电动汽车驱动电机功率密度

⑴ 满足NVH和效率及功率密度要求的电动车桥

考虑到当前汽车动力总成系统的电气化进程，对车桥提出了全新的技术要求。在进一步开发电动车桥时，法雷奥-西门子电动车公司推出了可对变流器、发动机和变速器等子系统实现机械、电气和功能集成的电动车桥，并能满足噪声-振动-平顺性（NVH）、效率以及功率密度等方面的要求。
1?产品要求及其生产业务的调整
根据研究人员的预测，在近10年间，约有25%以上的新车型将装备电驱动装置，其中一半是纯电动汽车或燃料电池汽车。
汽车制造商为了使其品牌车型具有较高的市场份额，必须开发满足所有功率等级需求的电驱动方案，因此其应用车型范围包括最小的纯电动汽车、销售量不断增长的混合动力汽车以及高级跑车。对于像法雷奥-西门子电动车公司等具有较高技术水平的整车驱动装置供应商而言，则必须要采用可缩放的高级开发平台以及具有合理结构空间的模块化解决方案，以便能使其适用于采用不同布局方式的汽车底盘和电路系统。
在进行由变流器、发动机和变速器等子系统组成的电动车桥（图1）的产品开发过程时，研究人员必须有针对性地利用基于动力总成系统电气化进程而提出的新要求和自由度。由于车辆结构新颖，须充分利用结构空间，只有通过3个子系统的高度系统集成才能达到该目标，其在机械、电气和功能接口等方面可提供显著的优化潜力 。
对于装备电驱动装置的车辆而言，使续航里程最大化是其开发的重点，因此产品性能除了具有较高的功率密度以及对电动车桥系统效率提出的较高要求之外，例如减轻动力总成系统质量以降低行驶阻力也有着重要意义。这些性能必须在满足对电磁兼容性（EMV）、功能安全性和噪声-振动-平顺性（NVH）等要求的同时予以同步优化，但由此往往会产生技术争议，从而要求对子系统及其接口进行全面的考虑，这些对开发电驱动系统提出的最重要的要求可分成6个基本标准，如图2所示。

2 电动车桥的系统设计
在低功率等级中，研究人员通常选择三相结构，以便使最大功率达到75～170 kW。无论是变流器功率模块中的半导体数量以及由此带来的电流承载能力对于可缩放性都是至关重要的。同时，研究人员应对冷却系统结构进行优化，使其在最小的流通阻力下可实现最大的散热量。
电机能通过其有效长度和定子中绕组的数量实现可缩放性，以便能按照所需的扭矩以确定电机的尺寸。
此外，最新一代的电机是按高转速方案而设计的，其转速可高达18 000 r/min。为了能将电机参数与车轮转速和所需的扭矩相匹配，法雷奥-西门子电动汽车公司为最新的变速器选用了9～11的固定传动比，并在成本和效率等方面有着显著优势。为了能通过提高生产数量以降低成本，平台所采用的策略目标是在宽广的功率范围中将壳体件、轴承、转轴和冷却通道结构等机械零部件以及板材截面均作为通用件而实现统一利用。尽管只有功率模块和绕组等部件可实现尺寸的缩放，但是同时研究人员也应避免个别零部件尺寸过大。因此，研究人员在设计过程中需要注意，那些在高功率范围也有着较高机械强度要求的构件（例如齿轮传动级）在使用时应统一几何尺寸，由此可通过高强度材料或相应的材料处理工艺以实现强化。

3 电动驱动单元
为了在400 V汽车电路情况下实现设备供应商（OEM）所提出的高功率需求，系统设计规定将6相驱动系统布局作为唯一的目标导向方案，从而能实现高达300 kW的最大功率。6相变流器-电机的结构布置示于图3。

2台分别具有2个独立三相绕组系统的电机由功率半导体器件进行控制，并布设于同一个壳体单元的同一根轴上。正如图3所示，功率半导体器件可使用具有整体式门电路电极的硅双极晶体管（IGBT），或使用通过门电路控制的硅碳化物场效应晶体管。另外，2个绕组系统彼此均按照规定的角度实现安装。通过对绕组系统的置换控制，除了减小电机的电流波动和取消功率模块的并联布置方式之外，还能有效提升其效率和功率密度。研究人员通过选择合理的结构布置方式，就能调整中间电路电容器的大小，再与相应的调节策略和模块化策略相配合就能使这种变流器的尺寸减小约30%，从而减轻了系统质量和结构空间，并相应降低了成本。
图4示出了电驱动单元的结构分解图，并将在下文中予以介绍。能量流从蓄电池经过高电压插头（1）被导入变流器（2），直流接触轨（3）通过电磁兼容性（EMV）滤波器（4）传输电流，以保证其他电控单元的电磁兼容性。液体冷却的整流盒（7）由功率模块（5）和中间电路电容器（6）组成，并被集成在一个压铸铝壳体（8）中。车辆的低电压接头（9）位于1个汇总电控单元（10）上，并且半导体器件由1个同样的汇总驱动单元（11）控制。通过交流电流进行测量（12）后，接线盒（13）中的电流接触轨与6相电机连接（14）。另外，转子位置传感器（16）的信号经过低电压接头（15）传送，绕组头部（17）中的电机温度传感器控制分开的绕组。尽管采用了这种整体式结构型式，但由此可实现接口功能分开，并且有望在车辆使用周期内更换功率电子器件。

