超高功率密度電機驅動系統(tǒng)在電動汽車中的關鍵技術研究

本文聚焦于超高功率密度電機驅動系統(tǒng)的核心驅動力與技術路徑，探討如何通過提升輸出功率、下降體積與質量等手段，實現(xiàn)電機驅動系統(tǒng)功率密度的飛躍，以適應新能源電動汽車對高性能、小型化、輕量化的迫切需求。

開發(fā)超高功率密度電機驅動系統(tǒng)的核心驅動力在于：在相同體積或質量下，實現(xiàn)更大的輸出功率，從而增強超車加速能力和高速持續(xù)行駛能力，為駕駛者帶來卓越的動力性能和駕駛體驗；而在相同輸出功率下，其小型化、輕量化的設計使得在給定空間內能實現(xiàn)高性能，布置更加靈活，整車搭載性更佳，有利于平臺模塊化和四驅布置，特別適合原生電動底盤架構設計，同時材料用量更少，成本更低。

當前，行業(yè)對于功率密度的定義尚未統(tǒng)一。我們針對不同的指標定義，詳細闡明了計算方法，并深入分析了指標內涵，如表1所示。一般來說，電驅動系統(tǒng)以質量功率密度指標進行評價，電機本體以有效比功率指標進行評價，逆變器則以體積功率密度指標進行評價。對于乘用車動力系統(tǒng)，通常采用功率密度指標進行評價，而商用車動力系統(tǒng)則更傾向于使用扭矩密度指標。功率密度指標的評價需要在一定的前提條件下進行，與指標定義、評價對象、運行電壓、工作溫度及冷卻條件、持續(xù)時間、恒功率調速范圍等因素密切相關。在不同前提下，功率密度的量化指標差異巨大。由于缺乏統(tǒng)一標準，當前各公司在宣傳產品時，往往傾向于夸大指標以提高市場競爭力。為此，在國家《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》的編制過程當中，對電機有效比功率指標提出了規(guī)范定義：電機有效質量僅包括定轉子總成質量（含絕緣及凝固材料，不含軸、殼等）；峰值功率對應的持續(xù)時間為30秒；峰值功率定義為在基速至0.75倍最高工作轉速范圍內，持續(xù)30秒所能輸出的最大功率；電流等級折算為450安培；電壓等級折算為母線電壓400伏；測試環(huán)境為85攝氏度環(huán)境艙，65攝氏度冷卻液入口溫度。

基于上述理論分析，我們圍繞提高系統(tǒng)集成度和精益匹配設計、提高轉速和電壓、新型電機和電磁性能優(yōu)化設計、新型功率電子和控制技術、材料和工藝創(chuàng)新升級等方面，通過提高峰值輸出功率、下降體積和質量、改善熱設計和熱管理三條技術路徑，致力于實現(xiàn)電機驅動系統(tǒng)功率密度的提升。技術框架如圖1所示。

2.1 提高輸出功率

2.1.1 電磁性能精益設計

永磁同步電機相較于其他類型電機，兼具功率密度和效率優(yōu)勢，非常適用于電動汽車牽引驅動。在假設主磁通相同的情況下，永磁轉矩也相同。采用內置式結構的永磁同步電機，可以利用新增的磁阻轉矩進一步提高總轉矩輸出能力。表貼式結構的永磁同步電機轉矩僅由永磁轉矩構成（見式1），而內置式結構的永磁同步電機轉矩則由永磁轉矩和磁阻轉矩兩部分構成（見式2）。基于整車實際工況，通過精細化設計電磁結構、合理分配電磁負荷，以及調節(jié)電機極對數(shù)、永磁磁鏈、直軸電感、交軸電感、相電阻等參數(shù)，可以獲得理想的功率輸出特性。

