贡俊：电动汽车用驱动电机发展现状和趋势

一、电动汽车用驱动电机系统发展现状

　　经过“九五”、“十五”、“十一五”国家对电动汽车用电机系统的集中研发和应用，我国已自主开发了满足各类电动汽车需求的驱动电机系统产品，获得了一大批电机系统的相关知识产权，形成具有核心竞争能力的车用驱动电机系统批量生产能力。

　　目前，我国自主开发的永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机已经实现了实现与国内整车产业化技术配套，电机重量比功率显著提高，电机系统最高效率达到93％以上，系列化产品的功率范围覆盖了200kW以下电动汽车用电机动力需求，各类电机系统的核心指标均达到相同功率等级的国际先进水平，如表1所示：

　　以上可以看出，我国以高密度永磁电机为代表各类车用电机取得了明显进步。这些电机的结构复杂，工作条件恶劣，特别对于混合动力工况，需与内燃机或变速箱进行一体化设计，研制难度大。“十五”期间这些电机曾一度成为混合动力系统的实现功能的难点，目前基本已经实现功能，性能与可靠性也有明显改善。
　　我国电动客车以交流异步电机系统为主，混合动力客车用大功率电机可靠性与噪声水平有明显改进，已初步具备产业化条件。电动客车电机领域也正在开展永磁电机应用。
　　在电机设计方面，采用现代车用电机系统设计理念，初步解决多目标高性能车用电机的极限设计与多领域精确分析以及结合应用控制策略系统集成仿真的技术难题，采用结构集成设计技术，实现了电机与变速器在机械、电磁、热的高度一体化设计与应用。在新型电机技术方面，国内部分企业、研究单位和高校对一些新原理的电机系统，例如基于双机械端口能量变换器电机（EVT），混合励磁电机系统等，进行了积极研究探索，有些已经开发出样机系统，部分进行了台架试验和装车。
　　对车用电机制造工艺进行了有益的研究探索，如拼块式铁心、高密度的绕线技术和整体充磁工艺等已开始用于产品实践。
　　车用驱动电机系统检测试验手段有一定改善，电机测试基地建立了电机及控制器专用性能检测试验台架，具备了较齐备的性能检测和初步环境试验检测条件；部分企业单位重视试验能力的建设，建成或正在建设一批试验台架。少数电机研制单位与整车单位共同开展测试规范的研究与制订工作，同时进行典型工况下的动力总成台架可靠性试验考核。
　　在电机及其控制系统的关键材料与关键零部件方面，如转速位置传感器的研制、高性能低成本绝缘材料开发、车用电机专用电工钢开发、电机磁性材料的稳定性研究方面，获得了初步成果。
二、发展趋势和面临的挑战
　　1、发展趋势
　　（1）电机的功率密度不断提高，永磁电机应用范围不断扩大
　　电机作为混合动力系统中一个重要的动力输出源，其自身的性能直接影响到了电动汽车的整体性能。一方面，汽车所需求的电机输出和回收功率不断提高，以满足不同工况不同车型的需求；另一方面，这种新型机电一体的传动系统尺寸收到车内空间的限制。这就需要混合动力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各汽车及电机厂商的发展方向。
　　（2）电机的工作转速不断提高，回馈制动的高效区不断拓宽
　　回馈制动是混合动力机电一体化技术的一个基本特点。伴随着对混合度要求的提升，相应回馈制动范围的需求也会越来越大。采用回馈高效的电机，适当的变速系统和控制策略，可以使回馈制动的允许范围适应更多工况，使整车节能更加有效，延长行车里程，这是混合动力汽车向真正实用性必须迈出的一步。
　　（3）电驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显
　　车用电机及其控制系统的集成化主要体现在电机与发动机、电机与变速箱、电机与底盘系统的集成度不断提高。对于混合发动机与ISG集成，其发展从结构集成到控制集成和系统集成，电机与变速箱的一体化愈加明显，汽车动力的电气化成分越来越高，不同耦合深度的机电耦合动力总成系统使得电机与变速箱两者之间的联系变得越来越紧密。在高性能电动汽车领域，全新设计开发的底盘系统、制动系统、轮系将电机和动力传动装置进行一体化集成，融合程度越来越深。
　　（4）电驱动系统的混合度与电功率比不断增加
　　虽然目前市场上分布了轻混、中混、强混等各种混合程度的混合动力车型，但从各种混合度车型的节能减排效果来看，混合程度越高，汽车的节能能力越强。电功率占整车功率的比例正在混合动力汽车领域逐渐提高，电机已不再单单作为发动机的附属设备。各车厂正在逐渐将小排量发动机和大功率电机运用在汽车驱动上。
　　（5）车用电驱动控制系统的集成化和数字化程度不断加大
　　车用电控制系统集成化程度也不断加大，将电机控制器、低压DC-DC变换器，以及发动机控制器、变速箱控制器、整车控制器等进行不同方式的集成正在成为发展趋势。
　　同时，高速高性能微处理器使得电驱动控制系统进入一个全数字化时代。在高性能高速的数字控制芯片的基础上，高性能的控制算法、复杂的控制理论得以实现。同时，面向用户的可视化编程，通过代码转化和下载直接进入微处理，不断地提高编程效率和可调试性。
　　2、面临的挑战
　　(1）技术方面
　　经过“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，我国已开发出具有自主知识产权，满足各类电动汽车需求的驱动电机系统产品，获得了一大批电机系统的相关知识产权，初步形成了车用驱动电机系统的小批量生产能力。总体来说，在电动汽车关键零部件方面，电机技术的进步明显，与国际先进的水平相比，但是在产品集成度、可靠性和系统应用技术方面，仍存在较大的差距。主要表现在以下几方面：
　　 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，可靠性和环境适应性的研究考核不足
　　 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
　　除了需要缩短以上差距，为了进一步增强综合竞争力，还应进行新产品技术和关键共性技术研究：新型电机一体化动力总成；低噪音高效一体化发电机组；耐恶劣环境稀土永磁材料；低成本高性能绝缘材料；高集成度、低成本轴角位置模数转换器等。
　　(2)资金和人才
　　该领域项目由于和整车开发的周期长，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个月—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)标准建设和知识产权
　　行业标准自身尚不完善。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工作相对滞后，目前正引起有关部门的高度重视。
　　作者为国家863计划节能与新能源汽车重大专项专家 贡俊