技術|新能源汽車用電機驅動系統簡要分析比較

2017-10-27 18:49:48 電動汽車資源網　點擊量：評論 (0)

目前，新能源汽車(包括低速車)產業在全球范圍內發展迅猛，異軍突起。作為三大核心技術之一的電機及其控制，目前是什么狀況呢。本文將談一點自己的粗淺認識。1、錯誤的認識整體上，就新能源汽車三大技術(整車系統

目前，新能源汽車(包括低速車)產業在全球范圍內發展迅猛，異軍突起。作為三大核心技術之一的電機及其控制，目前是什么狀況呢。本文將談一點自己的粗淺認識。

1、錯誤的認識

整體上，就新能源汽車三大技術(整車系統、電池系統、電機系統)而言，有不少人認為汽車用電機及其控制技術是成熟的，核心問題還是電池系統。因此忽略了對電機的研發和性能提升。但是實際情況則完全不同。我國新能源汽車的動力系統，也就是電機系統，和歐、日相比，總體上是處于相當的落后狀態的。

這一落后，很大地限制了整車的操控性、節電性、續航性和智能化等關鍵性能。落后的電機對電池系統帶來的巨大沖擊也被忽略，實際上電機系統是造成電池壽命和性能衰減的一個重要因素。沒有電機系統的性能提升，我國的新能源汽車產業，不可能“彎道超車”，只會在低檔次產品上惡性競爭，中、高檔產品不可能和歐、日本在全球范圍內競爭。未來而言，不采取措施的話，這個局面和目前的內燃機汽車的局面會驚人相似：我國干低檔、國外干高檔。

2、目前的電機種類

目前作為新能源汽車的主流電機系統，由三大類構成：

1)、交流異步變頻電機系統。

2)、稀土永磁同步電機系統。

3)、開關磁阻電機系統。

交流異步變頻電機系統，我們稱之為傳統電機。其技術成熟、可靠、產業鏈完整，因此被大量使用于新能源汽車(尤其是缺乏標準的低速車)。但是，這類電機效能落后，無論是電流扭矩關系，還是系統綜合效率等等各個方面，其實都是不適合用于車輛，也不符合節能的內涵(這類電機對電池沖擊很大，所需電流也很大)。另外加之技術“簡單”，“誰都可以干”，小作坊也可以干。因此目前競爭非常激烈，造成價格幾乎沒有利潤，整車廠壓款。在這樣一個低價競爭的前提下，廠家不可能對其進行深入改良和性能提升。因此，這類電機和市場對其提高續航里程的迫切需求，形成悖論和矛盾。所以這類電機用于新能源汽車，在我國是沒有很大的前途的。

當然這不是說它不可以用，而是只能作為低檔次品使用。順便說一句，在我國企業，目前的背景下，是造不出特斯拉汽車那樣的電機的。特斯拉用的也是異步變頻電機，但是其設計、工藝、材料、精度，不是我們可以做到的。盡管如此，特斯拉汽車的電機也是非常耗能(電)的，并不符合新能源汽車的節能本質精神，并不完全值得效仿。那么稀土永磁電機如何呢?

首先，稀土永磁同步電機是一種高性能電機系統!具備很多優勢，比如功率密度、效率、智能控制等等。加之技術比較成熟、人才也多、短時間內容易上項目，因此目前在我們國家興起了“永磁電機熱”，各個整車企業也在考慮使用這類電機系統，或正在使用。

然而，影響此類電機持久普及的有兩個致命問題：一是退磁，一是價格戰。永磁的“永”，不是永遠的意思，而是長期的意思。在我國當前材料、技術、工藝、成本的能力框架內，想系統地“解決”汽車用電機的退磁問題，其實是不可能的。3、4年后的事實將證明這一點。

高溫、振動甚至自然退磁，都需要一系列復雜的技術來解決，包括和整車設計的聯動(比如冷卻系統、減振系統等等)，而不是僅僅靠提高電機本身的防退磁能力就可以“解決”。因此，我們說實驗室里的獨立的永磁電機產品，性能可以做到極其優越，甚至超乎想象。但是一上工況，則截然不同了。

無論工程師們如何解釋說“已經解決退磁問題了”，都是片面和錯誤的。這不是說工程師們說謊，因為這不僅僅是電機本體一家的事情。事實上，歐洲、日本正在減少對永磁電機的研發和使用，悄然而明確地轉向了開關磁阻電機，這不僅僅是資源問題。同時，如果想比較徹底的解決退磁問題，就需要把余量設計的大一些，用更好的永磁體，那么成本就是問題。目前在我們國家的“永磁電機熱”，必將導致低價競爭(其實已經出現)，那么性能和成本，又會出現悖論和矛盾。

我個人預測，汽車行業如果大量使用低價的永磁電機，3、4年后，將會出現大面積退磁，造成無可收拾的局面。誰也不愿意買一輛只能用3、4年的電動汽車。實際上，在山區城市，每天頻繁駕駛爬坡，不用2年可能就退磁了。

當然，這不是說永磁同步電機就不可以使用，事實上，它有自己適合的車型。作為能量密度高、高效電機，永磁電機最適合用于平坦地區的高檔轎車。換句話說，不太適合用于物流車、中巴和大巴車、SUV、工具車、工程車輛等需要連續過載和發力的車型，也不適合在山區、顛簸路面使用。再來談談開關磁阻電機系統。