2.1.2 電機高速化設計

根據(jù)電機設計公式（見式3），在同等功率前提下，轉速越高，轉矩越小，電機尺寸（D2L）越小，材料用量越低，成本也越低，從而達到更高的比功率。電機高速化的關鍵技術在于：為控制穩(wěn)定，需要更高的控制頻率和算力，要求主控芯片的硬件執(zhí)行速度更快，軟件功能設計更優(yōu)；高速化造成電機反電動勢增加，需提高器件耐壓，并設計系統(tǒng)保護功能（如主動短路等），以提高系統(tǒng)安全性；高速電機運行頻率提高，需采用超薄硅鋼片和磁鋼分段設計等抑制鐵損；高速電機需采用高強度轉子電磁結構、高速軸承、高強度硅鋼等設計來實現(xiàn)。

2.1.3 新型多相電機設計

多相電機是指供電相數(shù)大于3的電機。在同等母線供電電壓下，多相電機能提升電流輸出能力，進而提升功率輸出能力，特別適用于供電電壓受限而功率需求較大的應用場景。通過增加相數(shù)，電機輸入轉矩脈動減小，NVH特性得到改善，同時可以避免兩電平逆變器中存在的動態(tài)和靜態(tài)均壓等問題，提高電驅系統(tǒng)可靠性。多相電機相較于傳統(tǒng)三相電機的優(yōu)勢在于轉矩脈動小、轉矩密度大、可實現(xiàn)低壓大功率、容錯可靠性高等。

2.1.4 新型軸向磁通電機設計

軸向磁通電機又稱盤式電機，其氣隙成扁平狀，勵磁磁場方向與電機軸平行。與普通徑向電機相比，軸向磁通電機轉子具備更大的直徑。由轉矩公式可知，在相同的力下，轉子直徑增加可以獲得更大的轉矩，也意味著在永磁體材料與銅線材料相同的情況下，軸向磁通電機具備更強的轉矩輸出能力。通常，新型軸向電機結構較傳統(tǒng)徑向電機結構可以帶來30%的轉矩能力提升。軸向磁通電機由于其結構特性，具備軸向結構緊湊、外形呈扁平狀、體積小、功率密度高的特色。近年來，經(jīng)過行業(yè)內的不斷改進和完善，已逐漸適用于新能源電動汽車。

2.1.5 電壓矢量過調制控制

與基于電流矢量的扭矩控制方法相比，電壓矢量控制無需預留電壓閉環(huán)調節(jié)器的裕量，具有天然的弱磁能力。在相同的母線電壓下，電壓矢量控制可以實現(xiàn)更深的弱磁深度，充分挖掘電機的最大輸出能力。各電壓矢量控制方案比較如表2所示。通過過調制PWM策略將SVPWM的運行范圍擴展至六邊形區(qū)域（如圖6所示），結合電壓矢量控制方法，可以將直流母線電壓的利用率由1提升至1.15。在維持母線電壓不變的情況下，電機系統(tǒng)的輸出轉矩和功率可以得到較大提升。

2.1.6 新一代功率模塊開發(fā)

（1）新型功率器件開發(fā)

最新一代車規(guī)級Si基逆導IGBT技術與傳統(tǒng)Si基IGBT技術相比，具備小型化、低成本、高功率密度、高可靠性的特色。通過提高模塊工作結溫、適度升壓、芯片集成溫度和電流傳感器、逆導芯片等技術手段，可以提高器件的功率密度，下降模塊體積及成本。下一代SiC基MOSFET芯片具有諸多技術優(yōu)勢，如高禁帶寬度、高電場強度、高電子飽和速率、高導熱系數(shù)、高熔點以及單極性器件特性等。然而，目前SiC基MOSFET芯片尚未廣泛推廣的原因在于生產工藝不成熟、周期長、良品率低、成本較高，以及控制頻率高、誤導通率高、電磁干擾和絕緣技術難題多等。

（2）新型大功率模塊封裝技術

未來功率模塊的發(fā)展趨勢是尋求更高的芯片結溫、更高的散熱效率和可靠性、更低的寄生電感，以及趨于小型化、集成化的模塊結構等。當前新型大功率模塊封裝技術的研究重點主要集中在互連、貼裝、散熱及模塊結構等方面。

