前言
电动汽车在全球范围内蓬勃发展，无论是商业活动还是技术创新都以极快的速度向前推进。受益于政府的开放和推进的政策，中国已成为该领域最活跃、最大的市场。 站在现在时空，很庆幸我们都能清醒的认识到我们是EV大国但不是强国，但我们正以开放的姿态迎接全球技术和商业竞争的洗礼。相信终有一日我们将即大又强，成为顶级玩家，演绎出中国高铁、 工程建造类似的故事。而这一切需要首先立足于对自己短板的精准认识，并虚心学习研究国际先进技术，最后以创新实践培育自己的核心竞争力。
抱持着这种心态，笔者正尝试系统性的调研国内外先进电机驱动技术发展路线，总结先行者们的实践探索成果，并将学习的成果分享给大家。
驱动电机的目标和差距
美国能源部在2017年发布了电动汽车发展2025路线图规划。对电动汽车及其三电系统的发展目标给出了指导性意见。这份路线图是一个叫 U.S.Drive的组织撰写的。这是个即具有政府背景又联合了企业力量的联盟组织，成员既有有福特、 通用 、UQM等生产企业,也有Electric Power Research Institute、橡树岭实验室等研究机构。可以说他们代表了美国在该领域的顶级技术力量。他们曾在2013年发布过2020年路线图，在全世界范围内形成了标杆影响力，现在五年过去了， 新的路线图对电机电控技术发展都作了哪些规划呢？
2025年路线图是2020年的基础上的进一步延伸，主要是从效率、功率密度、成本方面作出指标要求。其对电机电流的具体要求如下：
对照在这份发展路线图中，会发现对电机电控的效率、转矩、成本的要求都在不断提高。那么各家的产品能否达标吗？
下图是丰田prius 2010等三个产品详细技术指标，我们会发相对2020年的目标， 效率和密度都已达标，但离2025年的指标还有一些差距。
时间再近一点，以2016年BMWi3、2014年Honda Accord等产品，在功率密度方面都有所突破，部分指标已经已超过2020年标准，说明技术呈现加速化发展趋势。
在这些指标中，效率指标看似相对比较宽松，峰值效率达标是较容易的事情，但针对效率这块DOE还有进一步的规定，要求电机在10~100%转速范围内，20%的负载下效率大于94%，这是很高的要求。下图是按DOE2020的标准设定的不同转速转矩范围内的效率要求。
这个指标要求是较高的，目前博格华纳H250-90产品能够做到2500~10000rpm范围内，效率大于93%，这已经是非常高的水平，是采用了扁线（发卡绕组）技术才实现。因此如何追求宽转速范围内的高效，是各大公司共同面临的问题。
美国橡树岭实验室一直是先进电机技术的推进者，为了达到更高的效率并达到＄4.7/ kw的目标，开发了基于铁氧体的永磁同步电机方案，已经取得成功，其效率和功率密度都超过prius2010的水平。
当然离2025的目标还有差距，但后续的电机方案已经在优化中。在下一代的产品中，功率密度会提高50%达到16.2kw/L，4.5kw/kg，转矩密度达到32Nm/L，8.9Nm/kg。
不但如此该电机的峰值效率超过97%， 在高转速范围内实现高效的能力，在最高转速14000rpm区效率也能维持在95%以上，具备极强的续航能力。
在美国除了橡树岭，还有UQM、通用公司等企业也在积极研发效率更高、体积更小、成本更低的新型电机。有的从基础材料研究出发，有的从设计方法上着手，还有从新原理电机角度用力。相对而言，国内公司的创新氛围较淡薄，达到2020年或者2025年目标，确实是稍欠底蕴。因此需要冷静的认识到，无论在标准还是实际产品领域我们都是全方面落后的。如何实现接近并超越国际先进水平，需要我们在技术创新方面有更多的研究和实践，并充分参考别人的探索经验。 下面介绍一些关于提高效率技术路线。
高效化技术路线介绍
由于续航里程的强要求， 电机高效已经是默认选项。单从额定的指标来讲，现在无论是电机和电控效率已经非常高了，最高效率点都能达到94%~97%的水平，基本达到国外先进水平。但需要认识到，额定高效只能反应部分性能。在峰值功率和高速工况下，电机的效率仍然有很高提升空间。
以永磁同步驱动系统为例，在常用的高速工况，电机处于弱磁区间，弱磁技术有利有弊，在提升电机转速范围的同时，也带来了比较严重高速损耗问题。具体而言，这里面有两个损耗，一个是弱磁电流带来的额外的铜耗，另外一个是弱磁后因磁场畸变导致的转子损耗。
认识和解决这类问题，首先需要从追求额定高效的点要求切换成追求运行高效的综合要求。所谓运行高效，就是指在车辆实际运行路况下，表现出来的综合效率高。这即关系到电机设计、驱动桥的设计，又关系到电机和这些系统的匹配。针对此衍生出了很多技术路线。
如何实现高效，可以从许多方面着手，本文介绍高牌号硅钢、发卡电机、磁通可变电机、串并联切换电机五条技术路线。
路线一· 采用EV专用高效硅钢
为了改善NVH性能，电动汽车驱动电机一般选择极数多，转速高的设计方案，因此电机的电运行频率较高，以8极48槽电机为例，在12000rpm时，其运行频率达800HZ。普通硅钢片虽然在工频下的损耗控制较严格，但在高频区间的损耗控制相对较弱，因此如何选用合适的硅钢片是一件重要的事情 。
