新能源環衛車電機技術發展現狀與趨勢研究

夏靖武，譚 鵬，李 錢，嚴 麗，楊維豪，何 興

（長沙中聯重科環境產業有限公司，湖南 長沙 410221）

2023年1月，工業和信息化部等8部門發布關于組織開展公共領域車輛全面電動化先行區試點工作的通知，全國范圍內啟動公共領域車輛全面電動化先行區試點工作，試點期為2023～2025年，力爭車輛電動化水平達到80%[1-2]。環衛車作為公共領域車輛的重要組成部分，近年來電動化比例逐步提升，如圖1所示。

圖1 2020～2023年電動環衛車總銷量與滲透率對比圖

1 新能源環衛車概述

1.1 新能源環衛車的定義和特點

新能源環衛車指采用新型能源技術的環衛車輛，這些車輛利用清潔能源進行驅動，減少了對傳統燃油的依賴，降低了環境污染和碳排放，符合現代社會對環保、節能的要求。新能源環衛車在城市環衛工作中起到了重要作用，推動了環衛行業的可持續發展。

新能源環衛車相較于傳統燃油環衛車具有以下特點：①環保節能，新能源環衛車采用電力驅動，零排放、噪聲小，可大幅降低大氣污染物含量，減少作業時的擾民問題；②使用成本低，新能源環衛車的運行線路相對固定、距離短，充電設施便于集中建設管理，新能源環衛車后期易維護，保養簡單，使用成本明顯低于燃油車型；③駕駛舒適，新能源環衛車在性能方面不斷優化，大部分車型無需變速器或使用自動變速器，操作簡便，駕駛平順性和舒適性大大提高。

1.2 新能源環衛車按作業場景的分類（表1）

表1 新能源環衛車類型及主要應用場景對比表

新能源環衛車可以廣泛應用于城市環衛、道路清掃、垃圾收集和運輸等領域，其清潔、高效的特點使其成為改善城市環境品質和提升城市管理水平的重要工具，為城市的環境衛生和美化做出了積極貢獻。

2 電機關鍵技術介紹

2.1 新能源電機的定義和分類

電機是根據電磁感應原理，可以把電源的電能轉化為機械能，或者將機械能轉化為電能的一種裝置。當電能被轉換成機械能時，電機表現出電動機的工作特性；當機械能被轉換成電能時，電機表現出發電機的工作特性。根據驅動方式的不同，新能源電機可分為有刷直流電機、交流異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機等類型[3]。由于永磁同步電機作為驅動電機的優點突出，新能源環衛車的驅動電機幾乎全部為永磁同步電機。

2.2 新能源電機的主要關鍵技術

1）電機設計與制造技術：包括電磁設計、熱設計、機械設計等，以提高電機的功率密度和效率。電機制造技術涉及到材料選擇、加工工藝和組裝技術等。

2）電機控制技術：包括電機控制算法的開發和優化，以實現電機的高效運行和性能控制。

3）能量回收技術：包括制動能量回收和行駛能量回收兩個方面，以提高能源利用效率。

4）故障診斷技術：包括電機和電控系統的故障檢測和診斷，以提高車輛的可靠性和維修性。

5）傳動匹配技術：包括電機與變速器的匹配和優化，以實現高效的能量轉換和傳遞。

6）電機安全技術：包括電機過載保護、電機過熱保護等安全功能的設計和實現。

7）集成設計技術：包括電機和車輛其他系統的集成設計和優化，以實現整車性能的協調和統一。

3 新能源環衛車電機發展現狀

3.1 不同類型新能源環衛車驅動電機應用情況

目前，新能源環衛車根據儲能方式的不同，主要分為：純電動環衛車、混合動力環衛車和氫燃料電池環衛車3類，它們的特點和近3年的銷量占比見表2[4]。盈峰環境開發的18t燃料電池清洗車如圖2所示。

表2 新能源環衛車類型及主要應用場景對比表

圖2 盈峰環境18t燃料電池清洗車實車圖

3.2 不同動力型式在新能源環衛車上實際應用

1）驅動電機+變速器（單級減速器）+驅動橋?！膀寗与姍C+變速器（單級減速器）+驅動橋”的動力型式屬于中央驅動方式的一種。將傳統動力系統的發動機替換為驅動電機，后面連接一個自動變速器或者單級減速器，變速器一般為AMT自動變速器，再通過傳動軸將動力傳遞到驅動橋。這種動力型式大多應用在12t級以上的新能源環衛車上。

