新能源汽車電機驅動系統(tǒng)關鍵技術展望

摘要：本文探討了新能源汽車電機驅動系統(tǒng)的關鍵技術及發(fā)展趨勢，包括驅動控制器中的功率半導體器件及封裝、智能門極驅動、基于器件的系統(tǒng)集成設計，以及驅動電機中的扁銅線、多相永磁電機、永磁同步磁阻電機等關鍵技術。其中，著重介紹了當前車用電機驅動技術的發(fā)展趨勢，并指出永磁同步電機在未來10年內將依然是新能源汽車市場的主流驅動電機。同時，通過橫向比較指出當前我國在驅動電機發(fā)展道路上所面臨的關鍵問題，可以為我國未來新能源汽車技術發(fā)展提供一定參考。

關鍵詞：新能源汽車;電機驅動系統(tǒng);永磁同步電機

1、前言

隨著人們生活水平的提高，汽車逐漸走進千家萬戶，但是環(huán)境污染問題也隨之加重。發(fā)展的問題只能靠發(fā)展來解決。汽車尾氣是影響空氣質量的重要因素，為了緩解能源緊缺，減少環(huán)境污染，新能源汽車應運而生。但是新能源汽車發(fā)展受到技術的掣肘，新能源汽車電機驅動系統(tǒng)控制技術作為新能源機車發(fā)展的關鍵技術，尚未成熟，仍需繼續(xù)探索和優(yōu)化。

2、新能源汽車技術的發(fā)展前景

2.1新能源汽車質量發(fā)展

未來，新能源汽車技術必然會向環(huán)保方向逐漸演變和深化，于是減少能耗就要求減少小汽車本身的質量。有研究數據顯示，內燃機汽車減少10%的汽車質量就能減少燃油消耗量的7%，這也決定了新能源汽車將向輕量化發(fā)展，以提高新能源汽車續(xù)航能力與動力性。新能源汽車輕量化發(fā)展指的是汽車的車身設計，此外還有電池、傳動設備等，今后的汽車制造還需使用更多新型的輕質材料，如鋁合金、高性能鋼、其他復合材料，而相關企業(yè)也要從新能源汽車結構上進行改進，確保輕量化的基礎上保障汽車結構的完整和性能強度提升，進而提高新能源汽車生產率，使其受到更多消費者的青睞。

2.2新能源汽車電池發(fā)展

電池是新能源汽車的核心，其產生的動力均依靠電池，對電池的制造要注重工藝與成本的結合。實際上，不少電池制造企業(yè)在工藝與成本的新能源電池提供上存在較大的差異，且面臨的市場競爭非常大。比如鋰電池體積小、污染小、使用壽命更長、安全性更高，因此具備更多的應用優(yōu)勢。而在相關報告中指出動力鋰電池市場規(guī)模在一年后將超過200億美元，其年增長用量也高達50%。除此以外，超級電容也是一種較為特殊的電極結構，它能使電極表面積以指數形式增加，大幅度提高超級電容的電容量。

3、新能源汽車電機驅動系統(tǒng)的控制

3.1電機選擇原則

高性價比的電機機型必須要同時滿足研發(fā)人員的多項要求，這樣才能適用和可靠。（1）電機機型必須要自重小、體積小、動力充足。這樣才能更好的滿足電動汽車用戶的視覺體驗和駕駛體驗。（2）電動機的功率大、轉速高、動力足。只有動力充足，才能夠保證電動汽車能夠適合各種路況的行駛，多個生活場景自由切換的駕駛需求。（3）電動機的磁輻射要符合環(huán)保要求，也就是說，在電動機的機型選擇上，要更傾向于選擇磁輻射低的機型。（4）必須要降低成本，選擇質優(yōu)價廉的電動機產品。電動機是電動汽車的發(fā)動機，是電動汽車上最重要的部件，節(jié)約了電動機的成本，才能夠使電動汽車的總體成本降低，更利于推廣。

3.2電機驅動控制器

電磁驅動器是實現新能源汽車電機驅動系統(tǒng)控制的核心部分。目前電機的驅動控制器都是通過永磁同步電動機的轉速調節(jié)來實現的。將永磁同步電動機中通入正弦電流，相互之間保持120度夾角的定子三相繞組將會在氣隙中形成不斷旋轉的磁場;轉子是稀土永磁體，能夠形成固定在轉子位置的正弦磁場，同步旋轉軸系與轉子旋轉軸系重合，由定子磁場帶動轉子磁場旋轉，樣便能夠實現解耦控制。