2.1.7 功率模塊并聯(lián)驅動技術

提升功率模塊功率輸出等級的方法有三種：①直接選取更大功率等級器件；②采用低功率等級器件串聯(lián)提高電壓等級；③通過低功率等級器件并聯(lián)提高電流等級。在電動汽車應用中，由于電壓平臺普遍不高，因此多采用功率模塊并聯(lián)方法來提升電流輸出能力，進而提升功率輸出能力。功率模塊并聯(lián)驅動一般受并聯(lián)IGBT參數(shù)差異性、驅動電路一致性、主電路布局及散熱不均衡等因素影響。通常挑選具有正溫度關系特性的IGBT模塊進行并聯(lián)驅動，因為溫度越高，VCE越高，電流不均會被自動調整；溫度升高時，電流Ic會減小，適合并聯(lián)。特斯拉Model 3是業(yè)界知名的功率器件并聯(lián)驅動量產案例，其采用了ST定制的SiC分立器件四并聯(lián)結構，并通過銅基板實現(xiàn)散熱、貼殼水冷。

2.1.8 升壓調壓技術

在動力電池和逆變電路之間增加三相全橋逆變器級聯(lián)升壓器，升壓逆變器可根據(jù)負載實時調整直流端工作電壓，提高電驅系統(tǒng)輸出功率。通過高壓化下降電流及損耗，實現(xiàn)輕量化、低成本。升壓器調壓技術使得對效率和功率的追求得以兼顧。當然，直接采用高壓電池供電，配合高壓電機設計，同樣能顯著提升功率輸出能力。電驅系統(tǒng)電壓發(fā)展趨勢如圖10所示。

2.1.9 采用高性能電工材料

為滿足新能源汽車對高扭矩密度和高功率密度的要求，在電機設計時應挑選矯頑力、剩余磁通密度和最大磁能積較大的永磁材料，同時還應考慮高功率密度溫升問題，充分考慮其耐溫性。硅鋼應選用高導磁、低損耗的薄片材料，因為功率密度電機轉速高、供電頻率高，鐵損是主要損耗來源。導線應挑選更高耐熱等級（240攝氏度以上）的漆包線，或者挑選更低損耗的導線。目前，漆包線最高耐溫是220攝氏度，比較稀缺，而日立可以做到240攝氏度。特斯拉則采用了鑄銅材料感應電機轉子，考慮到電動汽車用驅動電機采用變頻器供電，其采用了紫銅導條，可以滿足對電機起動性能的要求，同時保證電機有較高的效率。

2.2 下降體積和質量

2.2.1 集成化設計

（1）結構集成

車用電機的布置形式和耦合方式多種多樣，可以根據(jù)不同構型進行集成設計。例如，可以與發(fā)動機、離合器、變速器、傳動軸、驅動橋、輪轂等系統(tǒng)級集成；市場上的EV電驅總成按照電機軸與減速器輸出軸的布置形式區(qū)分，可分為平行軸和同軸集成結構；按照逆變器的布置位置分，可分為軸向逆變器和徑向逆變器集成結構。零部件層級的集成動態(tài)包括金屬嵌件一體化、埋嵌元件PCBA技術、門極驅動芯片組集成、傳感器定制開發(fā)等。表4列出了常用的電驅動集成設計方案。

（2）功能集成方面，可以共用控制芯片（域控制器）、共用功率器件拓撲（充電機與電機控制器集成）。

在新能源汽車或電力電子系統(tǒng)中，功能集成是一個重要的發(fā)展趨勢。通過共用控制芯片，即域控制器，可以實現(xiàn)多個功能的集中管理和控制，從而簡化系統(tǒng)結構，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性。同時，共用功率器件拓撲也是一種有效的集成方式，比如將充電機與電機控制器集成在一起。

充電機與電機控制器的集成，可以充分利用兩者的功率器件和電路拓撲的相似性，實現(xiàn)硬件資源的共享。這種集成不僅可以減少系統(tǒng)的體積和重量，還可以下降系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的整體效率。同時，由于充電機和電機控制器在功能上具有一定的互補性，集成后的系統(tǒng)還可以實現(xiàn)更靈活的控制策略，提高系統(tǒng)的性能和適應性。

因此，在功能集成方面，通過共用控制芯片和功率器件拓撲，可以實現(xiàn)新能源汽車或電力電子系統(tǒng)的高效、可靠和靈活運行。

來源：網(wǎng)絡

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