電機(jī)效率和高速化，是新能源車(chē)用電機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)難以調(diào)和的一對(duì)矛盾。

在基速轉(zhuǎn)速以下，電動(dòng)機(jī)的效率是最高的，一旦過(guò)了基速轉(zhuǎn)速，電機(jī)功率希望處于恒定的最大值，而扭矩隨著轉(zhuǎn)速的提升不斷減小，所以，基速之后電機(jī)的鐵耗會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而加大，能耗由此不斷增加。

2022年12月7-8日，由蓋世汽車(chē)主辦的2022第三屆汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)及關(guān)鍵技術(shù)大會(huì)上，上海大學(xué)教授，偉長(zhǎng)學(xué)者，新能源電驅(qū)動(dòng)中心負(fù)責(zé)人羅建指出，在800A和385Vdc下，特斯拉可以實(shí)現(xiàn)420Nm和200Kw以上的功率輸出，高速下，其16000rpm附近的效率在92-93%，相比國(guó)內(nèi)的車(chē)輛，在高速續(xù)航上有顯著優(yōu)勢(shì)。

特斯拉方案的秘訣之一是，采用0.25mm的薄硅鋼片，越薄的片子渦流損耗就越低，有利于提高效率，羅建強(qiáng)調(diào)：采用6極設(shè)計(jì)，降低鐵耗是提高高速區(qū)間效率的關(guān)鍵。

羅建 | 上海大學(xué)教授，偉長(zhǎng)學(xué)者，新能源電驅(qū)動(dòng)中心負(fù)責(zé)人

以下是演講內(nèi)容整理：

為什么要搞新能源汽車(chē)？這背后主要有兩大驅(qū)動(dòng)力：一個(gè)是碳，一個(gè)是油。

什么是碳？碳中和碳達(dá)峰，中國(guó)的碳排放比全球其他國(guó)家都多，都說(shuō)樹(shù)大招風(fēng)，所以我們必須要去做一些工作。當(dāng)然，雖然我們現(xiàn)在的碳排放量是最多的，但是我們是從90年代發(fā)展起來(lái)之后才大量排碳的，前兩百年里我們并不是主要的碳排放貢獻(xiàn)國(guó)。

但是也有這樣一句話(huà)：要承擔(dān)共同的，而有區(qū)別的責(zé)任。不管怎么說(shuō)，我們國(guó)家已經(jīng)定下了2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。

什么是油？十年前，我們的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始發(fā)展之初，國(guó)家政策之所以大力推動(dòng)，主要考慮石油的戰(zhàn)略安全問(wèn)題。當(dāng)時(shí)，中國(guó)的石油對(duì)外依存度是60%，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到70%。

但我們也要看到，十年之后，新能源汽車(chē)的單月滲透率接近30%，這帶來(lái)了兩方面的機(jī)遇：新能源汽車(chē)市場(chǎng)正高速發(fā)展，機(jī)會(huì)會(huì)越來(lái)越多，反過(guò)來(lái)，由于汽車(chē)的銷(xiāo)售總量增長(zhǎng)不是那么樂(lè)觀(guān)，所以這相當(dāng)于一個(gè)存量博弈的市場(chǎng)：新能源汽車(chē)越賣(mài)越多，燃油車(chē)就必然越賣(mài)越少。

省油還是用電？新能源車(chē)的路線(xiàn)之爭(zhēng)

接下來(lái)，讓我們回答一個(gè)根本問(wèn)題：新能源汽車(chē)到底是省油還是用電？答案的背后是兩種技術(shù)路線(xiàn)，這是業(yè)界爭(zhēng)論了很長(zhǎng)時(shí)間的問(wèn)題。

如果要省油那就選擇混動(dòng)，混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型有以下四種：P0，BSG皮帶傳動(dòng)啟停裝置；P1，ISG電機(jī)處于發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器之間的啟動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)一體化裝置；P2：電機(jī)處于離合器和變速器輸入端之間，P3：電機(jī)處于變速器輸出端或者置于后軸。

想省油，需要1、高效起動(dòng)，2、發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)直驅(qū)，3、高效回饋制動(dòng) 4、合成峰值扭矩/功率。

