如何提升高速区间的电机效率？新能源车电机的路线发展之争

电机的效率和高转速是一对长久以来难以调和的矛盾。

低于基本速度时，电机的效率最高。一旦过了基本速度，电机功率预计会处于恒定的最大值，而扭矩会随着速度的增加而减小。所以电机的铁耗会随着基速后转速的增加而增加，能耗会不断增加。

2022年12月7-8日，在Gaspar主办的2022第三届汽车电驱动及关键技术大会上，上海大学教授、伟昌学者、新能源电驱动中心负责人罗建指出，特斯拉在800A、385Vdc下可实现超过420Nm、200Kw的功率输出，16000rpm左右的效率在高速下为92-93%。

特斯拉的方案秘诀之一是使用0.25mm的薄硅钢片，片越薄，涡流损耗越低，有利于提高效率。罗建强调，采用6极设计，降低铁损是提高高速范围效率的关键。

罗建|上海大学教授，魏昌学者，新能源电驱动中心主任。

以下是发言摘要:

为什么要搞新能源汽车？这背后主要有两个驱动力:一个是碳，一个是石油。

碳是什么？碳中和二氧化碳排放达到峰值，中国的碳排放量比世界上其他国家都多。据说树会吸引风，所以我们必须做一些工作。当然，虽然我们现在排放的碳最多，但我们只是在90年代发展起来之后才排放了大量的碳，在前两百年并不是碳排放的主要贡献者。

但也有一句话:我们应该承担共同但有区别的责任。反正我们国家定了2030年二氧化碳排放达到峰值，2060年碳中和的目标。

什么是石油？十年前，我们电动车行业发展之初，国家政策大力推动，主要是考虑到石油的战略安全。当时中国石油对外依存度是60%，现在已经达到70%。

但也要看到，十年后，新能源汽车月渗透率接近30%，这带来了两个机遇:新能源汽车市场高速发展，机会会越来越多。另一方面，由于汽车总销量增长并不那么乐观，相当于一个存量博弈市场:新能源车卖得越多，燃油车卖得越少。

省油还是用电？新能源汽车的路线之争

接下来我们来回答一个根本问题:新能源汽车省油还是用电？答案背后是两条技术路线，业内争论已久。

想省油就选混动。混合动力系统有四种配置:P0，BSG皮带传动启停装置；P1，ISG电机是发动机和离合器之间的集成起动机和发电机装置；P2:电动机位于离合器和变速器输入端之间，P3:电动机位于变速器输出端或后轮轴。

如果想省油，需要1)高效启动，2)发动机高效区直接驱动，3)高效反馈制动，4)合成峰值扭矩/功率。

电动汽车最大的问题在于如何快速补充能量。现在业内都有换电的解决方案，换电的优势很明显。一方面换电效率更高，速度更快。另一方面，随着CTC/CTP技术的发展，车身底盘上集成了很多电池。一旦电池衰减，底盘就报废了，不存在这种隐患。

有些人还提出了其他的可能性，比如太阳能汽车。2010年，世博会上推出了一款太阳能概念车。2011年，丰田推出带光伏电池的车膜；2022年，荷兰光年在封面和屋顶布置了4.9平方米的IBC单晶硅超级太阳能电池板。据报道，它可以在一小时内跑10公里。

当然，目前太阳能汽车的价格很贵。当这项技术的成本降低后，就可以大规模走向市场。

回过头来看，新能源汽车，尤其是用于通勤时，要求日行驶里程在30-60公里，用户期望充电里程在400-600公里。在此之上，除非有其他出行需求，否则用户的购车预算不会进一步增加。

如何在成本和技术难度相近的情况下进一步增加里程？推广计划应运而生。推广计划最初的作用是未雨绸缪，可以做的很少，成本也很低。同时帮助用户在没电的时候用油充电，解燃眉之急。

再者，发动机可以轻微改变工况，不需要经常在电池中储存多余的能量，可以减少充放电能耗，提高燃油经济性。但增程发动机和变工况驱动电机不再独立，系统耦合，复杂度提高。

在提高发动机效率的前提下，发动机直接驱动车轮，配合电机，可以进一步降低损耗，系统也不再是简单的程序扩展，而是PHEV(插电式)。现在发动机已经介入驱动车辆，单级减速器可以改成2速/3速变速箱，进一步扩大了发动机可以高效介入的工作范围。

在这一点上，增程器或电动汽车具有特定的优势。变速箱的核心技术是动力中断和换挡平顺。对于电动车来说，动力中断和换挡平顺性很难解决，因为换挡速度差比较大。如果只有两档，换挡时会有3000转以上的转速差。但如果是扩展程序，因为既有电机又有发动机，一个可以换挡，一个可以不间断供电。

