超高功率密度電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)中的關(guān)鍵技術(shù)研究

本文聚焦于超高功率密度電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)力與技術(shù)路徑，探討如何通過(guò)提升輸出功率、下降體積與質(zhì)量等手段，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率密度的飛躍，以適應(yīng)新能源電動(dòng)汽車(chē)對(duì)高性能、小型化、輕量化的迫切需求。

開(kāi)發(fā)超高功率密度電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)力在于：在相同體積或質(zhì)量下，實(shí)現(xiàn)更大的輸出功率，從而增強(qiáng)超車(chē)加速能力和高速持續(xù)行駛能力，為駕駛者帶來(lái)卓越的動(dòng)力性能和駕駛體驗(yàn)；而在相同輸出功率下，其小型化、輕量化的設(shè)計(jì)使得在給定空間內(nèi)能實(shí)現(xiàn)高性能，布置更加靈活，整車(chē)搭載性更佳，有利于平臺(tái)模塊化和四驅(qū)布置，特別適合原生電動(dòng)底盤(pán)架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)材料用量更少，成本更低。

當(dāng)前，行業(yè)對(duì)于功率密度的定義尚未統(tǒng)一。我們針對(duì)不同的指標(biāo)定義，詳細(xì)闡明了計(jì)算方法，并深入分析了指標(biāo)內(nèi)涵，如表1所示。一般來(lái)說(shuō)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以質(zhì)量功率密度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，電機(jī)本體以有效比功率指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，逆變器則以體積功率密度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于乘用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)，通常采用功率密度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，而商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)則更傾向于使用扭矩密度指標(biāo)。功率密度指標(biāo)的評(píng)價(jià)需要在一定的前提條件下進(jìn)行，與指標(biāo)定義、評(píng)價(jià)對(duì)象、運(yùn)行電壓、工作溫度及冷卻條件、持續(xù)時(shí)間、恒功率調(diào)速范圍等因素密切相關(guān)。在不同前提下，功率密度的量化指標(biāo)差異巨大。由于缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前各公司在宣傳產(chǎn)品時(shí)，往往傾向于夸大指標(biāo)以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為此，在國(guó)家《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0》的編制過(guò)程當(dāng)中，對(duì)電機(jī)有效比功率指標(biāo)提出了規(guī)范定義：電機(jī)有效質(zhì)量?jī)H包括定轉(zhuǎn)子總成質(zhì)量（含絕緣及凝固材料，不含軸、殼等）；峰值功率對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間為30秒；峰值功率定義為在基速至0.75倍最高工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，持續(xù)30秒所能輸出的最大功率；電流等級(jí)折算為450安培；電壓等級(jí)折算為母線電壓400伏；測(cè)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(shè)計(jì)、提高轉(zhuǎn)速和電壓、新型電機(jī)和電磁性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、新型功率電子和控制技術(shù)、材料和工藝創(chuàng)新升級(jí)等方面，通過(guò)提高峰值輸出功率、下降體積和質(zhì)量、改善熱設(shè)計(jì)和熱管理三條技術(shù)路徑，致力于實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率密度的提升。技術(shù)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(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)相較于其他類型電機(jī)，兼具功率密度和效率優(yōu)勢(shì)，非常適用于電動(dòng)汽車(chē)牽引驅(qū)動(dòng)。在假設(shè)主磁通相同的情況下，永磁轉(zhuǎn)矩也相同。采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)，可以利用新增的磁阻轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步提高總轉(zhuǎn)矩輸出能力。表貼式結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩僅由永磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成（見(jiàn)式1），而內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩則由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分構(gòu)成（見(jiàn)式2）。基于整車(chē)實(shí)際工況，通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)電磁結(jié)構(gòu)、合理分配電磁負(fù)荷，以及調(diào)節(jié)電機(jī)極對(duì)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(jī)高速化設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)公式（見(jiàn)式3），在同等功率前提下，轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)矩越小，電機(jī)尺寸（D2L）越小，材料用量越低，成本也越低，從而達(dá)到更高的比功率。電機(jī)高速化的關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計(jì)更優(yōu)；高速化造成電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)增加，需提高器件耐壓，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)保護(hù)功能（如主動(dòng)短路等），以提高系統(tǒng)安全性；高速電機(jī)運(yùn)行頻率提高，需采用超薄硅鋼片和磁鋼分段設(shè)計(jì)等抑制鐵損；高速電機(jī)需采用高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子電磁結(jié)構(gòu)、高速軸承、高強(qiáng)度硅鋼等設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1.3 新型多相電機(jī)設(shè)計(jì)

