您真的“造”新能源電機(jī)vs工業(yè)電機(jī)區(qū)別在哪嗎？敢問電機(jī)發(fā)展趨勢路在何方?
發(fā)布時間：2023年3月15日 |
文章來源：電機(jī)技術(shù)及應(yīng)用 |
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整體而言，電動汽車電機(jī)和工業(yè)電機(jī)都是是電機(jī)的一種，分類及控制的理論和方法相同。而與電機(jī)的工業(yè)應(yīng)用不同的是，用于電動汽車的電機(jī)通常要求頻繁起停，快速動態(tài)響應(yīng)，低速恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行且過載能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速變化范圍寬，可以四象限運(yùn)行，在充分滿足汽車運(yùn)行功能的同時還應(yīng)滿足行駛時的舒適性，適應(yīng)環(huán)境的能力等。
電動汽車電機(jī)所用驅(qū)動器相比于工業(yè)用電機(jī)的驅(qū)動器來說，在尺寸、工作環(huán)境、可靠性、功率密度、冷卻方式等方面有較大差異，對電動汽車電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的基本要求總結(jié)如下：
1. 嚴(yán)格的體積要求和重量要求：因為是車載，所以這方面要求突出。普通工業(yè)電機(jī)對于體積尺寸和重量沒有這么嚴(yán)格的要求，一般以滿足工業(yè)目標(biāo)為第一目的。電動汽車不同，尺寸和重量決定了汽車的動力性能和駕駛體驗，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。所以，電動汽車電機(jī)的難點(diǎn)就在于提高功率重量密度和功率體積密度。越小，越輕，功率越大的電機(jī)，越好。?
2. 獨(dú)特的轉(zhuǎn)矩特性：啟動或低速時要求超高轉(zhuǎn)矩，將汽車速度以最快的方式泵升至期望速度。一般工業(yè)電機(jī)并沒有這么高的啟動速度要求。同時，高速時需要提供足夠的功率，使得汽車可以高速巡航。
3. 寬調(diào)速范圍：最高速度可能是電機(jī)基速的4倍甚至更高。目前電動汽車最好的方案莫過于省去多檔變速箱，只使用固定檔的齒輪組。如此，則要求電機(jī)的調(diào)速范圍越寬越好。以特斯拉的Model S 基本款為例，電機(jī)最高RPM能達(dá)到18000轉(zhuǎn)/分鐘，相當(dāng)可怕。這對于電力電子調(diào)速器來說是一個非常大的考驗。?
4. 全范圍效率要求：電動汽車不像電力機(jī)車由受電弓供電，電動汽車由電池供電，巡航范圍完全取決于電機(jī)效率。電機(jī)效率每提高1%，巡航里程就可相應(yīng)增加1%。所以對于電機(jī)的效率要求很高。能高一點(diǎn)，就是勝利，每一點(diǎn)能量都要優(yōu)化。
5.車輛運(yùn)行環(huán)境中的高可靠性和穩(wěn)定性：任何情況下都應(yīng)確保具有高度的安全性，尤其是失效模式下可控。
6.低噪聲：包括電磁噪聲和音頻噪聲，滿足車輛電磁兼容性和駕駛舒適性需要。
7.合理的成本：對電動汽車的普及來說成本始終是一大障礙。
評價一個電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的指標(biāo)主要有外特性（最大輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系）、恒功率調(diào)速范圍、驅(qū)動系統(tǒng)效率分布圖（非某一點(diǎn)效率，也不是單獨(dú)的電機(jī)本體或控制器的效率）、驅(qū)動系統(tǒng)功率密度與轉(zhuǎn)矩密度等。
下面的圖片清楚的指出了汽車電機(jī)和工業(yè)電機(jī)的相關(guān)區(qū)別：
驅(qū)動電機(jī)作為新能源汽車三大主要零件之一，如果說電池系統(tǒng)是電動汽車的血液，電控系統(tǒng)是電動汽車的大腦，那么電機(jī)系統(tǒng)是電動汽車的心臟。在新能源汽車中使用電動機(jī)取代發(fā)動機(jī)并在電機(jī)控制器的控制下，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來驅(qū)動汽車行駛，是純電動汽車的唯一驅(qū)動裝置。
現(xiàn)階段電機(jī)的分類，主要有直流、交流感應(yīng)、永磁同步和開關(guān)磁阻四種，目前，永磁同步由于其較優(yōu)的性能，是主流的電機(jī)類型。交流異步電機(jī)的價格適中，但性能稍差，在美國及中國有部分廠商使用。而開關(guān)磁阻電機(jī)的主要優(yōu)勢在于其較低的價格，但同時也存在著雜音和震動的技術(shù)問題，如果這些問題能夠解決的話，開關(guān)磁阻電機(jī)將具備很大的市場?，F(xiàn)階段適合新能源汽車的驅(qū)動電機(jī)主要有永磁同步、交流異步和開關(guān)磁阻三大類。因其不同特點(diǎn)， 各有應(yīng)用場合。