总之，增程技术的发展方向与电池有关。电池的能量密度越高，充电越方便，倾向于安装更多的电池。增程器只是一个替代品，起不了多大作用。反而会从成本角度扩大高效发动机干预的工作范围。

但延期计划的根本逻辑不是为了省油，而是尽可能用电，而不是用油。

“十二五”期间，科技部确定新能源汽车驱动系统的发展方向是纯电驱动。一方面，电机的高效区是发动机达不到的，纯电驱动是最高效的驱动形式。站在用户的角度，以现在的油电差价，只要能用上电，用户肯定会选择电。

但是电池技术在安全性和续航能力方面还不能完全满足要求，所以我们进入了过渡期。在新能源汽车的动力发展轴上，最左边是纯燃料发动机驱动的汽车，最右边是纯电动马达驱动的汽车。从左到右依次为轻度混合、弱混合、轻度混合、中度混合、重度混合、phev、增程式、燃料电池等。从这个轴来看，增程更接近纯电动的电机驱动的车辆。

新能源汽车驱动电机的功能和要求

先说新能源驱动电机。新能源驱动电机的功能有以下六点要求:

一是速度范围宽:这就要求驱动电机在低速时(如零到100公里加速)输出大扭矩，在高速巡航时需要具有恒功率输出特性；二、高密度和轻量化:电机的重量必须很轻，体积不能太大。要保证新能源汽车的安装空间和整车重量限制，为电池让路；第三，高效率是保证其续航里程；第四，能量回馈可以回收车辆减速制动过程中的部分动能，从而提高车辆的续航里程和能量利用率；第五，可靠性和安全性高，其机械强度、抗冲击性、冷却技术、电气系统和控制系统都需要满足车辆安全性能的规定和标准；第六，成本低。根据我个人的经验，十年前驱动电机+控制器要几万，现在只要6000。

具体来说，新能源汽车驱动系统对电机的技术要求如下:1。当电机输出低于基础转速的大扭矩时，需要有4~5倍的过载，以适应车辆起步、加速、负载爬坡、频繁启停等复杂工况。2、在基本速度以上恒功率运行以适应最高速度。

这就会遇到一个问题。一旦提高电机转速，功率可以保持不变，但扭矩却在下降，高速超车就无力了。如何解决这个问题？电压可以从320V提高到800V，转速可以提高，可以提高高速时的扭矩。

接下来介绍特斯拉的案例。在800A和385Vdc下，特斯拉可以实现超过420Nm和200Kw的功率输出。在高速时，其16000转左右的效率为92-93%，在高速续航能力上较国产车有明显优势。

要达到这个效果，需要两个关键的技术手段:一是引入碳化硅等大电流功率器件的支持，因为实现大功率大扭矩输出最重要的策略就是提高最大电流。其次，使用0.25mm的薄硅钢片，片越薄，涡流损耗越低，有利于提高效率。另外，采用6极设计，降低铁损是高速段提高效率的关键。

电机面临的挑战及对策

下图显示了电机的主要分类。最大的类别是DC和AC之间的区别。DC一直主要用于大型车辆，交流电机主要分为同步电机和异步电机，其中同步电机又分为永磁电机、磁阻电机和绕线转子电机。

图片来源:上海大学教授、围场学者、新能源电驱动中心负责人罗建发表演讲。

目前工业上主要使用异步电机、磁阻电机和永磁电机。这些电机的定子基本结构都是一样的，都是绕组线圈。针对定子的发展趋势，业界已达成共识，即“走扁线”。这是因为扁线电机槽满率高，端部整齐无卡滞，散热好，易于机械化。

目前对扁线电机的技术要求是“端短”。下图是扁线电机末端从左到右越来越短的情况。

图片来源:上海大学教授、围场学者、新能源电驱动中心负责人罗建发表演讲。

目前，我们的研究重点是扁平线电机的平台化。如何使扁线电机基于同一平台进行不同的功率转换，但同时保证定子绕组简单，简化加工程序，这也是近年来定子研究的重点。

转子方面，以永磁电机为例，永磁同步电机的转子分为表面永磁转子和内置永磁转子，前者多用于DC无刷和方波电流；后者有弧形内置，“一”型内置，“V”型内置。转子在改善电磁性能方面起着关键作用。