多相電機(jī)是指供電相數(shù)大于3的電機(jī)。在同等母線供電電壓下，多相電機(jī)能提升電流輸出能力，進(jìn)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(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)增加相數(shù)，電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，NVH特性得到改善，同時(shí)可以避免兩電平逆變器中存在的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓等問(wèn)題，提高電驅(qū)系統(tǒng)可靠性。多相電機(jī)相較于傳統(tǒng)三相電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩密度大、可實(shí)現(xiàn)低壓大功率、容錯(cuò)可靠性高等。

2.1.4 新型軸向磁通電機(jī)設(shè)計(jì)

軸向磁通電機(jī)又稱盤(pán)式電機(jī)，其氣隙成扁平狀，勵(lì)磁磁場(chǎng)方向與電機(jī)軸平行。與普通徑向電機(jī)相比，軸向磁通電機(jī)轉(zhuǎn)子具備更大的直徑。由轉(zhuǎn)矩公式可知，在相同的力下，轉(zhuǎn)子直徑增加可以獲得更大的轉(zhuǎn)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(jī)具備更強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。通常，新型軸向電機(jī)結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)徑向電機(jī)結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)30%的轉(zhuǎn)矩能力提升。軸向磁通電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)特性，具備軸向結(jié)構(gòu)緊湊、外形呈扁平狀、體積小、功率密度高的特色。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)行業(yè)內(nèi)的不斷改進(jìn)和完善，已逐漸適用于新能源電動(dòng)汽車(chē)。

2.1.5 電壓矢量過(guò)調(diào)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(wú)需預(yù)留電壓閉環(huán)調(diào)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(shí)現(xiàn)更深的弱磁深度，充分挖掘電機(jī)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(guò)過(guò)調(diào)制PWM策略將SVPWM的運(yùn)行范圍擴(kuò)展至六邊形區(qū)域（如圖6所示），結(jié)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(jī)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率可以得到較大提升。

2.1.6 新一代功率模塊開(kāi)發(fā)

（1）新型功率器件開(kāi)發(fā)

最新一代車(chē)規(guī)級(jí)Si基逆導(dǎo)IGBT技術(shù)與傳統(tǒng)Si基IGBT技術(shù)相比，具備小型化、低成本、高功率密度、高可靠性的特色。通過(guò)提高模塊工作結(jié)溫、適度升壓、芯片集成溫度和電流傳感器、逆導(dǎo)芯片等技術(shù)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(shù)優(yōu)勢(shì)，如高禁帶寬度、高電場(chǎng)強(qiáng)度、高電子飽和速率、高導(dǎo)熱系數(shù)、高熔點(diǎn)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(chǎn)工藝不成熟、周期長(zhǎng)、良品率低、成本較高，以及控制頻率高、誤導(dǎo)通率高、電磁干擾和絕緣技術(shù)難題多等。

（2）新型大功率模塊封裝技術(shù)

未來(lái)功率模塊的發(fā)展趨勢(shì)是尋求更高的芯片結(jié)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(jié)構(gòu)等。當(dāng)前新型大功率模塊封裝技術(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在互連、貼裝、散熱及模塊結(jié)構(gòu)等方面。

2.1.7 功率模塊并聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

提升功率模塊功率輸出等級(jí)的方法有三種：①直接選取更大功率等級(jí)器件；②采用低功率等級(jí)器件串聯(lián)提高電壓等級(jí)；③通過(guò)低功率等級(jí)器件并聯(lián)提高電流等級(jí)。在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中，由于電壓平臺(tái)普遍不高，因此多采用功率模塊并聯(lián)方法來(lái)提升電流輸出能力，進(jìn)而提升功率輸出能力。功率模塊并聯(lián)驅(qū)動(dòng)一般受并聯(lián)IGBT參數(shù)差異性、驅(qū)動(dòng)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(guān)系特性的IGBT模塊進(jìn)行并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)闇囟仍礁?，VCE越高，電流不均會(huì)被自動(dòng)調(diào)整；溫度升高時(shí)，電流Ic會(huì)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(qū)動(dòng)量產(chǎn)案例，其采用了ST定制的SiC分立器件四并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)銅基板實(shí)現(xiàn)散熱、貼殼水冷。

2.1.8 升壓調(diào)壓技術(shù)