永磁同步電機(jī)體積小、質(zhì)量輕，功率密度大，可靠性高，調(diào)速精度高，響應(yīng)速度快；但最大功率較低，且成本較高。由于永磁同步電機(jī)具有最高的功率密度，其工作效率最高可達(dá) 97%，能夠為車輛輸出最大的動力及加速度，因此主要用在對能量體積比要求最高的新能源乘用車上。
交流異步電機(jī)價格低、運(yùn)行可靠；但其功率密度低、控制復(fù)雜、調(diào)速范圍小是固有限制。?價格優(yōu)勢使得其在新能源客車中使用的較廣泛。
開關(guān)磁阻電機(jī)價格低、電路簡單可靠、調(diào)速范圍寬；但震動、噪聲大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，且對直流電源會產(chǎn)生很大的脈沖電流，用于大型客車。
新能源汽車驅(qū)動電機(jī)向著：小型輕量化；高效性；更出色的轉(zhuǎn)矩特性；使用壽命長，可靠性高；噪聲低；價格低廉的目標(biāo)發(fā)展。?
目前，永磁同步電機(jī)在我國新能源汽車中的使用占比超過 90%，交流異步電機(jī)主要是以特斯拉為首的美國車企和部分歐洲企業(yè)使用。一方面，這與特斯拉最初的技術(shù)路徑選擇有關(guān)，交流感應(yīng)電機(jī)價格低廉，而偏大的體積對美式車并無掛礙；另一方面，美國高速路網(wǎng)發(fā)達(dá)，交流電機(jī)的高速區(qū)間效率性能上佳。
包括中國、日本在內(nèi)的其他國家新能源汽車電機(jī)最廣泛使用的仍是永磁同步電機(jī)。適合本國路況是主要因素，永磁同步電機(jī)在反復(fù)啟停、加減速時仍能保持較高效率，對高速路網(wǎng)受限的工況是最佳選擇。
此外，我國稀土儲量豐富，日本稀土永磁產(chǎn)業(yè)有配套基礎(chǔ)也是重要因素。日本的豐田、本田、日產(chǎn)等汽車公司基本上都采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，如豐田公司的Prius，本田公司的CIVIC。因為在日本，供應(yīng)永磁電機(jī)使用的稀土磁鐵的公司比較多，同時汽車大多以中低速行駛，因此采用加減速時效率較高的永磁同步電動機(jī)較為適宜。
日本在發(fā)展混合動力汽車方面居世界領(lǐng)先地位，其中以豐田普銳斯最為著名。
綜合來看，新能源汽車電機(jī)技術(shù)要求較高，永磁同步電機(jī)最具優(yōu)勢。驅(qū)動電機(jī)是新能源汽車的三大核心部件之一，相比傳統(tǒng)工業(yè)電機(jī)，新能源汽車驅(qū)動電機(jī)有更高的技術(shù)要求。從綜合性能來看，永磁同步電機(jī)最具優(yōu)勢，更能代表新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展方向。
由于中國稀土儲量極大豐富，而且電機(jī)工藝已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平，因此預(yù)計永磁電機(jī)將在較長時間內(nèi)占據(jù)中國新能源汽車的電機(jī)市場。?
總的來說，永磁同步電機(jī)對比感應(yīng)電機(jī)，它們各自都具有明顯的優(yōu)勢。不過，目前純電動車的續(xù)航里程勢必是一項及其重要的指標(biāo)，永磁同步電機(jī)的高效率能更好地提高續(xù)航里程。而且高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開發(fā)以及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，使稀土永磁同步電機(jī)的發(fā)展進(jìn)一步完善。但就現(xiàn)在的發(fā)展趨勢看，永磁同步電機(jī)似乎前景更好。?
隨著新能源汽車驅(qū)動技術(shù)的快速發(fā)展，許多新結(jié)構(gòu)或新概念電機(jī)已經(jīng)投入研究。其中新型永磁無刷電機(jī)是目前最有前景的電機(jī)之一，包括混合勵磁型、輪轂型、雙定子型、記憶型以及磁性齒輪復(fù)合型等。此外非晶電機(jī)也開始走進(jìn)新能源汽車領(lǐng)域，作為新一代高性能電機(jī)，其自身的優(yōu)越性必將對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動作用。
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