由于研究人员对扭矩密度、灵活性和效率提出了较高的要求，因而选用了永磁式同步电机。这种电机具有转子内冷却系统（18），因此即使在持续运作的情况下，该类同步电机仍能保持较为稳定的热状态，同时在其连续运转时具有良好的效率。
定子（19）的冷却过程是通过在过载电流与径向环流之间设定1个最佳值来实现的，一方面通过该方式将电机调节到最好的热状况，另一方面使动力总成冷却系统中的压降保持在较低的状态，以此减少了对车载水泵的功率需求。
电机与变速器共用1个中央轴承端盖（20），这样显著优化了系统质量和功率密度，该2项数值明显优于同类产品。
研究人员通过采用两级圆柱斜齿轮传动（21）实现了固定的传动比，另外差速器（22）集成在紧凑的变速器壳体中。停车止动器执行机构通过变速器输入轴（23）旁的1个手柄起作用，并且通过变流器来进行控制。
研究人员通过采用水-乙二醇作为冷却液的高效冷却系统（25），并对较低的压力损失进行了优化，由此串联冷却变流器、电机和变速器。
本文所介绍的方案可使30 s内的峰值功率达到300 kW（a），传递至车轮的最大扭矩能达到5 700 N·m（b），持续扭矩为2 600 N·m（c），持续功率为120 kW（d）。在最低中间电路电压为325 V的情况下，电机运行时的转速-扭矩特性曲线包括所选择的拐点都如图5所示。

4 NVH和效率的优化潜力
除了功率密度和效率之外，电驱动装置的噪声特性也是最重要的参数之一，因此驱动装置应具有尽可能好的静音性，这对于产品开发而言就意味着必须降低电机与变速器的激励频率。电机的结构必须在功能和机械方面与变速器的结构进行整体考虑，以便在结构上达到最佳的设计方案，在早期开发阶段就对模拟工具进行合理应用是成功的关键，同时可采用如下措施：增强易产生噪声的零件的刚度、实现变速器的微观啮合，调整电机齿轮螺旋角的匹配方式以及电机转子的电磁设计方案等。法雷奥-西门子电动车公司的NVH开发过程示于图6。
最后，在系统整个运行范围内开关频率的变动和调制方法的变化也是目标导向措施，以便优化整个系统的声学性能。提高开关频率不仅能减小电流的波动，而且也能减小扭矩的波动，从而改善NVH特性，并同时提高电机的效率，但是过大地提高脉宽调制（PWM）频率会导致过大比例的变流器损失和总传动损失，因此在系统层面上，NVH与效率之间存在着1个最佳状况，并且与部分文献中所述的情况不同，这两方面的性能并非必然会使彼此之间存在矛盾。
作者：[德] A.H?FER等
整理：范明强
编辑：伍赛特
本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

⑵ 电动汽车用电动机性能要求有哪些

电动汽车驱动系统是电动汽车最关键的子系统，担负着将电能转变为机械能，并通过传动装置将能量传递到车轮进而驱动车辆按照驾驶员意志行驶的重任。电动汽车电动机是驱动系统的心脏。当电动机空气质量选择恰当时，驱动系统的新能就取决于驱动电动机。
电动汽车用驱动电机通常要求能够频繁启动／停车、加速／减速，低速和爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大。其主要参数包括：电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、可靠性和成本等。另外为电动汽车电动机所配置的电以常规车速确定电机额定转速子控制系统和驱动系统也会影响驱动电动机的性能。
1）高电压。在允许范围内尽量采用高电压，可减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可降低逆变器的尺寸。
2）高转速。高转速电动机体积小、质量轻
，有利于降低电动汽车的整车整备质。
3）质量轻。电动机采用铝合金外壳
，以降低电以额定功率
／转速确定电机额定转矩动机质量、各种控制器装备的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能轻。
4）较大的起动转矩和较大范围的调速性能。这样使电动汽车有良好的启动性能和加速性能。电动机有自动调速功能，因此可以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性
，
并且能达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。
5）效率高、损耗少，并具有制动能量回收功能。电动汽车应具有最优化的能量利用，以在车载总能量不变的情况下最大限度的增加续驶里程，再生制动回收的能量一般可达到总能量的10％～20％，这是在内燃机汽车上不能实现的。
6）必须有高压保护设备。
7）可靠性好、耐温耐潮性能强及运行时噪声低。

