系统比较简单，转矩特性与机械特性与直流电机相似。但永磁电动机的转子采用永磁材料制作，要求磁极的磁性材料具有良好的剩余磁通、矫顽磁力、矫顽磁场强度以及良好的耐温能力。现有的永磁材料在温度升高到一定程度时，会出现消磁现象。而且永磁材料价格较高，因此造成永磁电动机的成本较高。

开关磁阻电动机的磁阻随转子磁极与定子磁极的中心线而变化，从而使定子绕组按一定的顺序通电，保持电动机在控制状态下连续运行。开关磁阻电动机结合了感应电动机和直流电动机的优点，它的结构比其他任何一种电动机都要简单，转速可达到15 000 r/min。其转速-转矩特性好，在较宽的转速范围内，转矩速度可灵活的控制，并具有高启动转矩和低启动功率的机械特性。转子上没有励磁绕组和永磁体，结构简单坚固、可靠性好、质量轻、便于维护及成本较低。开关磁阻电动机的控制系统包括微处理器、电流和位置检测器等电子器件，控制系统较复杂，调节性能和控制精度要求高。但工作时转矩脉动大，噪声也较大，体积也相对较大[6]。

4 纯电动轿车电机驱动系统的发展趋势

根据科技部电动汽车“十二五”专项规划对新能源汽车驱动电机系统的性能要求：电机功率密度≥2.7kW/kg，电机扭矩密度≥55N·m/L，控制器质量密度＞6.0kVA/kg，控制器体积密度＞8.0 kVA/L、系统最高效率＞94%，系统高效区（效率＞80区域）＞75%，寿命30万km。系统成本：乘用车200元/kW、商用车300元/kW[7]。另一方面受电池技术的制约，电机的启动性能、加速性能、低速时的效率、制动及滑行时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度及电机可靠性是衡量电动车辆驱动电机好坏的重要指标。基于以上原因，未来驱动电机的发展趋势如下：

1）驱动电机的功率密度不断提高。驱动电机作为动力输出源，其自身的性能直接影响到了电动汽车的整体性能。除了需要满足不同工况不同车型的需求，还要受车内空间的限制。这就需要电动轿车用电机向高性能和小尺寸发展。不断提高电机本身的功率密度，用相对小巧的电机发挥出大的功率成为驱动电机未来的发展趋势。永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率及高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高效节能、高性能、轻型化永磁电机是我国车用驱动电机的发展方向。

2）驱动电机高速化，回馈制动范围宽广高效化。通过提高电机的工作转速，减小电机的体积和质量，进而拓宽回馈制动的范围，采用适当的变速系统及控制策略，可以使回馈制动的允许范围拓宽而适应更多工况，使整车节能更加有效，延长行车里程。

3）驱动电机系统集成化和一体化。未来为了进一步减小驱动电机系统质量和体积，驱动电机系统的集成化程度将会不断提高。电机、电机控制器、变速箱、减速器、DC-DC的集成度将会越来越高，从结构集成到控制集成化和系统集成化，电机和变速箱的一体化将会越来越明显。

4）驱动电机控制系统数字化。电动轿车用电控制系统集成度越来越高，电机控制器、DC-DC、变速箱控制器、整车控制器进行不同方式的集成。高速、高性能的微处理器使得电驱动系统进入全新的数字化时代。面向用户的可视化编程，也可以通过代码转化和下载直接进入微处理，不断提高编程效率和可调试性。

5）开关磁阻电机市场化。未来为满足消费者对纯电动轿车的动力性、经济性需求，需要考虑到纯电动轿车的成本、效率、续驶里程、百公里能耗、最高速度等问题，在解决开关磁阻电机输出转矩脉动大的问题后，拥有结构和控制简单、效率高、转速范围宽、成本低、质量轻等特点的开关磁阻电机将越来越会被汽车企业重视，并运用在电动汽车上。

5 结语

近年来，电动汽车越来越被政府和各大汽车企业重视。国家不仅设立专项资金进行电动汽车研究，而且出台各种扶持政策，鼓励消费者购买。各大汽车企业也加大力度开发新能源汽车，作为纯电动轿车核心部件的驱动电机更是研究重点。研发具有卓越的综合性能的驱动电机系统势在必行。虽然目前的驱动电机在实际应用中还存在一些问题，但市场上也有一些相当成功的产品，相信在不久的将来，这些存在的问题也将不断得以解决。