2）驅動電機（雙電機）+驅動橋?！膀寗与姍C（雙電機）+驅動橋”的動力型式也屬于中央驅動方式的一種。這種電機直驅系統取消了變速器，消除了換擋沖擊，提高了驅動平順性。18t級以上新能源環衛車可能采取雙電機直驅系統，8～16t級通常采用單電機直驅系統。

3）平行軸（同軸）電驅動橋。電驅動橋的型式屬于中央集中式驅動系統，主要分為平行軸電橋和同軸電橋兩種。新能源環衛車上常采用平行軸電橋，這種型式的動力系統集成度高、傳遞效率高，但是增加了簧下質量，一般只在6t級以下的小噸位車型上應用。

4）輪邊（輪轂）電機驅動系統。輪邊（輪轂）電機驅動系統屬于分布式驅動系統。這種系統在電驅動橋的基礎上去掉主減、差速器、半軸，集成度更高，傳遞效率更高，但是控制難度大，成本也最高，目前在新能源環衛車上的應用較少，主要應用于小型自動駕駛車型上。

4 新能源環衛車電機發展趨勢

4.1 新能源環衛車電機的技術創新與發展趨勢

1）高速電機。高速電機通常指轉速超過10000r/min的驅動電機。電機轉速提高后，功率大幅提升，電機系統功率密度提升，高速電機還能減少稀土等材料的使用量，系統效率也能得到提升。高速電機技術的難點在于轉子磁橋設計、高速軸承選型等方面。高速電機技術已經很成熟，在電動乘用車領域得到了廣泛應用，國內外很多乘用車主機廠都推出了搭載高速電機的車型。目前高速電機在新能源環衛車已經開始嘗試搭載，相信在不久后可大量推廣應用。

2）扁線電機。扁線電機的定子和轉子都采用扁平的線圈，采用銅箔或者矩形導線制作，從而實現了尺寸更小、導電效率更高的優勢，使得電機具備更高的轉矩密度和功率密度，提高電動汽車的續航里程和性能。針對電機轉速提升，扁線繞組需要進行分層和低集膚效應設計。扁線電機技術已經成熟，在電動乘用車領域也得到了廣泛應用，如理想、比亞迪等廠家都推出了應用扁線電機的車型。未來單款新能源環衛車型達到一定產量需求時，就可采用扁線電機技術。

3）油冷電機。油冷電機利用油冷系統對電機進行有效冷卻，相比于風冷系統或者水冷系統，油冷系統能夠更有效地將熱量散發出去，提高電機的散熱性能和工作效率。按照冷卻油與定子的接觸形式分為間接油冷和直接油冷兩種。油冷電機技術已較為成熟，在高性能電動汽車和電動賽車等領域得到了應用。這些領域對于電機的輸出功率和工作溫度要求較高，因此需要采用更強大的冷卻系統來保證電機的穩定工作。未來新能源環衛車如果對功率密度、扭矩密度有更高的要求，極有可能搭載油冷電機。

4.2 新能源環衛車電機市場前景和挑戰

從市場前景上看，新能源環衛車市場將逐步發展壯大，驅動電機市場也將迎來新的機遇。然而，技術創新、成本降低和安全性提升等問題仍然是新能源環衛車驅動電機發展的挑戰。2023年前三季度新能源專用汽車驅動電機配套數量前10名見表3[5]。

表3 2023年前三季度新能源專用汽車驅動電機配套排名表

5 結論與展望

未來，新能源環衛車驅動電機技術將繼續向高效化、輕量化、集成化和智能化方向發展。驅動電機的功率密度和系統效率將進一步提高，控制系統將更加智能化，能量回收等技術將更加成熟。電機配套廠家應繼續加大電機技術的研發投入，提高其系統效率和可靠性，減低成本。同時，還需加強對電機控制系統的研究，提高其精確化、智能化水平。此外，政府和企業應加大對新能源環衛車的政策支持和市場推廣力度，促進整個產業鏈的快速發展。