電動(dòng)車(chē)的最大問(wèn)題在于如何快速補(bǔ)能，現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)有換電的解決方案，換電的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，一方面，換電的效率更高，速度更快，另一方面，現(xiàn)在CTC/CTP技術(shù)發(fā)展，很多電池被集成在車(chē)身底盤(pán)上，一旦電池衰減了，底盤(pán)也會(huì)廢棄掉，而換電就沒(méi)有這個(gè)隱患。

也有人提出了其他可能性，比如太陽(yáng)能汽車(chē)，2010年，世博會(huì)上推出了太陽(yáng)能概念汽車(chē)；2011年，豐田推出帶有光伏電池的汽車(chē)貼膜；2022年，荷蘭Lightyear在前機(jī)蓋和車(chē)頂上布置了4.9平方米的IBC單晶硅超級(jí)太陽(yáng)能電池板。據(jù)悉，其“曬太陽(yáng)”一小時(shí)就可以運(yùn)行10公里。

當(dāng)然，目前太陽(yáng)能汽車(chē)的價(jià)格非常貴，什么時(shí)候這一技術(shù)的成本降低了，就能大規(guī)模走向市場(chǎng)了。

回過(guò)頭來(lái)看，新能源汽車(chē)，尤其用于通勤的情況下，每日的里程需求是30-60公里，用戶(hù)期待的一次充電里程在400-600公里，再此之上，除非有其他的出行需求，否則用戶(hù)的購(gòu)車(chē)預(yù)算就不會(huì)進(jìn)一步增加。

如何在相似的成本和技術(shù)難度上進(jìn)一步增加里程數(shù)？增程式應(yīng)運(yùn)而生，增程器最初的作用在于備不時(shí)之需，可以做的很小，成本極低，同時(shí)幫助用戶(hù)在沒(méi)電的情況下以油充電，解決急需。

再進(jìn)一步，發(fā)動(dòng)機(jī)可以稍微改變工況，不需要頻繁將多余的能量?jī)?chǔ)存在電池里，可以減少充放電能耗，提升燃油經(jīng)濟(jì)性，但是這種變工況的增程發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)就不再是獨(dú)立的，系統(tǒng)存在耦合，復(fù)雜度提升。

在提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的前提下，可以直接讓發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，電機(jī)進(jìn)行配合，可以進(jìn)一步減少損耗，系統(tǒng)也不再是單純的增程式，而變成了PHEV（插電式）。既然此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)介入驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，就可以將單級(jí)減速器改成2檔/3檔變速箱，進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)可以高效介入的工況范圍。

這一點(diǎn)上，增程器或者電動(dòng)車(chē)有個(gè)特定優(yōu)勢(shì)。變速箱的核心技術(shù)是是動(dòng)力中斷和換檔平順性，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)講，動(dòng)力中斷和換檔平順不好解決，因?yàn)閾Q檔速差比較大，如果只有兩檔，換檔時(shí)就會(huì)產(chǎn)生3000轉(zhuǎn)以上的速差。但如果是增程式，由于既有電機(jī)、又有發(fā)動(dòng)機(jī)，可以一個(gè)換檔，另外一個(gè)提供動(dòng)力，沒(méi)有動(dòng)力中斷。

總而言之，增程技術(shù)的發(fā)展方向同電池相關(guān)，電池能量密度越高，充電越方便，越趨向于多裝電池，增程器也只是作為備選，不起到太大的作用；相反，則會(huì)從成本出發(fā)，將發(fā)動(dòng)機(jī)高效介入的工況范圍擴(kuò)大。

但是增程式的底層邏輯不在于省油，而是盡量用電而不用油。

“十二五”的時(shí)候，科技部就定下了新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向是純電驅(qū)動(dòng)。一方面，電機(jī)的高效區(qū)是發(fā)動(dòng)機(jī)望塵莫及的，純電驅(qū)動(dòng)是最高效的驅(qū)動(dòng)形式，從用戶(hù)的角度看，以現(xiàn)在的油、電差價(jià)、只要能用電，用戶(hù)一定會(huì)選擇電。

但是，電池技術(shù)在安全和續(xù)航上不能完全滿(mǎn)足要求，所以我們進(jìn)入了過(guò)渡時(shí)段，在新能源車(chē)動(dòng)力發(fā)展軸線(xiàn)上，最左端是純?nèi)加桶l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)、最右端是純電電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)，從左到右分別會(huì)是微混、弱混、輕混、中混、重混、phev，增程，燃料電池等等，從這條軸線(xiàn)看，增程式更靠近純電電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)。