以特斯拉为例。特斯拉Model3的转子采用单V型结构，采用两对辅助槽，其中大辅助槽放在V型磁钢槽面磁桥处，小辅助槽放在极心附近。同时，磁通波形得到改善，并通过错开磁极来调整永磁元件。

表贴转子，交流和DC轴磁路基本对称，没有凸极效应和磁阻转矩；交流DC轴磁路等效气隙大，电枢反应小，特性接近DC电机。

在内置转子的结构中，转子的交直轴磁路不对称，电磁转矩由永磁转矩和磁阻转矩产生。磁阻转矩提高了电机的功率密度和过载能力，易在弱磁场下扩大转速，扩大了电机的恒功率运行范围。同轴磁路的等效气隙小，电枢反应强。内置转矩脉动大于表面安装转子的转矩脉动。

对于永磁电机，问题是永磁体不可调，高速时反电动势高，必须弱磁限制。但是弱磁控制会消耗电流，降低效率。表面贴装转子Id=0，低速时铜耗和效率最高，而高速时弱磁比较困难。内置转子极凸，高速时容易削弱磁场。

此时的纯磁阻电机由于没有永磁体，电感大，功率因数低，但具有成本低，无永磁材料的优势。

进一步的发展方向是什么？主要是高转速，提高功率密度和扭矩密度。高速后铁损是主要问题，表面贴装型是主要解决方案。

另一种方案是不走高速直接提高转矩密度，这也是学校机构的研究方向，包括横向磁场电机、轴向磁场电机、外转子电机、双转子电机、双定子电机...一种有槽无定子轭的轴向磁场电机后来发展成为YASA电机，而更进一步的无槽铁芯电机没有铁损，所以可以保证高速时的效率。

最后是永磁体不可调和的问题，这也是研究的主要方向。永磁体在高速时会有反电动势高的问题。如果被弱磁削弱，会有电流损耗，功率因数低。可以调节吗？

一种解决方案是，如果转子上有线圈，线圈可以调节电流，就像发电机一样，但有线圈会增加结构的复杂性。但将调磁线圈放在定子上，使线圈不再占功率，也是永磁电机的挑战和技术发展方向。

(以上内容来自上海大学教授、威畅学者、新能源电驱动中心负责人罗箭在2022年12月7-8日盖世汽车主办的2022第三届汽车电驱动及关键技术大会上发表的《新能源汽车电机发展趋势》。电机的效率和高转速是一对长久以来难以调和的矛盾。

低于基本速度时，电机的效率最高。一旦过了基本速度，电机功率预计会处于恒定的最大值，而扭矩会随着速度的增加而减小。所以电机的铁耗会随着基速后转速的增加而增加，能耗会不断增加。

2022年12月7-8日，在Gaspar主办的2022第三届汽车电驱动及关键技术大会上，上海大学教授、伟昌学者、新能源电驱动中心负责人罗建指出，特斯拉在800A、385Vdc下可实现超过420Nm、200Kw的功率输出，16000rpm左右的效率在高速下为92-93%。

特斯拉的方案秘诀之一是使用0.25mm的薄硅钢片，片越薄，涡流损耗越低，有利于提高效率。罗建强调，采用6极设计，降低铁损是提高高速范围效率的关键。

罗建|上海大学教授，魏昌学者，新能源电驱动中心主任。

以下是发言摘要:

为什么要搞新能源汽车？这背后主要有两个驱动力:一个是碳，一个是石油。

碳是什么？碳中和二氧化碳排放达到峰值，中国的碳排放量比世界上其他国家都多。据说树会吸引风，所以我们必须做一些工作。当然……虽然我们现在排放的碳是最多的，但是我们只是在90年代发展起来之后才排放了很多碳，在前两百年我们并不是碳排放的主要贡献者。

但也有一句话:我们应该承担共同但有区别的责任。反正我们国家定了2030年二氧化碳排放达到峰值，2060年碳中和的目标。

什么是石油？十年前，我们电动车行业发展之初，国家政策大力推动，主要是考虑到石油的战略安全。当时中国石油对外依存度是60%，现在已经达到70%。

但也要看到，十年后，新能源汽车月渗透率接近30%，这带来了两个机遇:新能源汽车市场高速发展，机会会越来越多。另一方面，由于汽车总销量增长并不那么乐观，相当于一个存量博弈市场:新能源车卖得越多，燃油车卖得越少。

省油还是用电？新能源汽车的路线之争

接下来我们来回答一个根本问题:新能源汽车省油还是用电？答案背后是两条技术路线，业内争论已久。

想省油就选混动。混合动力系统有四种配置:P0，BSG皮带传动启停装置；P1，ISG电机是发动机和离合器之间的集成起动机和发电机装置；P2:电动机位于离合器和变速器输入端之间，P3:电动机位于变速器输出端或后轮轴。

