《Sustainability》：Investigating the Circularity Potential of Electric Vehicle Motors for Microgrid Applications in Sub-Saharan African
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电动汽车(EV)的采用正在全球范围内激增，每年有越来越多的电动汽车被购买。随着许多电动汽车达到其使用寿命(EoL)，牵引用电动汽车电机很可能仍处于可工作状态。因此，本文讨论了将退役(EoL)电动汽车电机重新利用于撒哈拉以南非洲(SSA)微电网应用的技术考量。循
电动汽车(EV)的采用正在全球范围内激增，每年有越来越多的电动汽车被购买。随着许多电动汽车达到其使用寿命(EoL)，牵引用电动汽车电机很可能仍处于可工作状态。因此，本文讨论了将退役(EoL)电动汽车电机重新利用于撒哈拉以南非洲(SSA)微电网应用的技术考量。循环经济(CE)方法有助于减少电动汽车电机生产对环境的影响，同时也能促进撒哈拉以南非洲地区的可再生能源发电，这些都紧密契合可持续发展目标(SDGs)7、12和13。首先，研究人员对电动汽车中常用的电机拓扑结构进行了重点介绍，并根据其特性进行了区分。随后概述了潜在的二次寿命微电网应用，其中离网风力发电被确定为特别适合重新利用的电机。研究人员讨论了适用的电气配置，之后使用有限元分析(FEA)模型评估了三种选定的电动汽车电机在风力涡轮机环境中的电磁性能。最后，讨论了这些电动汽车电机重新部署所面临的技术挑战，并为有效的项目实施提供了建议。
**1. 引言**
随着电动汽车(EV)年销量持续增长，其普及率不断攀升。尽管电动汽车的生产环节，特别是电池模块，通常被认为比传统内燃机汽车(ICEV)具有更高的环境影响，但预计其全生命周期影响将显著更低。循环经济(CE)作为一种可持续资源利用方法，涉及生态设计、再利用、修复、再制造及回收等过程。针对电动汽车动力总成中的电机和电力电子部件，已有循环经济相关研究，但主要障碍在于缺乏对电机详细信息的了解和状态评估。撒哈拉以南非洲(SSA)面临严重的能源贫困，农村电气化率仅约28%。分散式微电网安装被视为绕过集中式系统挑战的有效方案。本文旨在讨论将报废电动汽车的牵引电机重新利用于SSA微电网应用的技术层面，这与可持续发展目标(SDGs)7、12和13高度契合。
**2. 已确立的电动汽车电机拓扑结构**
**2.1. 代表性电动汽车车型**
特斯拉Model Y和3是迄今最畅销的车型，Model S则被视为旗舰车型。日产Leaf被视为首个全球商业成功的电动汽车品牌，其第一代和第二代车型已停产。宝马i3以其创新的碳纤维车身闻名，且已停产。大众ID.4在美国取得了一定的商业成功。第一代雪佛兰Bolt EV因续航和价格优势获得成功，但已停止生产。中国市场的五菱宏光Mini EV和比亚迪秦、宋系列也占据重要份额。此外，电动摩托车在非洲尤其东非地区正逐渐兴起，例如Roam公司。
**2.2. 相应电机**
**2.2.1. 永磁励磁电机**
永磁同步电机(PMSM)以高功率密度和高效率著称，其中内置式永磁同步电机(IPMSM)最为广泛使用，其永磁体嵌入转子铁芯内部，具有显著的磁阻转矩贡献。当磁阻转矩占主导时，则称为永磁辅助同步磁阻电机(PMaSynRM)。特斯拉Model Y、3、S，日产Leaf，雪佛兰Bolt，大众ID.4，五菱宏光Mini，比亚迪EV及Roam Air摩托车均采用IPMSM。
**2.2.2. 感应电机**
鼠笼式感应电机(SCIM)以其结构简单、成本低廉和可靠性高著称，但效率和功率因数通常低于永磁电机。旧版特斯拉Model S曾使用SCIM。在电动汽车的全轮驱动(AWD)版本中，SCIM常作为辅助电机，例如特斯拉Model Y和3的前桥以及大众ID.4。
**2.2.3. 绕线励磁同步电机**
绕线励磁同步电机(WFSM)，也称电励磁同步电机(EESM)，转子需通过滑环和电刷或无刷励磁机供电，这降低了可靠性或增加了复杂性。尽管其功率密度和效率低于PMSM，但成本更低且磁通调节能力更强。宝马i4、i5和iX系列等新款电动汽车使用了WFSM。
**3. 退役电动汽车电机在撒哈拉以南非洲的潜在微电网应用**
微电网被视作解决SSA地区能源获取问题的实用方案。虽然太阳能光伏(PV)发电在SSA新增微电网中占主导，但仅靠光伏无法保证供电可靠性，需要混合系统。退役电动汽车电机可作为混合微电网中的使能部件。全球范围内，旋转电机在微电网中用于发电、转换和稳定。
**3.1. 微型风力发电**
风能资源在SSA分布不均但在局部地区丰富，例如纳米比亚的南部海岸。退役电动汽车电机，特别是PMSM和PMaSynRM，在外部驱动时可高效发电，配合适当的电力电子设备可支持变速风力运行。机械传动或带传动可用于匹配风机转速。