新能源車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功能與要求

下面講一下新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)，新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)的在功能上有以下六點(diǎn)要求：

第一，寬調(diào)速范圍：這要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低速時(shí)可以輸出大轉(zhuǎn)矩（比如從零到100公里加速），高速巡航時(shí)需要具有恒功率輸出特性；第二，高密度輕量化：電機(jī)的重量必須很輕，體積也不能太大，要保證新能源汽車(chē)的安裝空間和整車(chē)重量限制，給電池讓路；第三，高效率，是為了保障其續(xù)航里程；

第四，能量回饋，能夠在車(chē)輛減速、制動(dòng)的過(guò)程中將部分動(dòng)能回收，從而提高車(chē)輛的續(xù)航里程和能源利用率；第五，高可靠性和安全性，其機(jī)械強(qiáng)度，抗震性，冷卻技術(shù)，電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都需要符合車(chē)輛安全性能的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)；第六，低成本，以我個(gè)人的經(jīng)歷，十年前驅(qū)動(dòng)電機(jī)+控制器要數(shù)萬(wàn)，現(xiàn)在只需要6000。

具體看新能源車(chē)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)要求：1、電動(dòng)機(jī)基速以下輸出大轉(zhuǎn)矩，需要有4~5倍的過(guò)載，以適應(yīng)車(chē)輛的啟動(dòng)、加速、負(fù)荷爬坡、頻繁起停等復(fù)雜工況。2、基速以上恒功率運(yùn)行以適應(yīng)最高車(chē)速。

這會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，電機(jī)一旦速度提升，功率可以維持不變，但轉(zhuǎn)矩在下降，那高速超車(chē)就無(wú)力了。怎么解決這個(gè)問(wèn)題？可以增加電壓，從320V增加到800V，其轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速就能提高，這樣可以增大高速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩。

接下來(lái)引入特斯拉的案例，在800A和385Vdc下，特斯拉可以實(shí)現(xiàn)420Nm和200Kw以上的功率輸出，高速下，其16000rpm附近的效率在92-93%，相比國(guó)內(nèi)的車(chē)輛，在高速續(xù)航上有顯著優(yōu)勢(shì)。

要達(dá)到這種效果，需要兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)手段：第一，引入碳化硅這類(lèi)大電流功率器件的支持，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)高功率高轉(zhuǎn)矩輸出的最主要策略在于提高最大電流。第二，采用0.25mm的薄硅鋼片，越薄的片子渦流損耗就越低，有利于提高效率，此外，采用6極設(shè)計(jì)，降低鐵耗是提高高速區(qū)間效率的關(guān)鍵。

電機(jī)所面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)策略

下圖是電機(jī)的主要分類(lèi)，最大類(lèi)是直流和交流的區(qū)分，直流主要曾用在大型車(chē)上，交流電機(jī)主要分為同步和異步電機(jī)，其中同步又分為永磁電機(jī)、磁阻電機(jī)和繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子電機(jī)。

圖片來(lái)源：上海大學(xué)教授，偉長(zhǎng)學(xué)者，新能源電驅(qū)動(dòng)中心負(fù)責(zé)人羅建演講材料

目前行業(yè)主要用到的是異步電機(jī)、磁阻電機(jī)、永磁電機(jī)，這幾種電機(jī)的定子的基本結(jié)構(gòu)是一樣的，都是繞組線(xiàn)圈。針對(duì)定子的發(fā)展趨勢(shì)，業(yè)界已經(jīng)有了共識(shí)，那就是“走扁線(xiàn)”。這是由于扁線(xiàn)電機(jī)的槽滿(mǎn)率高，端部規(guī)整免綁扎，散熱性好，且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。

目前，扁線(xiàn)電機(jī)的技術(shù)要求是將“端部做短”，下圖從左至右，分別是扁線(xiàn)電機(jī)端部越做越短的情況。

圖片來(lái)源：上海大學(xué)教授，偉長(zhǎng)學(xué)者，新能源電驅(qū)動(dòng)中心負(fù)責(zé)人羅建演講材料

我們目前的研究集中在扁線(xiàn)電機(jī)的平臺(tái)化上，如何讓扁線(xiàn)電機(jī)可以基于同一平臺(tái)進(jìn)行不同的功率變換，但同時(shí)保證定子的繞組簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化加工程序，這塊也是近幾年對(duì)定子研究的側(cè)重點(diǎn)。

