電機效率和高速化，是新能源車用電機長期以來難以調和的一對矛盾。
在基速轉速以下，電動機的效率是最高的，一旦過了基速轉速，電機功率希望處于恒定的最大值，而扭矩隨著轉速的提升不斷減小，所以，基速之后電機的鐵耗會隨轉速的升高而加大，能耗由此不斷增加。
2022年12月7-8日，由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅動及關鍵技術大會上，上海大學教授，偉長學者，新能源電驅動中心負責人羅建指出，在800A和385Vdc下，特斯拉可以實現420Nm和200Kw以上的功率輸出，高速下，其16000rpm附近的效率在92-93%，相比國內的車輛，在高速續航上有顯著優勢。
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，羅建強調：采用6極設計，降低鐵耗是提高高速區間效率的關鍵。
羅建 | 上海大學教授，偉長學者，新能源電驅動中心負責人
以下是演講內容整理：
為什么要搞新能源汽車？這背后主要有兩大驅動力：一個是碳，一個是油。
什么是碳？碳中和碳達峰，中國的碳排放比全球其他國家都多，都說樹大招風，所以我們必須要去做一些工作。當然，雖然我們現在的碳排放量是最多的，但是我們是從90年代發展起來之后才大量排碳的，前兩百年里我們并不是主要的碳排放貢獻國。
但是也有這樣一句話：要承擔共同的，而有區別的責任。不管怎么說，我們國家已經定下了2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和的目標。
什么是油？十年前，我們的電動汽車產業開始發展之初，國家政策之所以大力推動，主要考慮石油的戰略安全問題。當時，中國的石油對外依存度是60%，現在已經達到70%。
但我們也要看到，十年之后，新能源汽車的單月滲透率接近30%，這帶來了兩方面的機遇：新能源汽車市場正高速發展，機會會越來越多，反過來，由于汽車的銷售總量增長不是那么樂觀，所以這相當于一個存量博弈的市場：新能源汽車越賣越多，燃油車就必然越賣越少。
省油還是用電？新能源車的路線之爭
接下來，讓我們回答一個根本問題：新能源汽車到底是省油還是用電？答案的背后是兩種技術路線，這是業界爭論了很長時間的問題。
如果要省油那就選擇混動，混合動力系統構型有以下四種：P0，BSG皮帶傳動啟停裝置；P1，ISG電機處于發動機和離合器之間的啟動機和發電機一體化裝置；P2：電機處于離合器和變速器輸入端之間，P3：電機處于變速器輸出端或者置于后軸。
想省油，需要1、高效起動，2、發動機高效區直驅，3、高效回饋制動 4、合成峰值扭矩/功率。
電動車的最大問題在于如何快速補能，現在行業內有換電的解決方案，換電的優勢是顯而易見的，一方面，換電的效率更高，速度更快，另一方面，現在CTC/CTP技術發展，很多電池被集成在車身底盤上，一旦電池衰減了，底盤也會廢棄掉，而換電就沒有這個隱患。
也有人提出了其他可能性，比如太陽能汽車，2010年，世博會上推出了太陽能概念汽車；2011年，豐田推出帶有光伏電池的汽車貼膜；2022年，荷蘭Lightyear在前機蓋和車頂上布置了4.9平方米的IBC單晶硅超級太陽能電池板。據悉，其“曬太陽”一小時就可以運行10公里。
當然，目前太陽能汽車的價格非常貴，什么時候這一技術的成本降低了，就能大規模走向市場了。
回過頭來看，新能源汽車，尤其用于通勤的情況下，每日的里程需求是30-60公里，用戶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，否則用戶的購車預算就不會進一步增加。
如何在相似的成本和技術難度上進一步增加里程數？增程式應運而生，增程器最初的作用在于備不時之需，可以做的很小，成本極低，同時幫助用戶在沒電的情況下以油充電，解決急需。
再進一步，發動機可以稍微改變工況，不需要頻繁將多余的能量儲存在電池里，可以減少充放電能耗，提升燃油經濟性，但是這種變工況的增程發動機和驅動電機就不再是獨立的，系統存在耦合，復雜度提升。
在提高發動機效率的前提下，可以直接讓發動機驅動車輪，電機進行配合，可以進一步減少損耗，系統也不再是單純的增程式，而變成了PHEV（插電式）。既然此時發動機已經介入驅動車輛，就可以將單級減速器改成2檔/3檔變速箱，進一步擴展發動機可以高效介入的工況范圍。
這一點上，增程器或者電動車有個特定優勢。變速箱的核心技術是是動力中斷和換檔平順性，對于電動汽車來講，動力中斷和換檔平順不好解決，因為換檔速差比較大，如果只有兩檔，換檔時就會產生3000轉以上的速差。但如果是增程式，由于既有電機、又有發動機，可以一個換檔，另外一個提供動力，沒有動力中斷。
總而言之，增程技術的發展方向同電池相關，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，則會從成本出發，將發動機高效介入的工況范圍擴大。
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”的時候，科技部就定下了新能源汽車驅動系統的發展方向是純電驅動。一方面，電機的高效區是發動機望塵莫及的，純電驅動是最高效的驅動形式，從用戶的角度看，以現在的油、電差價、只要能用電，用戶一定會選擇電。
