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新能源汽车驱动电机发展现状及趋势分析

2018-07-19 15:58

来自 :厚势

作者 :张军/肖倩/孟庆阔

阅读时长约4分钟

根据中汽协发布的产销数据,2017 年我国新能源汽车产销分别为 79.4 万辆和 77.7 万辆,同比增长分别为 53.8% 和 53.3%,产销量连续三年位居全球第一。新能源汽车的快速发展给驱动电机带来了巨大的发展机遇,电机技术的发展成为行业关注的热点。

1. 电机技术发展现状

目前驱动电机主要分为直流电机、交流电机及轮毂电机等;其中,直流和交流电机又可进一步划分。目前行业对交流异步电机、永磁同步电机及开关磁阻电机关注度较高。通过对常见的几种电机进行比较分析可知(见表 1),永磁同步电机具有效率高、转速范围宽、体积小、重量轻、功率密度大、成本低等优点,成为纯电动乘用车市场的主要驱动电机。

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▲ 表1  主要电机性能及参数比较

从行业配套来看,新能源乘用车主要使用的是交流感应电机和永磁同步电机。其中,永磁同步电机使用较多,因其转速区间和效率都相对较高,但是需要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼;部分欧美车系采用交流感应电机,主要因为稀土资源匮乏,同时出于降低电机成本考虑,其劣势主要是转速区间小,效率低,需要性能更高的调速器以匹配性能。

随着新能源汽车市场的迅猛发展,驱动电机市场空间潜力巨大,吸引了众多企业和资本的进入。国内外典型驱动电机企业的永磁同步电机产品情况如表 2 所示。整体来看,我国驱动电机取得较大进展,已经自主开发出满足各类新能源汽车需求的产品,部分主要性能指标已达到相同功率等级的国际先进水平。但是在峰值转速、功率密度及效率方面与国外仍存在一定的差距

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▲ 表2  国内外驱动电机企业的永磁同步电机参数比较

在技术指标方面,国内电机与国外电机相比尚存在以下几方面的差距:

① 峰值转速

峰值转速是驱动电机的重要指标,也是目前国内驱动电机较之国外电机差距最为明显的指标。国内绝大部分永磁同步电机的峰值转速在 10000 rpm 以下,而国外基本在10000 rpm 以上。

② 功率密度

虽然国内电机在功率方面基本能够达到国际水平,但是在同功率条件下存在重量劣势,因此功率密度较之国际水平存在较大差距。目前,国内的永磁同步电机功率密度多处于 1~2 kw/kg 区间内,与 2020 年 3.5 kw/kg 的目标值存在较大差距。

③ 效率

在电机效率方面,国内电机的最高效率均达到 94%~96%,已达到西门子、Remy 等企业的水平。但是在高效区面积方面,如系统效率大于 80% 的区域占比方面尚存在一定差距。我国电机的高效区面积占比集中在 70%~75%,而国外电机基本达到 80%。

④ 冷却方式

电机的冷却方式已经从自然冷却逐步发展为水冷,目前国内电机企业采用水冷为主,国外先进的电机企业已经发展到油冷电机。国内部分电机企业也研发出油冷电机,如精进等,使电机的冷却效率得到进一步提升。

2. 永磁同步电机的发展瓶颈

当前因纯电动乘用车以永磁同步电机为主要技术路线,故如何进一步提升其性能成为行业重点问题。目前,永磁同步电机面临以下几方面的技术难点:

① 功率密度

功率的提升有两种途径,一种是提高扭矩,另一种是提高转速。前者主要问题是过载电流加大,造成发热量高,给散热造成较大压力;后者是高速时铁磁损耗大,需采用高性能低饱和硅钢片,从而使成本提高;或采用复杂的转子结构,但影响功率密度。

② 材料方面

永磁材料也是制约永磁同步电机性能提升的重要因素,目前常用的永磁材料钕铁硼主要存在温度稳定性差、不可逆损失和温度系数较高以及高温下磁性能损失严重等缺点,从而影响电机性能。

③ 生产工艺

永磁同步电机在生产工艺方面的难点是制约大规模配套乘用车的重要因素。因为永磁同步电机生产企业缺乏产业化的积累,国内企业生产不良率较高,无法达到乘用车企业的不良率要求,尤其是随着纯电动乘用车市场规模的扩大,十万级的年产量给永磁同步电机带来了巨大的挑战。

3. 轮毂电机的发展

① 技术现状

轮毂电机最早于 1900 年由保时捷搭载到纯电动汽车上,经过 100 多年的发展,不仅众多美系、日系主机厂增加对轮毂电机的开发,电机公司(如英国 Protean 公司、法国 TM4 公司等)和轮胎企业(米其林公司、普利司通公司)也开发出轮毂电机产品。国内方面,万安科技与英国 Protean 合资、亚太股份与斯洛文尼亚轮毂电机公司合资开发轮毂电机产品。国内外主要轮毂电机产品及其参数如表 3 所示。

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▲ 表3  国内外主要轮毂电机产品及参数

② 优缺点分析

从整体来看,永磁同步电机在轮毂电机上应用较为广泛。近年来,国内外的整车及零部件企业进行了很多轮毂电机驱动纯电动和混合动力乘用车的尝试,经比较可知轮毂电机的优缺点如表 4 所示。

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▲ 表4  轮毂电机优缺点分析

③ 性能提升对策

轮毂电机在性能上面临的主要问题是簧下质量的提升对舒适性和操控性的影响;与轮毂集成后的散热问题和制动能量回收问题,以及随之而来的防震、防水和防尘等。主要提升的技术手段及对策如表 5 所示。

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▲ 表5  轮毂电机性能提升对策

④ 发展前景

不同的行业主体对轮毂电机的态度不同造成轮毂电机的发展前景并不理想。新能源主机厂对轮毂电机以观望为主,传统的电机企业尚未对轮毂电机进行开发和规划,仅靠部分合资的电机企业对轮毂电机的推进,从而缺乏成熟量产车的支撑,同时轮毂电机的高成本和系统复杂度尚未解决,显著制约着轮毂电机在新能源乘用车领域的发展,详见表 6。

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▲ 表6  不同行业主体对轮毂电机发展的观点

4. 未来驱动电机发展趋势分析

通过以上分析并结合市场调研可以看出,在未来几年的纯电动乘用车市场上,永磁同步电机仍将占据主流,交流异步电机的配套将逐年萎缩。随着轮毂电机技术的逐步成熟和成本的下探,其在纯电动乘用车市场的配套量会有一定的增长;而开关磁阻电机受限于体积和噪声问题,短时间内应用到乘用车的可能性较小。

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▲ 表7  驱动电机技术路线图

根据《节能与新能源汽车技术路线图》分析,驱动电机的发展路线图如表 7 所示。总体上看,驱动电机的主要趋势包含以下几个方面:集成化——涵盖电力电子控制器的集成和机电耦合的集成;高效化——提高功率密度并降低成本;智能化和数字化——与控制器配合不断提升驱动系统的性能。

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