新能源汽车驱动电机性能特点与应用研究

徐兴有

（中国重汽集团济南卡车股份有限公司，山东济南 250000）

0 引言

新能源汽车是基于蓄电池、驱动电机及相关控制系统构建的新型驱动体系，通过将电能转化为机械能的方式实现对汽车的驱动控制。汽车运行期间不会如传统燃油汽车一般产生大量的尾气污染，对于改善国内能源结构和生态环境具有积极意义。永磁同步电机以其高效率、重量轻、体积小、可靠性高等特性，成为当前新能源汽车领域所应用的主要电机类型，为确保驱动电机在新能源汽车中的可靠应用，相关单位需要针对汽车运行需求对电机的性能参数进行研究，从而推出能够有效改善新能源汽车性能的驱动电机。

1 新能源汽车驱动电机概述

新能源汽车所应用的驱动电机由直流有刷电机发展为永磁电机、交流异步电机等多种类型，相关生产单位在研发过程中针对转矩密度、速度控制效果及效率等方面的参数进行优化升级，各类电机的性能参数详见表1。

表1 驱动电机性能比较

永磁同步电机的研究应用是当前新能源汽车驱动电机领域的重要发展方向，此类电机的应用能够有效减少电机对汽车内部空间的占用，实现整车重量的进一步降低，能够从成本和功率密度方面获取更多效益。为满足新能源汽车在不同工况下的运行需求，驱动电机的调试范围需要进一步提升，相关生产单位应结合电机冷却热平衡技术、转子动力相关理论、电机控制理论、电机结构相关内容进行研究。在发展过程中，永磁同步电机在高频响技术的支持下实现了动态响应性能及刚度的有效改善，同时也有效遏制了能引发较强噪声的共振问题。高密度转子、定子绕组相关技术为永磁同步电机性能参数的突破提供了有力支持，现阶段涌现出的众多科研成果成为推动永磁同步电机在新能源汽车领域广泛应用的重要基础。

2 新能源汽车驱动电机性能分析

2.1 新能源汽车驱动电机稳态特性

2.1.1 电机外特性

为确保新能源汽车能够具备超过传统汽车的驱动性能，在各类工况下的功率与转矩输出需求均得到满足，生产单位加强对电机驱动力特性的研究，结合实际情况给出驱动电机的外特性，即功率特性与转矩特性。理想状态的驱动力特性（图1a）），即新能源汽车运行期间，驱动电机能够基于低车速输出较高转矩，并通过恒功率输出的方式满足较高车速时的运行需求（图1b））。

图1 电机驱动性能

外特性，即对电机进行控制时的机械特性。电机启动达到额定转速的过程为起步加速阶段，该阶段所处区域为图1b）所示的恒转矩区域，此时需要将转矩维持于较高水平以满足新能源汽车的运行动力需求。对于电机转速持续抬升至超出额定转速的阶段，新能源汽车通常处于急加速运行状态，此时的功率维持在恒定状态，需要借助高功率确保汽车的高速行驶，转矩则随着转速的提升而持续降低。因此，电机的峰值功率、峰值转矩、峰值转速相关参数通常会被动力性指标所限制，在电机性能设计时应结合汽车的爬坡要求、百公里加速时间及车速要求等相关内容对上述参数的下限进行核算，从而为电机性能参数的设计提供参考依据。

此外，在对取得电机外特性性能优化过程中，无需完全基于理想驱动特性进行设计，生产单位需要考虑弱磁扩速区间的影响，结合新能源汽车高速行驶期间的自然特性曲线进行优化设计，从而以更低的成本满足车辆运行需求。相关研究指出，永磁同步电机的最高转速及转折速比主要与气隙磁通、直轴电感、交轴电感、定子绕组电阻存在关联，而凸极率及弱磁率则受直轴及交轴电感影响较大，因此为了优化电机弱磁扩速能力，需要从这两种电感参数入手。为控制直轴及交轴电感参数，生产单位可以从气隙长度、永磁体极弧因数、定子绕组匝数及齿槽槽口开度角度进行优化调节，测试结果表明，槽口开度的提升将降低两电感数值，绕组匝数的提升将提升两电感数值，永磁体极弧因数的提升以及气隙长度的降低将导致两电感数值提升。

2.1.2 电机效率特性

为提升新能源汽车的经济性，生产单位需要强化对取得电机效率特性的研究，从效率性能优化角度对取得电机的结构参数进行调整。为满足新能源汽车运行需求，驱动电机的效率特性不仅需要效率值高，也需要高效率的区间范围较大，确保汽车各类工况下的运行效率均维持在较高水平。“十二五”相关规划标准中要求，电机驱动系统高效区＞75%，且最高效率＞94%，高效区具有80%以上效率。永磁同步电机的高效率区间要求如图2所示。在实际设计时应结合新能源汽车的具体性能参数进行调整，下面对效率特性的调整思路进行详细论述。