但是，電池技術在安全和續航上不能完全滿足要求，所以我們進入了過渡時段，在新能源車動力發展軸線上，最左端是純燃油發動機驅動車、最右端是純電電機驅動車，從左到右分別會是微混、弱混、輕混、中混、重混、phev，增程，燃料電池等等，從這條軸線看，增程式更靠近純電電機驅動車。
新能源車用驅動電機的功能與要求
下面講一下新能源驅動電機，新能源驅動電機的在功能上有以下六點要求：
第一，寬調速范圍：這要求驅動電機在低速時可以輸出大轉矩（比如從零到100公里加速），高速巡航時需要具有恒功率輸出特性；第二，高密度輕量化：電機的重量必須很輕，體積也不能太大，要保證新能源汽車的安裝空間和整車重量限制，給電池讓路；第三，高效率，是為了保障其續航里程；
第四，能量回饋，能夠在車輛減速、制動的過程中將部分動能回收，從而提高車輛的續航里程和能源利用率；第五，高可靠性和安全性，其機械強度，抗震性，冷卻技術，電氣系統和控制系統都需要符合車輛安全性能的規定和標準；第六，低成本，以我個人的經歷，十年前驅動電機+控制器要數萬，現在只需要6000。
具體看新能源車用驅動系統對于電機的技術指標要求：1、電動機基速以下輸出大轉矩，需要有4~5倍的過載，以適應車輛的啟動、加速、負荷爬坡、頻繁起停等復雜工況。2、基速以上恒功率運行以適應最高車速。
這會遇到一個問題，電機一旦速度提升，功率可以維持不變，但轉矩在下降，那高速超車就無力了。怎么解決這個問題？可以增加電壓，從320V增加到800V，其轉折轉速就能提高，這樣可以增大高速狀態下的轉矩。
接下來引入特斯拉的案例，在800A和385Vdc下，特斯拉可以實現420Nm和200Kw以上的功率輸出，高速下，其16000rpm附近的效率在92-93%，相比國內的車輛，在高速續航上有顯著優勢。
要達到這種效果，需要兩個關鍵的技術手段：第一，引入碳化硅這類大電流功率器件的支持，因為實現高功率高轉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極設計，降低鐵耗是提高高速區間效率的關鍵。
電機所面臨的挑戰和應對策略
下圖是電機的主要分類，最大類是直流和交流的區分，直流主要曾用在大型車上，交流電機主要分為同步和異步電機，其中同步又分為永磁電機、磁阻電機和繞線轉子電機。
圖片來源：上海大學教授，偉長學者，新能源電驅動中心負責人羅建演講材料
目前行業主要用到的是異步電機、磁阻電機https://auto.gasgoo.com/news/202212/23I70326035C103.shtml、永磁電機，這幾種電機的定子的基本結構是一樣的，都是繞組線圈。針對定子的發展趨勢，業界已經有了共識，那就是“走扁線”。這是由于扁線電機的槽滿率高，端部規整免綁扎，散熱性好，且易于實現機械化。
目前，扁線電機的技術要求是將“端部做短”，下圖從左至右，分別是扁線電機端部越做越短的情況。
圖片來源：上海大學教授，偉長學者，新能源電驅動中心負責人羅建演講材料
我們目前的研究集中在扁線電機的平臺化上，如何讓扁線電機可以基于同一平臺進行不同的功率變換，但同時保證定子的繞組簡單，簡化加工程序，這塊也是近幾年對定子研究的側重點。
在轉子側，以永磁電機為例，永磁同步電動機的轉子分為表面式永磁轉子和內置式永磁轉子，前者多用于直流無刷，方波電流；后者有弧形內置、“一”字內置、“V”字內置。轉子對電磁性能的提升有關鍵性的作用。
還是以特斯拉為例，Tesla Model3的轉子采用單V結構，采用兩對輔助槽，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，同時采用了錯開斜極的方式改善磁通波形，調配永磁成分。
表貼的轉子，交直軸磁路基本對稱，無凸極效應和磁阻轉矩；交直軸磁路的等效氣隙很大，電樞反應較小，特性接近直流電機。
內置式轉子的架構上，轉子交直軸磁路不對稱，電磁轉矩由永磁轉矩和磁阻轉矩共同產生；磁阻轉矩提高了電機的功率密度和過載能力，且易于弱磁擴速，擴大了電機的恒功率運行范圍；交軸磁路的等效氣隙小，電樞反應強烈。內置式轉矩脈動大于表貼轉子。
對于永磁電機，其問題在于永磁不可調，高速時反電勢高，對此必須用弱磁進行限制。而弱磁控制要損耗電流，會使效率下降，表貼轉子Id=0，低速銅耗低，效率最高，而高速弱磁困難。內置轉子凸極強，高速弱磁較容易。
此時，純磁阻電機因為沒有永磁，電感就大，功率因數低，但好處是成本低，沒有永磁材料。
進一步的開發方向是怎樣的？主要是高速化，提高功率密度和轉矩密度。高速化之后，鐵損耗是主要問題，2萬轉以上，表貼式是主要解決方案。
另一種方案是不走高速，直接提高轉矩密度，這也是學校機構的研究方向，包括橫向磁場電機，軸向磁場電機，外轉子電機，雙轉子電機，雙定子電機……其中一款軸向磁場電機有槽無定子軛，后來發展為YASA電機，進一步的無槽無鐵芯電機，沒有鐵耗，因此高速下的效率就能得到保證。
最后是關于永磁不可調和的問題，這也是研究的主要方向。永磁在高速情況下會出現反電勢過高的問題，如果通過弱磁來削弱，那就會有電流損耗，功率因數就低，那能不能實現可調？
一種解決方案是，轉子上如果有線圈，線圈可以調電流，像發電機一樣，但有線圈就會增加結構復雜性。但把調磁線圈放到定子上，使該線圈不再占用功率，也是永磁電機所面臨的挑戰和技術發展方向。
（以上內容來自上海大學教授，偉長學者，新能源電驅動中心負責人羅建于2022年12月7-8日由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅動及關鍵技術大會上發表的《新能源車用電機發展趨勢》主
