新能源汽车作为传统燃油汽车的替代品,其主要电气系统即为在传统汽车“三小电”(空调、转向、制动)基础上延伸产生的电动动力总成系统“三大电”——电池、电机、电控。其中,电机、电控系统作为传统发动机(变速箱)功能的替代,其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标。

同时,新能源汽车电机、电控系统面临的工况相对复杂:需要能够频繁起停、加减速,低速/爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,具有大变速范围;混合动力车还需要处理电机启动、电机发电、制动能量回馈等特殊功能。此外,电机的能耗直接决定了固定电池容量情况下的续航里程。

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因此,电动汽车驱动系统在负载要求、技术性能和工作环境上有特殊要求:

其一,驱动电机要有更高的能量密度,实现轻量化、低成本,适应有限的车内空间,同时要具有能量回馈能力,降低整车能耗;

第二,驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩,以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能;

第三,电控系统要有高控制精度、高动态响应速率,并同时提供高安全性和可靠性。

电机电控系统作为新能源汽车产业链的重要一环,其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。目前,国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池,部分电机电控核心组件如 IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力,具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。随着国内电机电控系统产业链的逐步完善,电机电控系统的国产化率逐步提高,电机电控市场具有的增速有望超过新能源汽车整车市场的增速。

此外,随着整车车体结构轻量化的推进,电池、电机、电控系统在新能源汽车整车中的成本占比也逐渐上升。根据 Argonne 国家实验室统计数据,新能源汽车动力总成(电机、电控、变速器)的成本分别占整车成本的 15.67%(轿车)和 13.69%(小型货车),总成占比仅次于电池和 BMS 系统。在新能源汽车补贴逐步退坡的政策驱动下,动力总成成本、重量下降的压力将逐步向上传导至电机、电控产品厂商,具备技术、规模优势的供应商将在成本下降的过程中占据优势。因此,电机电控市场仍然在很大程度上影响新能源汽车市场的走向。

永磁同步、交流异步电机成为驱动电机主流技术

电动机在工业中的应用非常广泛,功率覆盖范围宽,种类也很多。但由于新能源汽车在功率、转矩、体积、质量、散热等方面对驱动电机有更高的要求,因此,相比工业电机,新能源汽车驱动电机必须具备更优良的性能,如:小体积以适应车辆有限的内部空间,工作温度范围宽(-40~1050C),适应不稳定的工作环境,高可靠性以保证车辆和乘员的安全, 高功率密度以提供良好的加速性能(1.0-1.5kW/kg)等,因此驱动电机的种类相对较少, 功率覆盖也相对较窄,产品相对集中。

目前,应用于新能源汽车的驱动电机主要包括直流电机、交流电机和开关磁阻电机三类, 其中在目前乘用车、商用车领域应用较为广泛的电机包括直流(无刷)电机、交流感应(异步)电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。

其他特殊类型的驱动电机包括轮毂/轮边电机、混合励磁电机、多相电机、双机械端口能量变换器(Dmp-EVT),目前市场化应用较少, 是否能够大规模推广需要更长时间的车型验证。

交流异步电机也称为感应电机(Induction Motor),在定子绕组中输入三相交流电,定子绕组中的励磁电流在定子铁芯中产生旋转磁场,此时转子绕组中有感应电流通过并推动转子作旋转运动。当转子带有机械负载时,转子电流增加,由于电磁感应作用,定子绕组中的励磁电流也增加。交流异步电机控制器采用脉宽调制(PWM)方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频器实现电机调速,采用矢量控制或直接转矩控制实现转矩控制的快速响应,满足负载变化特性的要求。

交流异步电机的优点在于结构简单,定子转子无直接接触,运行可靠性强,转速高,维护成本低。不足之处在于能耗高,转子发热快,高速工况下需要额外冷却系统;功率因数低, 需要大容量的变频器,造价较高,调速性较差。目前,交流异步电机主要用于空间要求较低、且速度性能要求不高的电动客车、物流车、商用车等车型中。

目前,新能源汽车所使用的电机以交流感应电机和永磁同步电机为主。其中,日韩车系目前多采用永磁电机,转速区间和效率相对都较高,但是需要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼;欧美车系则多采用交流感应电机,主要原因是对于稀土资源匮乏,以及降低电机成本考虑,其劣势则主要是转速区间小,效率低,需要性能更高的调速器以匹配性能。特斯拉公司在其本代车型 Model S 和 Model X 上均采用的是自行设计的交流感应电机,但在其下一款

我国稀土资源丰富,因此电动乘用车多采用功率性能高、体积较小的永磁同步电机。根据中国汽车工业协会统计数据,2016 年上半年,我国纯电动汽车产销量分别达到 13.4 万辆、12.6 万辆,同比分别增长 160.8%、161.6%。上半年生产纯电动乘用车约 70000 辆,其中永磁同步电机的装机占比约为 65.7%,比 15 年同期增长 21.25 个百分点,比 15 年全年增长了 19.99 个百分点。

同期,国产新能源乘用车用交流异步电机的市场分额在逐渐减小,从 2015 年上半年的 35.1%下滑至 2016 年上半年年的 32.9%;而混合励磁同步电机的占比则从 0.03%上升至 1.10%, 尽管绝对占比仍相对较小,但装机率有望保持小幅稳定的增长态势,未来有可能在纯电动乘用车领域率先获得突破性进展。