在轉(zhuǎn)子側(cè)，以永磁電機(jī)為例，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子分為表面式永磁轉(zhuǎn)子和內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子，前者多用于直流無(wú)刷，方波電流；后者有弧形內(nèi)置、“一”字內(nèi)置、“V”字內(nèi)置。轉(zhuǎn)子對(duì)電磁性能的提升有關(guān)鍵性的作用。

還是以特斯拉為例，Tesla Model3的轉(zhuǎn)子采用單V結(jié)構(gòu)，采用兩對(duì)輔助槽，其中大輔助槽放置在V字磁鋼槽-表面磁橋處，小輔助槽放置在靠近極中心的地方，同時(shí)采用了錯(cuò)開(kāi)斜極的方式改善磁通波形，調(diào)配永磁成分。

表貼的轉(zhuǎn)子，交直軸磁路基本對(duì)稱(chēng)，無(wú)凸極效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩；交直軸磁路的等效氣隙很大，電樞反應(yīng)較小，特性接近直流電機(jī)。

內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的架構(gòu)上，轉(zhuǎn)子交直軸磁路不對(duì)稱(chēng)，電磁轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩共同產(chǎn)生；磁阻轉(zhuǎn)矩提高了電機(jī)的功率密度和過(guò)載能力，且易于弱磁擴(kuò)速，擴(kuò)大了電機(jī)的恒功率運(yùn)行范圍；交軸磁路的等效氣隙小，電樞反應(yīng)強(qiáng)烈。內(nèi)置式轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大于表貼轉(zhuǎn)子。

對(duì)于永磁電機(jī)，其問(wèn)題在于永磁不可調(diào)，高速時(shí)反電勢(shì)高，對(duì)此必須用弱磁進(jìn)行限制。而弱磁控制要損耗電流，會(huì)使效率下降，表貼轉(zhuǎn)子Id=0，低速銅耗低，效率最高，而高速弱磁困難。內(nèi)置轉(zhuǎn)子凸極強(qiáng)，高速弱磁較容易。

此時(shí)，純磁阻電機(jī)因?yàn)闆](méi)有永磁，電感就大，功率因數(shù)低，但好處是成本低，沒(méi)有永磁材料。

進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)方向是怎樣的？主要是高速化，提高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。高速化之后，鐵損耗是主要問(wèn)題，2萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，表貼式是主要解決方案。

另一種方案是不走高速，直接提高轉(zhuǎn)矩密度，這也是學(xué)校機(jī)構(gòu)的研究方向，包括橫向磁場(chǎng)電機(jī)，軸向磁場(chǎng)電機(jī)，外轉(zhuǎn)子電機(jī)，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，雙定子電機(jī)……其中一款軸向磁場(chǎng)電機(jī)有槽無(wú)定子軛，后來(lái)發(fā)展為YASA電機(jī)，進(jìn)一步的無(wú)槽無(wú)鐵芯電機(jī)，沒(méi)有鐵耗，因此高速下的效率就能得到保證。

最后是關(guān)于永磁不可調(diào)和的問(wèn)題，這也是研究的主要方向。永磁在高速情況下會(huì)出現(xiàn)反電勢(shì)過(guò)高的問(wèn)題，如果通過(guò)弱磁來(lái)削弱，那就會(huì)有電流損耗，功率因數(shù)就低，那能不能實(shí)現(xiàn)可調(diào)？

一種解決方案是，轉(zhuǎn)子上如果有線(xiàn)圈，線(xiàn)圈可以調(diào)電流，像發(fā)電機(jī)一樣，但有線(xiàn)圈就會(huì)增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。但把調(diào)磁線(xiàn)圈放到定子上，使該線(xiàn)圈不再占用功率，也是永磁電機(jī)所面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)發(fā)展方向。

（以上內(nèi)容來(lái)自上海大學(xué)教授，偉長(zhǎng)學(xué)者，新能源電驅(qū)動(dòng)中心負(fù)責(zé)人羅建于2022年12月7-8日由蓋世汽車(chē)主辦的2022第三屆汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)及關(guān)鍵技術(shù)大會(huì)上發(fā)表的《新能源車(chē)用電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)》主

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