從性能而言，開關磁阻電機可以說是天生為汽車而生。為什么這么說呢?有必要在這里談一下其主要特性。

1、)最重要的特性

起動轉矩大，但是起動電流小，負載啟動扭矩可控范圍大。對電池沖擊極小,是電池友好型電機。

控制系統從電池吸收很小的電流，電機可得到很大的起動轉矩是其最大特點。起動電流小而轉矩大的優點還可以延伸到低速運行段。其實，啟動過程是一個平均概念(0到額定轉速的50%)，實際上開關磁阻電機從靜止到啟動，瞬時的電流非常小。這賦予了這類電機可以豐富像想和二次開發的性能空間。

2、)電機系統高效區非常寬，不僅僅是一個額定效率的概念。在“全轉速范圍內”都具有比較高的效率。

本系統是一種非常高效的調速系統。這是因為一方面SRD的轉子無銅損;另一方面電機可控參數多，靈活方便，易于在寬轉速范圍和不同負載下實現高效優化控制。就高效區的寬度而言，處于所有主流電機的首位(超過永磁同步)。

3、)電機系統恒功率區寬

就恒功率區的寬度而言，開關磁電機局域獨特優勢。

4、)對車輛負載的變化自動檢測，從而調整電流大小，從根本上實現節電SRD系統在運行中，其智能控制部分，能自動感知車輛負載(電動機負載)的大小和變化，并據此自動調整從電源側所取電流大小，從本質上實現了節電。

5、)可頻繁帶載起停、正反向頻繁轉換運行

系統具有的高起動轉矩、低起動電流的特點，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機和控制器發熱較連續額定運行時還要小。磁阻電機制動運行與電動運行具有同樣優良的轉矩輸出能力和工作特性，電動運行和制動運行切換方便、迅速，二者綜合作用的結果必然使之適用于頻繁起停及正反向轉換運行。

6、)負載下可瞬間響應

從0轉到額定轉速，耗時可控到20毫秒-200毫秒。比如，根據必要，百公里提速可低于3秒。

上述幾點特性，聯合作用，確保了開關磁阻電機是應用于變載、輕載、重載爬坡啟動、頻繁啟停等工況下車輛的最優秀的電機系統。

7、)低速下可實現大轉矩

8、)電動機結構簡單，適用于高速、超高速的運轉。

9、)不存在退磁問題，也不存在資源問題。

10、)耐操控性能好，用于賽車，可反復使用。

那么，既然SRD系統這么優秀，為什么還沒有大規模使用呢?

因為目前生產的產品不合格。也就是說國內很多公司還沒有掌握其核心技術。SRD的技術復雜、深入而體系，跨多種學科，可以說是一種最難研發的控制類電機。而且目前國內人才很少，能夠兼顧電機本體、控制系統、電力電子三大系統的綜合技術人才，我們稱之為SRD項目帶頭人，遠少于永磁電機。實際上目前我國全國的、稱職的應用型SRD項目帶頭人，不超過15人。這比永磁電機系統要少100倍(簡單數字比較)。而且領導這樣跨學科、原創型的項目，也需要高水平的企業管理人才和先進管理邏輯來協調、駕馭。這也是我國的弱項。

同時，另外一個重要因素是開關磁阻電機自身的一些缺點也限制了其應用。那就是被“廣為詬病”的振動噪音和功率密度。SRD的低速振動、噪音，的確是一個“問題”。但不是不可以抑制，而完全是個技術、工藝和成本問題。事實上，目前我國能夠解決這個問題、并且可以批量生產的，目前大概只有兩個團隊。一是山東的AICI艾磁團隊(就是我所帶領的團隊)，有5-11年連續SRD的開發經驗，集聚了這個領域17位高水平研發人員(并正在發展成45人的研發隊伍)，項目領頭人多于5位，而且和多所國內外大學、多名海歸專家建立有聯合開發關系和技術共享關系，掌握了新能源汽車用srd的專有技術和核心技術。目前已經開始批量生產和供應。

開關磁阻電機的另一個缺點是功率密度不理想，體積大。這一點其實并不是致命問題。就其技術而言，完全可以通過提高轉速來解決(開關磁阻電機可以在軸承許可的前提下，做到幾十萬轉。)，當然，也可以通過材料、結構設計來減小體積。

3、結論

上述三種電機，各有優勢，未來會并存。下表是我預測的不久未來新能源汽車用電機的布局、市場細分。主要是比較了開關磁阻電機和永磁同步電機。

4、國外趨勢

混合動力車型，傾向于使用永磁同步電機，比如豐田。但是，逐步減少對永磁電機的使用，歐洲和日本基本形成“共識”。這一是因為資源問題，一是因為退磁問題造成在汽車上使用的技術障礙。

目前日本的豐田、三葉、電產、電裝、三菱等公司已經完成了開關磁阻電機技術的準備，他們下一代的全電汽車，將搭載開關磁阻電機，而不是永磁電機。捷豹路虎不遲于2018年將推出搭載開關磁阻電機的全電SUV，這將是全球第一款高性能全電動SUV。事實上，國外已經完成了開關磁阻電機的技術布局。

原標題:技術 | 新能源汽車用電機驅動系統簡要分析比較