4、驅動控制器關鍵技術

電機驅動控制器作為新能源汽車中連接電池與電機的電能轉換單元，是電機驅動及控制系統(tǒng)的核心。其中高性能功率半導體器件、智能門極驅動技術以及器件級集成設計方法的應用，將有助于實現高功率密度、低損耗、高效率電機控制器設計;同時，高性能、高可靠電機控制器產品，還要求具有高標準電磁兼容性（EMC）、功能安全和可靠性設計。

4.1功率半導體器件技術

電機控制器的發(fā)展以功率半導體器件為主線，正從硅基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、傳統(tǒng)單面冷卻封裝技術，向寬禁帶半導體（如SiC、GaN等）、定制化模塊封裝、雙面冷卻集成等方向發(fā)展。同時，得益于成熟的技術迭代，以及相比于寬禁帶半導體器件更低的成本，硅基IGBT仍然是當前與未來較長時間內電機控制器產品的主要選擇。

4.2智能門極驅動技術

門極驅動技術是電機控制器中高壓功率半導體器件和低壓控制電路的紐帶，是驅動功率半導體器件的關鍵。IGBT門極驅動除具有基本的隔離、驅動和保護功能外，還需結合IGBT自身特性，精確地控制開通和關斷過程，使IGBT在損耗和電磁干擾（EMI）之間取得最佳的折衷。

5、驅動控制器關鍵技術的展望

新能源成型較之于傳統(tǒng)能源驅動的車型，更符合時代發(fā)展要求。新能源汽車推廣的環(huán)保理念，在市場上更具競爭力。電機驅動技術最為電動汽車的核心技術，應當加大力度研發(fā)和實驗，更好的滿足用戶的多種需求，例如：小型化需求、高動能需求、價格適中的需求等。另外，EMC與可靠性設計也是實現新能源汽車電機控制器產業(yè)化的關鍵技術。EMC與可靠性設計是評價電力電子產品的關鍵指標。進行更有效的EMC設計是業(yè)內一直在追尋的目標。其中，基于有限元分析的方法建立“元件–部件–控制器”的EMC高頻仿真模型，研究失效機理，并結合試驗驗證，最終實現電磁兼容的正向設計，將逐漸成為主流的技術路線。

6、結語

隨著“一帶一路”建設的不斷推進，在全面落實可持續(xù)發(fā)展理念的前提下，國家政府大力支持新能源汽車發(fā)展，新能源汽車成為機動車交易市場的主流趨勢，并憑借其經濟性、節(jié)能性與環(huán)保性特征受到公眾的推崇。新能源汽車的電機驅動系統(tǒng)控制技術是新能源汽車的動力系統(tǒng)，是實現用新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源驅動汽車的關鍵。大力發(fā)展電機驅動技術，是汽車行業(yè)未來一段時間的重中之重，掌握了這項技術，能夠占領更多的市場份額，能夠獲得更好的經濟效益。

參考文獻：

[1] 溫旭輝，寧圃奇，孟金磊，等.車用大功率電力電子器件研究進展[J].科技導報，2016，34（6）：69–73.WenXH，NingPQ，MengJL，etal.Researchprogressofhighpowerelectronicdevicesforvehicles[J].Science&TechnologyReview，2016，34（6）：69–73.

[2] 焦明亮，李云，朱世武，等.IGBT門極驅動技術現狀和發(fā)展趨勢[J].大功率變流技術，2015（2）：18–23.JiaoML，LiY，ZhuSW，etal.StatusandtrendofIGBTgatedrivetechnology[J].HighPowerConverterTechnology，2015（2）：18–23.

[3] 李政.電動汽車電機驅動控制系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學，2018.

[4] 吳琦.新能源汽車電機驅動控制系統(tǒng)的研究[D].錦州：遼寧工業(yè)大學，2017.

作者簡介：

趙夕東，男，安徽工業(yè)大學工商學院在校本科大學生。

（作者單位：安徽工業(yè)大學工商學院）