**3.2. 微型水力发电系统**
微型和微微型水力发电系统是适合有水资源地区的可靠可再生能源。SCIM已在小型水电站中广泛用作发电机，而PMSM的高功率密度和效率也使其值得考虑。
**3.3. 机电储能与电网支撑**
飞轮储能系统依赖高速旋转电机进行快速的能量吸收和释放。电动汽车电机天生适用于高速运行和快速转矩响应，因此适合此类应用。WFSM可用于无功功率补偿。
**3.4. 电动汽车电机再利用趋势**
现有文献表明，在技术可行的情况下，延长电动汽车牵引电机的功能寿命优于直接回收。微型风力发电、微型水力发电和辅助电网支撑服务是验证二次寿命电动汽车电机在有前景的研究方向。
**4. 退役牵引电动汽车电机的控制策略与架构**
**4.1. 无源配置**
无源配置采用小型永磁发电机连接无源整流器，将产生的直流电用于电池充电，适用于直流微电网。若退役电机为SCIM，则需外部励磁或并联适当电容实现自励异步发电。
**4.2. 基于有源电力电子的配置**
有源方案涉及逆变器以提供交流电。可重新利用电动汽车的电力电子设备，包括车载充电器中的整流器和隔离型DC/DC变换器（通常为双有源桥拓扑），以及主牵引逆变器（通常为三相两电平电压源变换器）。典型的风力涡轮机系统需要背靠背变换器，而电动汽车电机驱动器可用作机侧变换器，电池作为直流母线电压控制器。
**5. 选定电机的评估**
**5.1. Roam Air电机**
该电机为IPMSM，采用M350-50A硅钢片和N35UH永磁体。FEA仿真表明，齿槽转矩可忽略。在1500转/分时，可产生约1.36千瓦功率，效率饱和于约96.5%，功率因数为0.92。
**5.2. 日产Leaf电机**
该IPMSM采用液冷，允许更高电流。在1500转/分时产生15.35千瓦功率，效率为96%，功率因数为0.96。转子分段斜极用于降低噪音和振动。
**5.3. 特斯拉Model S电机**
该SCIM采用铜条转子，连续电流额定值估计为最大值的四分之一。在1540转/分时产生约31千瓦功率，为三款电机中最高，但功率因数显著低于IPMSM，表明其自励发电时需要较大励磁电流。
**5.4. 评估电机总结**
三款电机在发电模式下，功率随转速线性上升，效率呈抛物线上升后饱和。
**6. 电动汽车电机可靠性评估**
**6.1. 电动汽车电机中的部件故障**
永磁体退磁是PMSM的常见故障，高温和电枢反应会加剧退磁。轴承故障占电机故障的很大比例，其诱因包括轴承电流。定子绕组绝缘退化可导致匝间短路，高电压和高频脉冲会加速绝缘老化。转子故障包括SCIM的断条和转子偏心。EESM的滑环和电刷存在可靠性问题。液冷系统部件的可靠性也需关注。
**6.2. 电机故障诊断**
故障检测物理量包括电流、电压、振动、磁通和温度。主要检测方法分为基于模型的方法（如卡尔曼滤波器）和基于人工智能(AI)或数据驱动的方法（如深度学习）。
**7. 牵引电动汽车电机在微型风力涡轮机中应用的技术障碍**
**7.1. 功率等级与性能特性**
电动汽车电机性能通常以峰值指标定义，其功率等级不能直接等同于风力应用中的连续发电能力。发电模式与电动模式性能存在差异，且发电机设计更关注电压和电流谐波失真。
**7.2. 电机转速**
电动汽车电机转速远高于微风电应用所需转速，需要机械传动装置，但多级齿轮箱成本高、故障率高，链传动和带传动更适合小型电机。
**7.3. 电压与电流**
牵引电机线电压受限于直流母线电压（约300V），导致电流较高。高电流对整流系统尺寸和元件选择有影响。
**7.4. 退役电机和电力电子设备状况**
电机缺乏状态信息是再利用的主要挑战，需通过FEA模型建立性能基线进行状态评估。专业重绕技术（如发卡绕组）在SSA尚不成熟。虽然EV电力电子器件在第一寿命中已有所退化，但微电网任务剖面相对温和，仍可预期有显著的第二寿命。
**7.5. 应用实施**
风力发电机的完整系统采购比单独部件更常见。商业逆变器及其控制策略可直接应用，但专有固件和通信协议构成障碍。冷却系统的功能性对连续运行至关重要。二手市场的存在可能导致退役电机价格升高，中国可能成为重要的退役电机来源地。
**7.6. SSA的社会文化因素与政策**
社区接受度、社区所有权和参与度对项目成功有积极作用。政治承诺和政策清晰度至关重要，但缺乏实施能力仍是主要障碍。资金获取是关键。一些SSA国家如南非、肯尼亚、卢旺达和埃塞俄比亚正在推动电动汽车普及，未来可能成为电机来源地。
**8. 结论**
将退役电动汽车牵引电机重新利用于SSA微电网应用是一种循环经济方法，与SDGs 7、12、13目标一致。微尺度离网风力发电是实际应用方向。IPMSM因高效率和高功率密度成为主导拓扑。部署策略通常涉及被动或主动整流输出为电池充电，再转换为交流电供家庭使用。功率电子设备和电池也可一并重复利用。实施中存在诸多挑战，包括状态评估、任务剖面差异和冷却系统保障等。