⑶ 纯电动汽车电机选用指标有哪些

在目前所用的电动机驱动系统中，直流电机虽然具有良好的控制特性，但由于其自身固有的缺陷，在电动汽车中用的越来越少。采用鼠笼式感应电动机结构简单，运行可靠，大量应用在电动汽车中，但功率密度和效率一般。开关磁阻电机结构更为简单，转矩惯量比也较高，但由于力矩波动及噪声过大，在电动汽车上用得还不普遍。永磁无刷电动机具有最高的效率、转矩惯量比，在电动汽车中得到了较广泛的应用。
因为汽车使用工况比较复杂，所以电动汽车对电机的要求比较高，主要的基本要求有如下几点：
(1)较大范围的调速性能。
(2)高效率，低损耗。
(3)在车辆减速时实现制动能量回收并反馈蓄电池。
(4)电动机的质量、各种控制装置的质量和冷却系统的质量等尽可能小。
(5)对电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家(或国际)有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装置高压保护设备。
(6)可靠性好，耐温和耐湿性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作。

⑷ 电动汽车对电机性能有什么要求

汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等，在低速或爬坡时需要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高的功率密度。
在研发电动汽车电机驱动系统时，测试电机性能在新能源汽车测试项目中，有个叫实际工况模拟实验，这就要求测试系统的系统控制响应性能好，具体的可参考致远电子的电机测试系统。

⑸ 新能源汽车的电池能量密度一般有多少

现在新能源汽车的电池有两种，一种是磷酸铁锂电池。一种是三元锂电池，它的能量密度都不同，一般在100左右。

⑹ 新能源汽车电机

永磁交流电动机需要将位置信号传给电机控制器，以便实现闭环控制。以前用光学编码器，现在用旋转变压器。旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。以上回答希望对你有用。

⑺ 电动汽车有哪几种驱动电机

直流电动机、交流电动机、永磁同步电动机交流异步电动机等等

⑻ 电动汽车一般用什么驱动电机呢

新能源汽车的主流电机有直流电机，异步电机，永磁同步电机三种。永磁同步电动机其具有转速范围广、功率密度高、工艺简单、体积小且运行可靠耐用的特点，成为主流实至名归。异步电机虽然成本低、维修方便，但效率低、调速性差。只是少量车型选用，但也不乏主流车型，从目前来看，该类电机不会成为趋势。永磁同步电动机的结构与直流电动机相似，这样便可具备无刷直流电动机结构简单、运行可靠、功率密度大、调速性能好等特点。与此同时，由于永磁同步电动机采用的驱动方式不同于直流电动机，所以，在噪音以及控制环节上，永磁同步电动机更胜一筹。

⑼ 新能源汽车驱动电机与工业驱动电机有何不同

相似之处：

1.它们都是马达

看似废话，我想说的是，电动车的电机只是一种电机，没什么特别的。分析方法逃不过常见的电磁分析方法，计算工具都是有限元软件，仿真求解器都是基于瞬态求解器，电磁方程逃不过麦克斯韦方程。没什么大不了的，是有特殊负载要求的电机。

2.分类和控制是一样的

电动汽车也分为感应电机和永磁电机，控制理论和方法与工业电机没有区别。

差异：

1.严格的体积和重量要求

因为是车载，所以这个要求比较突出。普通工业电机对尺寸和重量没有这么严格的要求，因为工业场地巨大，一般都是先达到工业目标。不同的电动汽车，其尺寸和重量决定了其动力性能和驾驶体验，直接影响产品质量。所以电动车电机的难点在于提高功率重量密度和功率体积密度。电机越小越轻越厉害越好。

2.独特的扭矩特性

启动或低速时需要超高扭矩，这样汽车的速度才能以最快的方式提高到所需的速度。通用工业电机没有这么高的启动速度要求。同时，需要在高速时提供足够的动力，使汽车能够高速巡航。

3.调速范围宽

最大速度可能是电机基本速度的四倍甚至更高。目前电动车的最佳解决方案是省去多速变速箱，只使用固定齿轮组。这样电机的转速范围越宽越好。以特斯拉的S型为例，电机最高转速可以达到18000转/分，相当可怕。这是对电力电子调速器的一个巨大考验。

4.全面的效率要求

与电力机车不同，电力机车由受电弓供电，电动汽车由电池供电，续航里程完全取决于电机效率。电机效率每增加1%，续航里程可增加1%。因此，电机的效率非常高。再高一点就是胜利，每一点能量都要优化。

5.其他人

至于低噪音、高稳定性、合理散热、性价比等等，我就不提了。这些是基本要求。

技术细节：

1.扭矩-速度效率分布图：

电动汽车电机的效率分布图应如下：

电动车电机和工业电机有什么异同？

整机的设计目前已经基本达到了电机设计的极限，可以称之为手工艺。

⑽ 为什么国家规定十三五新能源汽车的电机峰值功率密度到达4KW/kg

功率密度是指电机单位质量所能提供的功率，要求电机质量变得越来越小，二峰值功率要越来越大，这样可以节省制造和使用成本。