新能源汽车驱动用永磁同步电机的性能要求

Ø 新能源汽车迎来快速增长期，带动电机需求快速提升。2021年全球新能源汽车总销量675万辆，同比增长108%，其中我国总销量为352.1万辆，同比增长157.5%，为全球最大市场。作为三电之一的驱动电机，同样进入高速增长期。经过测算，到2025年，我国驱动电机市场空间将达到361.38亿元，五年CAGR为54.6%。

Ø 电机技术不断革新，带来行业发展机遇。国内外电动汽车电机主要朝以下几个方面发展：高功率密度、电机冷却方式发展多样化、低成本化、高集成化、良好的振动噪声特性和高效率。这些新的电机技术在实现单电机功率提升的同时也会提升单电机价值量。

Ø 驱动电机有望迎来量价齐升。为实现功率提升，电机扁线化已经是大势所趋，2021年国内销量排名前20的车型中，有一半车型已经开始装配或选装扁线电机。同时，双电机车型渗透率也在进一步提升，预计到2025年双电机渗透率将达到25%。随着扁线电机渗透率的提升和双电机车型比例的提升，2022年驱动电机行业将迎来量价齐升。

Ø 驱动电机规模效应逐步释放。驱动电机行业属于资本密集型产业，生产依赖于自动化线，固定投资大，每10万套产能对应投资约6900万元；且每款电机的开发费用不低，开发费约占总成本比重10%。未来随着规模效应的显现，盈利将会大幅改善。

驱动电机作为电动汽车驱动系统中的核心零部件，其性能直接决定了整车的动力性能，故根据《新能源汽车驱动用永磁同步电机的设计》，相比于传统的工业电机，

驱动电机对性能的要求有以下特点：

1）高功率密度，高比功率：驱动电机需要作为动力能源要驱动整车进行运动，且相应速度要足够快，故要求驱动电机具备高的功率密度。

2）高效率：为提高电动汽车的续航行驶里程，需要降低电机各部分损耗值，并能够在汽车减速制动时进行能量回收提高能源利用率。

3）高过载能力：电机的启动转矩要足够大，以满足电动汽车的加速能力和爬坡能力。

4）宽调速范围：为了满足频繁起动和停车、低速爬坡、高速行驶以及非常宽的运行速度范围等特点，驱动电机输出特性需要在电机低速与高速运行范围内都能达到精准的控制要求，而且不失去其他动力性指标要求。

5）高可靠性：新能源汽车的动力电池组集电机绕组中的电压很容易到达 300V以上范围，故要求驱动电机的电气系统的安全防护等级较高，以保证安全。

6）高动态相应性能：以满足汽车频繁起停等复杂工况的要求及多台电机协调运行的要求。

7）小体积，轻重量：受到整车空间的限制，以及必须考虑与传动系之间的连接与安装等问题，要求牵引电机具有体积小、重量轻等特点。

应用于新能源汽车驱动电机有以下几种类型，不同电机类型有不同的优劣势：

1）直流电机：早期新能源汽车驱动用电机大多是直流电机，因为其转矩速度特性能够较好满足新能源汽车的性能要求，且控制简单。但由于其结构的缺陷，导致其对使用环境要求高、寿命短、保养困难。随着电子器件和微控制器的技术进步，目前交流电机已基本取代直流电机。

2）交流异步电机（也称交流感应电机）：其结构简单、可靠性高、控制技术相对成熟；但异步电机转子容易发热，在高速运行时需要较大的冷却功率，对控制器技术要求较高；且低速性能不好，需要减速机构。由于美国本土缺少生产永磁同步电机的稀土资源，从其国家战略考虑，美国生产的纯电动汽车或混合动力汽车大多采用了交流感应电机作为其驱动电机。

3）永磁同步电机：与传统电励磁同步电机不同，其转子采用永磁体，该结构省去了传统同步电机中的电刷、集电环以及励磁绕组，从而无以上转子部件所引起的铜耗，具有高效、高功率密度、高可靠性、体积小等优点。

4）开关磁阻电机是一种比较新型的电机，比之其他类型电机，在结构上没有永磁体、电刷和滑环等零部件，其具有结构简单、制造成本低、适于高速运行等优点。但是，其扭矩性能低，转矩脉动和噪声水平较其他类型电机都大，因此开关磁阻电机电驱动系统在新能源汽车中的开发与应用受到一定限制。不同电机类型有不同的优劣势。从行业配套角度看，新能源汽车主要使用的是交流感应电机和永磁同步电机。但高效、低损耗使得永磁同步电机相比异步电机更加节能。从装机量角度看，永磁同步电机由于其优异的综合性能，一直占据最高比例，到2019 年，我国新能源汽车中永磁同步电机的比例已超过 90%。近年来，持续选择交流异步电机技术路径的特斯拉，在其新推出的 Model 3 车型中，也开始采用永磁同