为什么频率高铁耗就大呢？ 铁耗中的磁滞损耗大约和频率的平方成正比，这是因为在高频时，磁滞回路曲线更胖，构成的磁滞环路面积更大，面积越大损耗的能量就越大。而降低损耗的有效办法是降低硅钢片的厚度，上图右侧部分，可以明显看出，在1000Hz时，0.2mm厚的硅钢片的标称损耗只有0.5mm候硅钢片的一半不到。
目前EV电机常用的高效硅钢片是35DW210 ~35DW300等规格的材料。国内市场上更薄的硅钢片较少。但在国外，日本新日铁提供的0.2mm的硅钢片已经开始在新能源电机产品上批量应用。以20HX1300硅钢为例，其W10/50值（一种表征硅钢片铁损大小的标称指标）比常用的35DW210,低50%左右。即便在800HZ下，其单位铁损在31.5w/kg，远低于35DW210水平，降幅达到32%。
无独有偶，在德国ThyssenKrupp 硅钢企业，针对电动汽车应用展开了测试研究。为了降低高频损耗，他们在330-30AP型号的基础上，开发出来280-30APVar1型号，1000HZ下标称损耗降低了13%，为了提高高速下的结构强度，又开发出来了280-30APVar2 型，抗拉强度从450提升到550Mpa。在对一款典型的8极48槽电驱动电机验证中，实测发现，新开发的0.30厚EV专用硅钢，在800HZ工况下，铁耗降低38%。
韩国浦项公司的验证也得到了类似的结论，在一款15kw@7500rpm的16极24槽的驱动电机的测试中，发现用EV专用0.27PNSF1500的硅钢替代传统的0.35mm厚硅钢后，电机的效率有明显提升，其中最高效率提升了0.3%，高速工况效率提升了3个百分点，从83.42%提升到85.34%，损耗降低42%。值的一提的是这种EV专用硅钢片的应力强度远高于普通硅钢片，因此在磁极结构设计中可以采用更薄的磁桥厚度，既可以降低永磁体的用量，又能间接的提高效率。
国内业内人士也展开了实际应用，30kw的电机，在800HZ激励下， 0.2mm的硅钢片实际铁损较0.35mm的铁损降低20%，单铁芯成本增加22%。 如果采用非晶材料，铁耗能够进一步降低，降幅达到40%，但铁芯的成本增加了8倍。从性价比而言，选择0.2mm的硅钢片更加合适。
从另外一方面而言，不能仅从高速角度出发，因为车用驱动电机有低速和高速两种工况要求，选用高性能硅钢时，不能单考虑铁耗，还需要考虑导磁能力（低速大载时，磁场饱和度高 ），高磁感能够降低大转矩时电流的需求量，降低铜耗。高导磁和低铁耗这两种能这在一定程度上是矛盾的，需要硅钢企业作专项的研发两者都能兼顾的材料。 这类更薄、低铁耗牌耗、高磁感的硅钢材料一般都是车用驱动专用材料。
【小结】采用性能更好的硅钢材料是EV电机发展的必然途径，低铁耗高导磁的材料，不但能提高电机的效率还能减小电机体积。除此之外高导热能高强度的性能也是需要开发的方向。好的电机需要更好的材料，以及对这些材料基本物理性能深入的了解。这需要电机企业和硅钢片企业携手合作， 这方面宝钢等企业已经起步。
发卡电机
采用高效硅钢片能够降低铁损，从而电机的效率。但单一手段不够用，还需针对电机的铜耗作出优化，特别是在低速大转矩时铜耗占大头，因此必须要降低铜损。方法有很多，其中一种技术路线是是采用发卡绕组设计。
发卡电机学名Hairpin电机，其实是扁线电机的一种，其绕组端部和发卡很像，因此得名。丰田和电装之所以采用这种电机方案原因之一就是其铜耗较小，效率较高。这可以从两个角度去理解：
第一: 绕组端部很短。可以降低电机端部空间用铜量，其绕组端部用铜量能够较传统散嵌绕组降低15%-20%，因此能够降低铜耗。特别是在电机呈现扁平形状时，优势更加明显。
第二: 槽满率高，发卡电机由于线圈排列整齐，线条平整，槽满率远高于散嵌绕组，其净铜槽满率可达70%，超过普通绕组25个百分点。更多的用铜量，单位叠长下，电阻变小，这会会带来更小的电阻损耗。
博格华纳（ 原雷米电机）将普通散嵌绕组电机改造成发卡电机改造后，发现具备明显的性能优势：
增加了27%的转矩
增加了37%的功率
减少了22%的安装空间
减小了13%的重量
2,500~ 10,000 rpm范围内效率超过93%
可见发卡电机技术给博格华纳产品带来了很强的竞争力。
在国内我们也有类似的尝试，常州昊郁普动力科技在维持转子和定子叠高的不变下，将普通散嵌绕组电机，改造成发卡电机，实践证明具备很好的提效效果，NEDC综合工况效率提升2个百分点。
发卡电机在国内发展看好，特别适合乘用车应用，上海华域已经实现批量生产，还有许多家正在抓紧试制。
【小结】发卡电机能带来效率和功率密度的双提高，符合EV电机技术发展趋势，是时下的热门。但发卡电机也有一定的缺点，其中之一是设备投资较贵，工艺较复杂。
更全更多的先进电机技术，请移步我在荔枝上开设的专栏《蜗牛讲国外先进电机技术》。目前已经更新大半了。
联系客服