如果想省油，需要1)高效启动，2)发动机高效区直接驱动，3)高效反馈制动，4)合成峰值扭矩/功率。

电动汽车最大的问题在于如何快速补充能量。现在业内都有换电的解决方案，换电的优势很明显。一方面换电效率更高，速度更快。另一方面，随着CTC/CTP技术的发展，车身底盘上集成了很多电池。一旦电池衰减，底盘就报废了，不存在这种隐患。

有些人还提出了其他的可能性，比如太阳能汽车。2010年，世博会上推出了一款太阳能概念车。2011年，丰田推出带光伏电池的车膜；2022年，荷兰光年在封面和屋顶布置了4.9平方米的IBC单晶硅超级太阳能电池板。据报道，它可以在一小时内跑10公里。

当然，目前太阳能汽车的价格很贵。当这项技术的成本降低后，就可以大规模走向市场。

回过头来看，新能源汽车，尤其是用于通勤时，要求日行驶里程在30-60公里，用户期望充电里程在400-600公里。在此之上，除非有其他出行需求，否则用户的购车预算不会进一步增加。

如何在成本和技术难度相近的情况下进一步增加里程？推广计划应运而生。推广计划最初的作用是未雨绸缪，可以做的很少，成本也很低。同时帮助用户在没电的时候用油充电，解燃眉之急。

再者，发动机可以轻微改变工况，不需要经常在电池中储存多余的能量，可以减少充放电能耗，提高燃油经济性。但增程发动机和变工况驱动电机不再独立，系统耦合，复杂度提高。

在提高发动机效率的前提下，发动机直接驱动车轮，配合电机，可以进一步降低损耗，系统也不再是简单的程序扩展，而是PHEV(插电式)。现在发动机已经介入驱动车辆，单级减速器可以改成2速/3速变速箱，进一步扩大了发动机可以高效介入的工作范围。

在这一点上，增程器或电动汽车具有特定的优势。变速箱的核心技术是动力中断和换挡平顺。对于电动车来说，动力中断和换挡平顺性很难解决，因为换挡速度差比较大。如果只有两档，换挡时会有3000转以上的转速差。但如果是扩展程序，因为既有电机又有发动机，一个可以换挡，一个可以不间断供电。

总之，增程技术的发展方向与电池有关。电池的能量密度越高，充电越方便，倾向于安装更多的电池。增程器只是一个替代品，起不了多大作用。反而会从成本角度扩大高效发动机干预的工作范围。

但延期计划的根本逻辑不是为了省油，而是尽可能用电，而不是用油。

“十二五”期间，科技部确定新能源汽车驱动系统的发展方向是纯电驱动。一方面，电机的高效区是发动机达不到的，纯电驱动是最高效的驱动形式。站在用户的角度，以现在的油电差价，只要能用上电，用户肯定会选择电。

但是电池技术在安全性和续航能力方面还不能完全满足要求，所以我们进入了过渡期。在新能源汽车的动力发展轴上，最左边是纯燃料发动机驱动的汽车，最右边是纯电动马达驱动的汽车。从左到右依次为轻度混合、弱混合、轻度混合、中度混合、重度混合、phev、增程式、燃料电池等。从这个轴来看，增程更接近纯电动的电机驱动的车辆。

新能源汽车驱动电机的功能和要求

先说新能源驱动电机。新能源驱动电机的功能有以下六点要求:

一是速度范围宽:这就要求驱动电机在低速时(如零到100公里加速)输出大扭矩，在高速巡航时需要具有恒功率输出特性；二、高密度和轻量化:电机的重量必须很轻，体积不能太大。要保证新能源汽车的安装空间和整车重量限制，为电池让路；第三，高效率是保证其续航里程；第四，能量回馈可以回收车辆减速制动过程中的部分动能，从而提高车辆的续航里程和能量利用率；第五，可靠性和安全性高，其机械强度、抗冲击性、冷却技术、电气系统和控制系统都需要满足车辆安全性能的规定和标准；第六，成本低。根据我个人的经验，十年前驱动电机+控制器要几万，现在只要6000。

具体来说，新能源汽车驱动系统对电机的技术要求如下:1。当电机输出低于基础转速的大扭矩时，需要有4~5倍的过载，以适应车辆起步、加速、负载爬坡、频繁启停等复杂工况。2、在基本速度以上恒功率运行以适应最高速度。