步电机方案。

提升功率密度为主要发展趋势

相比于过去几年，我国的驱动电机技术已经取得了较大进步，已经具备自主研发各类新能源汽车所需驱动电机产品的技术能力，主要性能指标也已经达到国际先进水平，但在峰值转速、功率密度及效率方面与国外仍存在一定的差距。

国内外电动汽车电机主要朝以下几个方面发展：高功率密度、电机冷却方式发展多样化、低成本化、高集成化、良好的振动噪声特性和高效率。

2.3.1 扁线绕组——高功率密度解决方案

根据国家制造强国建设战略咨询委员会正式发布的《中国制造 2025 技术路线》，到 2025 年，新能源乘用车驱动电机的 20s 有效比功率要达到 4.5KW/kg，2030 年要达到 5KW/kg。

为了实现更高的转矩密度，新能源车用电机绕组由传统的圆形散线绕组逐渐向扁铜线绕组发展。高速化是电动汽车电机发展的趋势，扁线绕组逐步成为各大电动汽车厂商的首选。国外采用扁线绕组作为新能源车电机绕组已成为主流，如丰田普锐斯、美国雷米、德国大陆、韩国 LGE、宝马 i5 等。国内厂商也在研发扁线电机技术，有个别厂商已经具备量产扁线电机的技术并在建立生产线。国内销量排名前 20 的车型中，有一半已经开始装配或部分装配扁线电机。

从行业标杆丰田 Prius 的历代技术可以看出，高速化和扁线绕组技术是未来驱动电机的技术发展趋势。最新的 Prius2017 使用的就是扁线绕组，最高转速达到了17000r/min，对应的电频率达到了 1133Hz。

扁线电机的核心优势在于可以通过提升满槽率提升能量密度，传统的绕组为多根细圆线，扁线绕组变成几根粗的矩形导线。扁线电机通过槽满率的提升，可提升填铜量，扁线电机有效铜的面积可以提高 20%以上，从而提高 20-30%的功率，传统电机有效铜槽满率只有 45%左右，扁线电机能做到 70%左右。工艺的改变在结构上使得电机的绕组端部尺寸减少了 20%左右，空间进一步的降低了，从而使整个系统的体积变小，实现了小型化和轻量化。一方面提升了电机的功率密度，使得电机的效率提高，也使得电机的高效区的范围变广，另一方面扁线与扁线之间的接触面积变大，绕组和定子槽之间也有更好的接触，使得散热和热传导更好，散热性变好，性能也得到了提升。

2.3.2 电机冷却方式发展多样化

电机冷却方式发展多样化。当前永磁同步电机有多种冷却方式：包括全封闭式不通风冷却、自然对流冷却、全封闭式风机冷却、螺旋槽和轴向覆盖通道之字形布置等液体冷却方式、端部绕组冷却等。

水冷为目前主流方案。目前新能源汽车驱动电机多用机壳水冷方案。但纯水有低温结冰的问题，故水冷方案的冷却液一般采用水和乙二醇 1 比 1 混合，可以使冰点降低至约零下 40 摄氏度。部分产品为了更好的散热，在机壳水冷的基础上又增加了轴向风扇进行强制风冷。德国 Audi 公司与法国 Valeo 公司合作研发了一种定子水冷混合动力汽车驱动电机系统，应用在 Audi SQ7 TDI 车型上。广汽传祺 GE3 车型的驱动电机冷却系统采用机壳圆周水冷技术，其电池、电机、电控分别来自宁德时代、精进电动、法雷奥。

油冷是未来驱动电机冷却技术的趋势。由于电动汽车牵引电机的功率密度越来越大，导致电机产生大量的热量，给电机散热带来了新的挑战。水冷技术虽然现阶段还能满足要求，但其存在难以克服的技术缺陷：冷却液存在壳体水道中，不与电机直接接触，电机内部产生的热量是通过层层材料传递到壳体水道中的冷却液中被带走，它属于间接冷却。因电机无法直接接触冷却液，容易导致热量堆积，形成局部热点；而为了布置冷却水道，相应的电机壳体体积也更大一些。而油因为其本身不导电不导磁的特性，对电机磁路无影响，可作为电机直接冷却介质，电机在运行过程中，电机产生的热量可以通过油传递到机座达到冷却的效果。油冷电机属于直接冷却，大幅降低了电机壳体的体积，电机可以设计得更加紧凑。但是油本身存在粘性，搅动过程中会产生内摩擦发热，这是要克服的技术问题。目前采用油冷的电机生产商主要有精进电动、特斯拉等。

2.3.3 高集成化

集成化意味着更小的体积、更低的成本。集成化是未来是发展趋势，许多零件或者功能件集成在一起可以节省空间，而且部分零部件可以实现公用。

审核编辑：郭婷