图2 永磁同步电机高效率区间

电机效率是永磁同步电机的关键性能参数。效率数值通常与电机散热情况及损耗情况关联，通过电机降耗的方式能够有效提升效率数值。稳态运行的电机主要具有杂散损耗、机械损耗、铁损、铜损等。其中，机械损耗与铁损为不变损耗，其他两种损耗为可变损耗。结合电机损耗计算公式可以确认，轴向长度、气隙长度、绕组匝数、极弧因数是影响电机损耗的重要因素，可以从相关参数角度入手，改善驱动电机的效率特性。

相关研究指出，电机效率随着轴向长度的提升呈现出先升后降的特性，生产单位可以峰值附近选取一段能够维持电机较高效率的轴向长度，确保效率特性符合需求。气隙长度对电机效率的影响与轴向长度相反，生产单位应从变化曲线两端选取适宜的气隙长度，由于该参数对效率的影响较小，在实际设计时可以结合加工成本和加工难易程度对气隙长度进行优化。绕组匝数的变化不会对铁损造成影响，但铜损呈现出先升后降的变化特性；绕组线径的提升不会对铁损造成影响，但会降低铜损。因此提升绕组线径的方式能够改善电机效率，而绕组匝数在选型时需要进行实际测试，选取适宜的匝数区间，避免因匝数过高或过低影响电机效率。极弧因数的提升能够降低铁损并提升铜损，这与该因素对气隙磁场、气隙磁密的影响有关，电机效率则随着该因数的提升呈现出缓慢增长至峰值后急速降低的特性，因此在永磁体选型时需要充分考虑极弧因数对电机效率的影响，根据模拟仿真与现场测试结果对参数进行优化。

2.1.3 部分负荷特性

新能源汽车的急加速、起步加速等各种运行状态下的功率与转矩输出均可能产生某种程度上的波动，为实现对新能源汽车性能的优化改进，生产单位需要对取得电机的部分负荷特性进行研究探索，确保车辆在加速等各类工况下的功率、转矩波动在允许偏差范围内，提升新能源汽车行驶的平稳性和舒适度。在驱动电机部分负荷特性调整时，生产单位可以在维持电机稳定外特性的基础上，从转子永磁体槽轮廓、定子槽型、永磁铁等角度入手对电机性能进行优化，实现对转矩波纹、齿槽转矩、气隙磁密、高次谐波含量等指标参数的优化调节。

转矩波纹的形成与谐波电流及电动势有关，在定子反电势和绕组电流与理想正弦波相互贴近时，输出的转矩波纹较低。气隙磁密的形成与永磁体有关，由于大量谐波存在于气隙磁场中，导致其并非理想状态下的正弦曲线，大量谐波的存在导致气隙磁密的幅值有所降低，抬升铁损，导致电机效率受到影响。为了实现对转矩波纹及气隙磁密的有效控制，生产单位应针对电机结构进行优化改进，通过改善气隙磁密正弦分布状态的方式控制其波形，并降低波纹。

相关研究指出，电机极对数的增加能够抬升气隙磁密，而其正弦分布状态则在极对数提升的情况先得到改进后受到负面影响，因此需要从峰值区域选取适宜的电机极对数。内置式永磁同步电机气隙长度的提升将导致气隙磁密大幅度降低，这与气隙长度提升引发的磁阻增大有关，磁阻对磁力线的强度具有削弱作用，因此导致气隙磁密降低；此外，气隙长度的提升对于转矩波纹也具有改善效果，在设计过程中需要把握对气隙长度的调整尺度。永磁体是形成气隙磁密的关键部件，生产单位可以从极弧因数入手对气隙磁密波形进行调节，相关研究指出，永磁体极弧因数的降低能够改善气隙磁密的波形效果，并起到降低转矩波纹的作用。

电机转矩输出性能的优化不仅可以从转矩波纹、气隙磁密角度入手，也可以从电机齿槽转矩角度入手，通过限制转矩脉动的方式改善电机输出性能。齿槽转矩与绕组电流无关，其转矩大小与定子齿槽和转子永磁体之间的相互作用有关，转矩数值大小与斜槽数量存在关联，斜槽数量越少则转矩越高，因此生产单位可以通过增加斜槽数量的方式控制齿槽转矩，同时也需要在设计齿槽时，在不影响嵌线的情况下尽可能降低槽口开度，实现对电机输出稳定性的优化改善。