这就会遇到一个问题。一旦提高电机转速，功率可以保持不变，但扭矩却在下降，高速超车就无力了。如何解决这个问题？电压可以从320V提高到800V，转速可以提高，可以提高高速时的扭矩。

接下来介绍特斯拉的案例。在800A和385Vdc下，特斯拉可以实现超过420Nm和200Kw的功率输出。在高速时，其16000转左右的效率为92-93%，在高速续航能力上较国产车有明显优势。

要达到这个效果，需要两个关键的技术手段:一是引入碳化硅等大电流功率器件的支持，因为实现大功率大扭矩输出最重要的策略就是提高最大电流。其次，使用0.25mm的薄硅钢片，片越薄，涡流损耗越低，有利于提高效率。另外，采用6极设计，降低铁损是高速段提高效率的关键。

电机面临的挑战及对策

下图显示了电机的主要分类。最大的类别是DC和AC之间的区别。DC一直主要用于大型车辆，交流电机主要分为同步电机和异步电机，其中同步电机又分为永磁电机、磁阻电机和绕线转子电机。

图片来源:上海大学教授、围场学者、新能源电驱动中心负责人罗建发表演讲。

目前工业上主要使用异步电机、磁阻电机和永磁电机。这些电机的定子基本结构都是一样的，都是绕组线圈。针对定子的发展趋势，业界已达成共识，即“走扁线”。这是因为扁线电机槽满率高，端部整齐无卡滞，散热好，易于机械化。

目前对扁线电机的技术要求是“端短”。下图是扁线电机末端从左到右越来越短的情况。

图片来源:上海大学教授、围场学者、新能源电驱动中心负责人罗建发表演讲。

目前，我们的研究重点是扁平线电机的平台化。如何使扁线电机基于同一平台进行不同的功率转换，但同时保证定子绕组简单，简化加工程序，这也是近年来定子研究的重点。

转子方面，以永磁电机为例，永磁同步电机的转子分为表面永磁转子和内置永磁转子，前者多用于DC无刷和方波电流；后者有弧形内置，“一”型内置，“V”型内置。转子在改善电磁性能方面起着关键作用。

以特斯拉为例。特斯拉Model3的转子采用单V型结构，采用两对辅助槽，其中大辅助槽放在V型磁钢槽面磁桥处，小辅助槽放在极心附近。同时，磁通波形得到改善，并通过错开磁极来调整永磁元件。

表贴转子，交流和DC轴磁路基本对称，不存在凸极效应和磁阻转矩；交流DC轴磁路等效气隙大，电枢反应小，特性接近DC电机。

在内置转子的结构中，转子的交直轴磁路不对称，电磁转矩由永磁转矩和磁阻转矩产生。磁阻转矩提高了电机的功率密度和过载能力，易在弱磁场下扩大转速，扩大了电机的恒功率运行范围。同轴磁路的等效气隙小，电枢反应强。内置转矩脉动大于表面安装转子的转矩脉动。

对于永磁电机，问题是永磁体不可调，高速时反电动势高，必须弱磁限制。但是弱磁控制会消耗电流，降低效率。表面贴装转子Id=0，低速时铜耗和效率最高，而高速时弱磁比较困难。内置转子极凸，高速时容易削弱磁场。

此时的纯磁阻电机由于没有永磁体，电感大，功率因数低，但具有成本低，无永磁材料的优势。

进一步的发展方向是什么？主要是高转速，提高功率密度和扭矩密度。高速后铁损是主要问题，表面贴装型是主要解决方案。

另一种方案是不走高速直接提高转矩密度，这也是学校机构的研究方向，包括横向磁场电机、轴向磁场电机、外转子电机、双转子电机、双定子电机...一种有槽无定子轭的轴向磁场电机后来发展成为YASA电机，而更进一步的无槽铁芯电机没有铁损，所以可以保证高速时的效率。

最后是永磁体不可调和的问题，这也是研究的主要方向。永磁体在高速时会有反电动势高的问题。如果被弱磁削弱，会有电流损耗，功率因数低。可以调节吗？

一种解决方案是，如果转子上有线圈，线圈可以调节电流，就像发电机一样，但有线圈会增加结构的复杂性。但将调磁线圈放在定子上，使线圈不再占功率，也是永磁电机的挑战和技术发展方向。

(以上内容来自上海大学教授、威畅学者、新能源电驱动中心负责人罗箭在2022年12月7-8日盖世汽车主办的2022第三届汽车电驱动及关键技术大会上发表的《新能源汽车电机发展趋势》。

标签：特斯拉丰田

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