新能源环卫车电机技术发展现状与趋势研究

夏靖武，谭 鹏，李 钱，严 丽，杨维豪，何 兴

（长沙中联重科环境产业有限公司，湖南 长沙 410221）

2023年1月，工业和信息化部等8部门发布关于组织开展公共领域车辆全面电动化先行区试点工作的通知，全国范围内启动公共领域车辆全面电动化先行区试点工作，试点期为2023～2025年，力争车辆电动化水平达到80%[1-2]。环卫车作为公共领域车辆的重要组成部分，近年来电动化比例逐步提升，如图1所示。

图1 2020～2023年电动环卫车总销量与渗透率对比图

1 新能源环卫车概述

1.1 新能源环卫车的定义和特点

新能源环卫车指采用新型能源技术的环卫车辆，这些车辆利用清洁能源进行驱动，减少了对传统燃油的依赖，降低了环境污染和碳排放，符合现代社会对环保、节能的要求。新能源环卫车在城市环卫工作中起到了重要作用，推动了环卫行业的可持续发展。

新能源环卫车相较于传统燃油环卫车具有以下特点：①环保节能，新能源环卫车采用电力驱动，零排放、噪声小，可大幅降低大气污染物含量，减少作业时的扰民问题；②使用成本低，新能源环卫车的运行线路相对固定、距离短，充电设施便于集中建设管理，新能源环卫车后期易维护，保养简单，使用成本明显低于燃油车型；③驾驶舒适，新能源环卫车在性能方面不断优化，大部分车型无需变速器或使用自动变速器，操作简便，驾驶平顺性和舒适性大大提高。

1.2 新能源环卫车按作业场景的分类（表1）

表1 新能源环卫车类型及主要应用场景对比表

新能源环卫车可以广泛应用于城市环卫、道路清扫、垃圾收集和运输等领域，其清洁、高效的特点使其成为改善城市环境品质和提升城市管理水平的重要工具，为城市的环境卫生和美化做出了积极贡献。

2 电机关键技术介绍

2.1 新能源电机的定义和分类

电机是根据电磁感应原理，可以把电源的电能转化为机械能，或者将机械能转化为电能的一种装置。当电能被转换成机械能时，电机表现出电动机的工作特性；当机械能被转换成电能时，电机表现出发电机的工作特性。根据驱动方式的不同，新能源电机可分为有刷直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等类型[3]。由于永磁同步电机作为驱动电机的优点突出，新能源环卫车的驱动电机几乎全部为永磁同步电机。

2.2 新能源电机的主要关键技术

1）电机设计与制造技术：包括电磁设计、热设计、机械设计等，以提高电机的功率密度和效率。电机制造技术涉及到材料选择、加工工艺和组装技术等。

2）电机控制技术：包括电机控制算法的开发和优化，以实现电机的高效运行和性能控制。

3）能量回收技术：包括制动能量回收和行驶能量回收两个方面，以提高能源利用效率。

4）故障诊断技术：包括电机和电控系统的故障检测和诊断，以提高车辆的可靠性和维修性。

5）传动匹配技术：包括电机与变速器的匹配和优化，以实现高效的能量转换和传递。

6）电机安全技术：包括电机过载保护、电机过热保护等安全功能的设计和实现。

7）集成设计技术：包括电机和车辆其他系统的集成设计和优化，以实现整车性能的协调和统一。

3 新能源环卫车电机发展现状

3.1 不同类型新能源环卫车驱动电机应用情况

目前，新能源环卫车根据储能方式的不同，主要分为：纯电动环卫车、混合动力环卫车和氢燃料电池环卫车3类，它们的特点和近3年的销量占比见表2[4]。盈峰环境开发的18t燃料电池清洗车如图2所示。

表2 新能源环卫车类型及主要应用场景对比表

图2 盈峰环境18t燃料电池清洗车实车图

3.2 不同动力型式在新能源环卫车上实际应用

1）驱动电机+变速器（单级减速器）+驱动桥。“驱动电机+变速器（单级减速器）+驱动桥”的动力型式属于中央驱动方式的一种。将传统动力系统的发动机替换为驱动电机，后面连接一个自动变速器或者单级减速器，变速器一般为AMT自动变速器，再通过传动轴将动力传递到驱动桥。这种动力型式大多应用在12t级以上的新能源环卫车上。