2.1.4 温升特性

温升特性是电机稳态性能中的重要参数，如果新能源汽车运行期间的电机温升达到材料温度限界，则电机的峰值功率与峰值转矩将有所减少，对于电机的过载性能造成负面影响。电机本体温度长时间维持在较高水平将对最大去磁工作点造成影响，导致电机寿命受到影响。为了满足新能源汽车在爬坡、加速时的过载运行需求，生产单位需要重视对电机温升特性的研究，将其温升参数维持在可靠范围内，即冷却系统散热量与电机发热量维持在稳定状态。一般而言，电机的稳态温升数值需要避免超出温升限度，具体数值标准需要结合电机绝缘材料的耐热参数进行确定，现有的绝缘结构耐热等级主要具有A、E、B、F、H 五种类型，为满足安装于狭窄空间驱动电机的温升特性需求，生产单位应可能选择耐热等级较高的绝缘结构，即F 或H 级别的结构。

生产单位需要在温升特性这一稳态性能研究时同步推进配套冷却系统的研究，通过测试不同冷却方式散热效果的方法选取适宜的绝缘结构与冷却散热系统，从而将电机的温升特性控制在可靠范围内。此外，相关研究表明，电机反电动势会受到温度的影响，在维持转速不变的情况下，温度提升将导致反电势降低，因此需要将电机温度维持在合理数值区间以确保电机的正常运行。

2.2 新能源汽车驱动电机动态特性

为了改善新能源汽车驱动电机的动态性能，生产单位需要提前掌握电机的控制模式，结合控制模式的具体情况进行动态性能优化。一般来说，控制模式主要与汽车运行条件有关，转速控制即车辆换挡变速、匀速巡航等运行状态调整，可以通过闭环控制的方式调节转速；转矩闭环控制主要与汽车制动、加速、起步等工况存在关联，下面对相应的动态响应要求进行详细论述。

2.2.1 转速阶跃动态响应特性

新能源汽车为实现不同速度的调整，通常需要在静态状态下采取换挡加速的方式进行调整，整个速度变化过程即为电机转速的动态响应过程。电机控制器根据整车控制器的转速要求输入控制指令，实现转速由初始静止到最终转速状态的响应控制。驱动电机的转速阶跃响应通常是在峰值转矩作用下，电机接收到电机控制器的转速阶跃信号直到转速稳定到目标值的响应时间，是转速响应特性的指标体现。转速动态响应公式为：

其中，Je为电机输出轴的转动惯量；Δt为动态响应时间；ω1-ω2为速度超调量；Te为调速扭矩。

由此可见，调速扭矩的提升将提升转速响应效率，降低动态响应时间，因此在动态响应期间应尽可能提升调试扭矩，促使新能源汽车运行时能够快速进入转速稳定状态，避免对汽车换挡操作造成负面影响。一般来说，生产单位需要将驱动电机的转速响应时间控制在350 ms 之内。

2.2.2 转矩阶跃动态响应特性

纯电动轿车在起步及制动过程中，电机会进入转矩动态响应。整车控制器对电机控制器发出阶跃转矩指令，起步过程对应从零到额定扭矩，而从电动状态下的额定扭矩到发电状态额定扭矩对应于制动过程，这两个过程中的电机扭矩经过控制达到目标扭矩值。通常以驱动电机在额定转速下，转矩从零变化到额定扭矩的动态响应时间作为转矩动态响应的指标。

由电机控制原理可知，通过调控定子侧电流可以对转矩加以控制，因此，转矩动态响应时间会受控制精度的影响。响应时间体现为转矩的延迟，一定程度上会影响到整车动力性能。通过电机试验来给出在某一转速下的转矩阶跃响应时间。由试验电机得出在1000 r/min 下的转矩响应曲线可知，转矩动态响应时间可以控制在500 ms 以下，转矩响应可以满足整车要求。

3 结语

综上所述，新能源汽车的推广应用对于缓解国内环境、能源压力具有积极意义，对提升新能源汽车的性能，生产单位需要强化对驱动电机性能的研究，通过调节外特性、部分负荷特性、温升特性、效率特性的方式改善电机的稳态性能，通过调节转速、转矩阶跃响应特性的方式改善电机的动态性能；稳态性能的优化主要涉及永磁体极弧因数、绕组匝数、气隙磁密、齿槽开度等参数的调节，动态性能的优化则需要从电机控制角度进行调节，两种性能的同步优化对于改善电机性能和实现新能源汽车的推广应用具有积极意义。