在動(dòng)力電池和逆變電路之間增加三相全橋逆變器級(jí)聯(lián)升壓器，升壓逆變器可根據(jù)負(fù)載實(shí)時(shí)調(diào)整直流端工作電壓，提高電驅(qū)系統(tǒng)輸出功率。通過(guò)高壓化下降電流及損耗，實(shí)現(xiàn)輕量化、低成本。升壓器調(diào)壓技術(shù)使得對(duì)效率和功率的追求得以兼顧。當(dāng)然，直接采用高壓電池供電，配合高壓電機(jī)設(shè)計(jì)，同樣能顯著提升功率輸出能力。電驅(qū)系統(tǒng)電壓發(fā)展趨勢(shì)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(chē)對(duì)高扭矩密度和高功率密度的要求，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shí)還應(yīng)考慮高功率密度溫升問(wèn)題，充分考慮其耐溫性。硅鋼應(yīng)選用高導(dǎo)磁、低損耗的薄片材料，因?yàn)楣β拭芏入姍C(jī)轉(zhuǎn)速高、供電頻率高，鐵損是主要損耗來(lái)源。導(dǎo)線應(yīng)挑選更高耐熱等級(jí)（240攝氏度以上）的漆包線，或者挑選更低損耗的導(dǎo)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(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子，考慮到電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻器供電，其采用了紫銅導(dǎo)條，可以滿足對(duì)電機(jī)起動(dòng)性能的要求，同時(shí)保證電機(jī)有較高的效率。

2.2 下降體積和質(zhì)量

2.2.1 集成化設(shè)計(jì)

（1）結(jié)構(gòu)集成

車(chē)用電機(jī)的布置形式和耦合方式多種多樣，可以根據(jù)不同構(gòu)型進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。例如，可以與發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋、輪轂等系統(tǒng)級(jí)集成；市場(chǎng)上的EV電驅(qū)總成按照電機(jī)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(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)。零部件層級(jí)的集成動(dòng)態(tài)包括金屬嵌件一體化、埋嵌元件PCBA技術(shù)、門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片組集成、傳感器定制開(kāi)發(fā)等。表4列出了常用的電驅(qū)動(dòng)集成設(shè)計(jì)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?fù)洌ǔ潆姍C(jī)與電機(jī)控制器集成）。

在新能源汽車(chē)或電力電子系統(tǒng)中，功能集成是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)共用控制芯片，即域控制器，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能的集中管理和控制，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。同時(shí)，共用功率器件拓?fù)湟彩且环N有效的集成方式，比如將充電機(jī)與電機(jī)控制器集成在一起。

充電機(jī)與電機(jī)控制器的集成，可以充分利用兩者的功率器件和電路拓?fù)涞南嗨菩裕瑢?shí)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(shí)，由于充電機(jī)和電機(jī)控制器在功能上具有一定的互補(bǔ)性，集成后的系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)更靈活的控制策略，提高系統(tǒng)的性能和適應(yīng)性。

因此，在功能集成方面，通過(guò)共用控制芯片和功率器件拓?fù)?，可以?shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)或電力電子系統(tǒng)的高效、可靠和靈活運(yùn)行。

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

|人工智能|視覺(jué)算法|大數(shù)據(jù)|充電樁|儲(chǔ)能系統(tǒng)集成|智慧充電運(yùn)營(yíng)平臺(tái)| |新能源電動(dòng)汽車(chē)||新能源||智慧信息化系統(tǒng)|解決方案|運(yùn)營(yíng)平臺(tái)建設(shè)|

華遠(yuǎn)系統(tǒng)是致力于人工智能（AI算法以及流媒體技術(shù)），信息軟件技術(shù)，新能源、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的集成商，在智慧社區(qū)，智慧園區(qū)，智慧停車(chē)，充電樁（儲(chǔ)能充電站/光儲(chǔ)充）及充電樁軟件管理平臺(tái)，儲(chǔ)能系統(tǒng)集成，車(chē)聯(lián)網(wǎng)有整套解決方案以及成功的項(xiàng)目案例。

說(shuō)明：本文章所引用的資料均通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等公開(kāi)渠道合法獲取，僅作為行業(yè)交流和學(xué)習(xí)使用，并無(wú)任何商業(yè)目的。其版權(quán)歸原資料作者或出版社所有，小編不對(duì)所涉及的版權(quán)問(wèn)題承擔(dān)任何法律責(zé)任。若版權(quán)方、出版社認(rèn)為本文章侵權(quán)，請(qǐng)立即聯(lián)系小編刪除。