本文首发于公众号“聊聊汽车那些事儿”。

前言

目前新能源汽车发展如火如荼。为了响应政策号召（各大国企）和为了满足平均油耗要求（合资和非国企自主），各大厂家纷纷开发了自家的电动车型。

大家也都知道，新能源汽车的核心是三电系统，即电池，电机和电控。

电机作为驱动单元，其地位相当于传统燃油车的发动机，就是电动汽车的“心脏”，其重要性无需多言。那么，今天我们来谈一谈新能源的核心技术——电机。

电机种类

电机分很多种类，每种的工作原理和控制逻辑都不相同。

按照工作电源来区分，可分为直流电动机和交流电动机，交流电动机按照工作原理又可以分为同步电动机和异步电动机。根据励磁方式又可分为永磁、自励和他励。

看到电机种类这么多，估计大家头都大了吧。

先别着急着快进，虽然电机种类很多，但是可不都适合应用在电动汽车上哦。

考虑到电动汽车的应用场景的特点，电机必须要高效率，高转矩，还要响应快，最好还要成本低，重量轻（功率密度大）。

能同时满足这些要求的范围可以缩小到直流电动机、异步感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机几种了。

这几种电机都有各自特点，详见下图。

直流电机虽然控制性好，但是其效率最低，现在用的已经很少了,直接PASS。

交流感应电机成本较低，效率虽然比直流电机高，但是比永磁同步电机还是要低一些的。要知道，电机效率每提高1%，续航里程就能提高1%，或者维持续航里程不变，电池容量就可以减少1%。而且加上其功率密度偏低（同样功率下重量更高），也限制了其使用场景。目前除了特斯拉（不具备参考性）外，其他的都是客车在用。

开关磁阻整体效率不高，运行噪音较大，也主要在大型客车上应用。

永磁同步电机的效率最高，功率密度也最高，目前市场上绝大多数的电动汽车（乘用车）都使用该种电机，是目前新能源汽车的绝对主流选择。

永磁同步电机结构介绍

永磁同步电机结构见下图。

其工作原理也很简单。

一般磁极作为转子，绕组作为定子。绕组定子通过三相绕组通入交流电，产生旋转磁场。磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场（永磁同步电机的磁极一般为钕铁硼永磁体，不需要励磁绕组）。

由于不同的磁极相互吸引，所以转子跟随定子的旋转磁场同步旋转。（这也是同步电机得名的原因）。

你看，So Easy!

永磁同步电机的控制

既然谈到了电机，就不能不提到电机的控制。

电机的主要参数包括转速、扭矩，功率等。

关于转速，由于转子的旋转速度始终与定子绕组中的旋转磁场同步，则转子的转速如下：

其中f为绕组电流的频率，p为极对数。

扭矩作为一个关键输出参数尤为关键，而永磁同步电机的扭矩曲线非常好。

在低速区的最大输出扭矩可以近似认为是恒定的，而且就是电机的最大扭矩。

转速进一步上升时，由于功率限制，开始进入恒功率区，随着转速的上升，扭矩逐渐下降。

低速高扭的特性，非常适合电动汽车的低速启动，这也是为什么电动汽车的加速性能可以很容易就做的很好。

如何进行扭矩调节呢？

对于同步电机，其扭矩表达式为：

T=KtΦIa

其中Kt为电机结构常数，Φ为磁通量，Ia为定子绕组电流。

可以看出扭矩与绕组电流成正比，如果需要调整扭矩，需要调整其绕组电流。

电机参数选择

电机既然类似于发动机的地位，整车性能与电机就有很强的相关性了，与电机相关的整车参数包括加速时间，最高车速等。

那一般在新能源汽车上电机是怎么选择的呢？让我们来通过一个实例来涨涨姿势。

在项目开发前期的时候需要定义整车性能参数，那这参数是怎么定的呢？这个时候需要进行市场调研，也就是做竞品分析。

好吧，假设我们定位是做“平民能买得起的电动车”（这个口号很熟悉？问号脸），那做竞品分析，肯定要分析卖的最好嘛。

上图是2016年新能源汽车的销量，2016年卖的最好的新能源车辆，是北汽EV200嘛。其最高车速为125Km/h，0到100km/h的加速时间为15秒。

我们目标的车型性能要略胜一筹（就是这么霸气！），所以我们愉快的决定了目标车型的最高车速为130km/h，0到100km/h的加速时间小于14秒。

首先选择电机的种类，假设我们已经选择了最主流的永磁同步电机。

电机最大转速

电机最大转速与最高车速相关。

其中车速与电机转速关系如下：

V=3.6n(2pi r)/(60*Ig)

其中V为车速（km/h），n为电机转速（r/min)，r为车轮静载半径（m)，Ig为减速器的减速比。

我们轮胎假设为185/65R15为例，则轮胎静载半径为0.31m。减速器的主减速比一般为6~9。特斯拉由于选用异步感应电机，其电机最高转速很高（可以到18000），所以其减速比也比较大，为9.73。减速比选的大，低速加速性能肯定好，不过最高车速可就下来了（假设最高转速不变）。

不过考虑到我们目标车型的受众，我们选用最低的减速比——6。

算了下，130km/h时，电机转速为6674r/min。永磁同步电机的最大转速一般为4000到10000r/min。所以转速没有问题。

最大输出扭矩

EV200的最大扭矩为180NM，我们先暂定电机扭矩水平与EV200相当，也是180NM。

电机功率

电机功率与加速时间有关。

随便找一本《汽车理论》的书翻一翻，可以找到下面的公式：其中在这里，我们取m为1300kg（参考EV200），f为0.01，Cd选择0.31（我们不是荣威i6，水平有限，做不到0.25（笑）），A选择2.1，传统效率选择0.92，δ与传动系的惯量相关，由于电动汽车减速器比较简单，其惯量相对较低，我们选择1.04.

下面我们来看0-100Km/h的加速时间。

随手用Python写一个for循环，如果要满足百公里加速时间小于14秒，电机功率最小要63Kw。这比EV200的最大功率53Kw足足大了10Kw，这可都是成本啊。

没办法，谁让我们性能比人家要好呢（摊手）。

至此，我们电机参数就大致确定了。

最大转速：6674r/min

最大扭矩：180NM

最大功率：63Kw

最后总结一下

本文通过对不同种类电机进行了分析，找到适用于电动汽车的主流选择——永磁同步电机，然后对其结构和控制方法进行了介绍。并通过实例显示了电机主要参数的选择过程。

看完这篇文章，涨姿势了么？

如果觉得不错，千万不要忘了点赞分享哦~