2）驱动电机（双电机）+驱动桥。“驱动电机（双电机）+驱动桥”的动力型式也属于中央驱动方式的一种。这种电机直驱系统取消了变速器，消除了换挡冲击，提高了驱动平顺性。18t级以上新能源环卫车可能采取双电机直驱系统，8～16t级通常采用单电机直驱系统。

3）平行轴（同轴）电驱动桥。电驱动桥的型式属于中央集中式驱动系统，主要分为平行轴电桥和同轴电桥两种。新能源环卫车上常采用平行轴电桥，这种型式的动力系统集成度高、传递效率高，但是增加了簧下质量，一般只在6t级以下的小吨位车型上应用。

4）轮边（轮毂）电机驱动系统。轮边（轮毂）电机驱动系统属于分布式驱动系统。这种系统在电驱动桥的基础上去掉主减、差速器、半轴，集成度更高，传递效率更高，但是控制难度大，成本也最高，目前在新能源环卫车上的应用较少，主要应用于小型自动驾驶车型上。

4 新能源环卫车电机发展趋势

4.1 新能源环卫车电机的技术创新与发展趋势

1）高速电机。高速电机通常指转速超过10000r/min的驱动电机。电机转速提高后，功率大幅提升，电机系统功率密度提升，高速电机还能减少稀土等材料的使用量，系统效率也能得到提升。高速电机技术的难点在于转子磁桥设计、高速轴承选型等方面。高速电机技术已经很成熟，在电动乘用车领域得到了广泛应用，国内外很多乘用车主机厂都推出了搭载高速电机的车型。目前高速电机在新能源环卫车已经开始尝试搭载，相信在不久后可大量推广应用。

2）扁线电机。扁线电机的定子和转子都采用扁平的线圈，采用铜箔或者矩形导线制作，从而实现了尺寸更小、导电效率更高的优势，使得电机具备更高的转矩密度和功率密度，提高电动汽车的续航里程和性能。针对电机转速提升，扁线绕组需要进行分层和低集肤效应设计。扁线电机技术已经成熟，在电动乘用车领域也得到了广泛应用，如理想、比亚迪等厂家都推出了应用扁线电机的车型。未来单款新能源环卫车型达到一定产量需求时，就可采用扁线电机技术。

3）油冷电机。油冷电机利用油冷系统对电机进行有效冷却，相比于风冷系统或者水冷系统，油冷系统能够更有效地将热量散发出去，提高电机的散热性能和工作效率。按照冷却油与定子的接触形式分为间接油冷和直接油冷两种。油冷电机技术已较为成熟，在高性能电动汽车和电动赛车等领域得到了应用。这些领域对于电机的输出功率和工作温度要求较高，因此需要采用更强大的冷却系统来保证电机的稳定工作。未来新能源环卫车如果对功率密度、扭矩密度有更高的要求，极有可能搭载油冷电机。

4.2 新能源环卫车电机市场前景和挑战

从市场前景上看，新能源环卫车市场将逐步发展壮大，驱动电机市场也将迎来新的机遇。然而，技术创新、成本降低和安全性提升等问题仍然是新能源环卫车驱动电机发展的挑战。2023年前三季度新能源专用汽车驱动电机配套数量前10名见表3[5]。

表3 2023年前三季度新能源专用汽车驱动电机配套排名表

5 结论与展望

未来，新能源环卫车驱动电机技术将继续向高效化、轻量化、集成化和智能化方向发展。驱动电机的功率密度和系统效率将进一步提高，控制系统将更加智能化，能量回收等技术将更加成熟。电机配套厂家应继续加大电机技术的研发投入，提高其系统效率和可靠性，减低成本。同时，还需加强对电机控制系统的研究，提高其精确化、智能化水平。此外，政府和企业应加大对新能源环卫车的政策支持和市场推广力度，促进整个产业链的快速发展。