五年内EV电机的技术制高点在哪里？

EV电机的技术发展必然围绕车辆需求展开的,有什么样的车辆需求,就有什么样的电机。从车辆角度,有五个核心需求:

1、高功率密度: 高功率密度的电机电控即能实现轻量化,又能节省珍贵的安装空间;

2、低成本化:成本的竞争必然是各大车企的焦灼点,达到同样的性能,能够节省多少成本,就相当于带来了多少利润;

3、高集成性:最好电机电控减速集成为一个产品,如此不仅能加强技术整合度,更能减少多头推诿扯皮的现象;

4、良好的NVH特性:低噪音、低振动、高平顺度的产品更能获得消费者的喜爱。

5、更高的效率:更高的效率不但能带来更高的续航里程,还能减少蓄电池用量和寿命,从而降低成本。

如何实现高功率密度,其实有两条途径,一条是走高速化,另外一条是走高转矩密度。前者的代表是prius的永磁同步电机,后者的代表是盘式电机。

以prius为例2015年推出的第四代永磁同步电机,转速较第三代提高了3500rpm,相应的功率密度提高了10%。

永磁同步电机以高性能优势而占得主导性优势,但却一直存在高成本的缺点。如何克服缺点,目前正在发展的是无稀土和轻稀土两条技术路线。

轻稀土技术有很多种,一种是少用永磁体,多用磁阻转矩的路线。还有一种是采用低成本稀土材料。比如无Dy铷铁硼技术,虽然无Dy的磁材,要么剩磁低,要么矫顽力低。但通过采用SPOKE等磁极结构设计,可以达到性能相当,成本明显下降的效果。

比轻稀土更进一步的是无稀土技术,比较典型的是铁氧体助磁的同步磁阻电机和开关磁阻电机两条技术路线。前者是目前各方比较看好的技术路线,已有产品在上车试验。下图是日本一所大学开发的电机产品,月牙形的磁极中塞的是铁氧体材料。通过优化设计,可以获得很高的磁阻转矩,同时转矩脉动控制在7%以内。这类产品的成本会比永磁同步下降20~30%。

这里说的高集成化是电机、电控、减速器三位一体高度集成产品。通过集成可以提高系统功率密度,系统整合度,降低NVH等系统性故障的可能性,许多国内外企业都在投入研发 。

值得一提是英国Equipmake公司的产品,通过高度集成,将持续功率75kw的电机做到电机重量14kg,驱动总成24.5kg以内。一旦产品化成功,将获得无与伦比的竞争优势。

在新能源汽车领域,电机高效已经是默认选项。单从额定的指标来讲,无论是电机和电控效率已经非常高了,可以优化的空间是有限性的。因此需要转换思路,需要从指标高效思维切换成运行高效。所谓运行高效,就是指在车辆实际运行工况中综合下来的平均效率高。这就关系到低速、高速、轻载、高载等综合效率。

在实际车辆行驶工况中,有高速有低速,有重载有轻载,无论怎么优化,很难做到全工作面高效的。双电机驱动形式,就是配置了两台性能差异化的电机,一台偏向高速轻载高效,一台偏向低速重载高效。通过单电机运行和双电机运行的组合搭配,可以实现等效电机的高效区域大幅度拓宽。Prius2017版的双电机驱动系统就是该思路的代表。

NVH问题一直是新能源电机开发的挑战。 追求高效率,高功率密度和优秀的振动噪音特性在很多时候是相互制衡的,其中电机的转矩脉动是关键。因此电机技术专家们开发出了很多细分技术来应对,总的来说有这么几大类:

第一类是精细化修形技术, 在定子齿表面或者转子表面开辅助槽、挖孔等。

第二类是多层磁极设计,在转子上设置双层或者三层的磁钢,通过优化气隙磁密波形,获得更低的转矩脉动;

第三类是精细化斜极或斜槽,通过人字斜极、正弦斜极、zig-zag斜极获得即能抑制转矩脉动,又要防止定子发生扭转共振的技术优势。