新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望研究

高超

摘要：近年來，我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求越來越多，本文主要討論了新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，例如功率半導(dǎo)體器件和驅(qū)動(dòng)控制器封裝、智能門極驅(qū)動(dòng)器、基于設(shè)備的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，扁平銅線等。通過分析當(dāng)前汽車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，指出永磁同步電動(dòng)機(jī)將在未來十年內(nèi)繼續(xù)成為新能源汽車市場(chǎng)上的主流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

Abstract： In recent years， my country's economy and technology have developed rapidly， and there is an increasing demand for new energy vehicle motor drive systems. This article mainly discusses the key technologies of new energy vehicle motor drive systems， such as power semiconductor devices and drive controller packaging， intelligence Gate driver， device-based system integration design， flat copper wire， etc. By analyzing the current development trend of automobile motor drive technology， it is pointed out that permanent magnet synchronous motor will continue to become the mainstream drive motor in the new energy automobile market in the next ten years.

關(guān)鍵詞：新能源;汽車;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);安全性;效率

Key words： new energy;automobile;drive system;safety;efficiency

中圖分類號(hào)：U471.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0209-02

0? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)新能源企業(yè)的需求也變得越來越多，因此，開展新能源汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究是十分必要的。開發(fā)基于電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高效新能源汽車對(duì)我國能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。同時(shí)，我國的汽車內(nèi)燃機(jī)技術(shù)與西方發(fā)達(dá)國家的領(lǐng)先制造商之間仍然存在很大差距，并且在接下來的十年中很難追上。鑒于我國目前的電動(dòng)技術(shù)與整個(gè)西方發(fā)達(dá)國家之間的差距很小，基于電動(dòng)技術(shù)的新能源汽車的積極發(fā)展歸功于中國汽車企業(yè)追趕西方的發(fā)展路徑，這將是一個(gè)重要的機(jī)遇與汽車公司達(dá)成彎道超車的目的。對(duì)于新能源汽車、電池技術(shù)、電動(dòng)機(jī)技術(shù)和電動(dòng)機(jī)控制器技術(shù)被稱為新能源汽車的三大電氣技術(shù)。

1? 驅(qū)動(dòng)控制器關(guān)鍵技術(shù)

1.1 功率半導(dǎo)體器件技術(shù)? 高性能功率半導(dǎo)體器件、智能柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)和設(shè)備級(jí)集成設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)高功率密度，低損耗和高效率的電機(jī)控制器設(shè)計(jì)。 同時(shí)，高性能和可靠的電機(jī)控制器產(chǎn)品要求很高的水平的電磁兼容性（EMC）功能安全性和可靠性設(shè)計(jì)。功率半導(dǎo)體器件技術(shù)電機(jī)控制器的開發(fā)基于功率半導(dǎo)體器件，從基于硅的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)的單側(cè)晶體管。

1.2 硅基門極IGBT門極芯片技術(shù)? 由于技術(shù)的成熟迭代以及與寬帶隙半導(dǎo)體器件相比的低成本，基于硅的IGBT一直并將繼續(xù)成為電機(jī)控制器產(chǎn)品的主要選擇。英飛凌科技已開發(fā)出EDT2芯片技術(shù)，基于硅IGBT芯片技術(shù)的新能源汽車市場(chǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了750V柵極/ 270A柵極IGBT柵極芯片的批量生產(chǎn)，以滿足對(duì)高功率密度的需求。日本富士通集團(tuán)等制造商也在開發(fā)該產(chǎn)品，并且高功率密度IGBT芯片技術(shù)也逐漸被廣泛應(yīng)用。柵極和飽和電子漂移速率的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)的溫度容限可以超過225°C。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前基于硅的IGBT的最大應(yīng)用結(jié)溫度175°C。柵極SiC器件具有很高的開關(guān)速度，可以應(yīng)用于更高的開關(guān)頻率，并且適合于高速電機(jī)控制[1]。

1.3 智能門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)? 除了IGBT門極驅(qū)動(dòng)器的基本隔離、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能外，還需要結(jié)合IGBT本身的特性來精確控制導(dǎo)通和關(guān)斷過程，以使IGBT達(dá)到最佳平衡。智能門驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)主要功能是主動(dòng)門控制以及監(jiān)視和診斷?；舅枷胧菍GBT的導(dǎo)通和關(guān)斷過程分為幾個(gè)不同的階段。對(duì)于某些問題，僅需要單獨(dú)選通相應(yīng)的階段。監(jiān)管對(duì)其他參數(shù)幾乎沒有負(fù)面影響?？傊?，智能門極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用程序可以幫助用戶充分利用功率半導(dǎo)體器件的性能，例如減少損耗和提高電壓利用率，以在線評(píng)估功率半導(dǎo)體器件的健康狀況。電機(jī)控制器具有安全性高、靈活性和可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[2]。

1.4 功率元件的集成設(shè)計(jì)? 為了滿足作為世界領(lǐng)先的電機(jī)控制器產(chǎn)品要求，新能源汽車具有高輸出密度、長(zhǎng)壽命和高可靠性的特點(diǎn)。功率元件在使用的過程中，由于電子的影響，經(jīng)常會(huì)發(fā)生一定的熱量，如果熱量沒有及時(shí)的排除，會(huì)在很大程度上影響信新能源電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率元件的效率和穩(wěn)定性，但是性能較好的原材料，雖然其散熱性能也較好，但是其價(jià)格也相對(duì)較高，因此，功率元件的設(shè)計(jì)需要注重在散熱、機(jī)械強(qiáng)度、價(jià)格等諸多影響之間的平衡，并研究如何在電動(dòng)機(jī)的各個(gè)組件之間集成物理結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化物理集成設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高功率密度和高可靠性，這是電氣、熱、磁和電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。需求集成設(shè)計(jì)技術(shù)是指將車輛和電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求擴(kuò)展到IGBT芯片設(shè)計(jì)和功率模塊封裝領(lǐng)域。建立從系統(tǒng)到核心組件的車輛需求導(dǎo)向，具體取決于車輛設(shè)計(jì)和性能要求。自上而下的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。它帶來的好處是增加了車輛行駛里程或減少了電池容量要求[3]。

1.5 其他關(guān)鍵技術(shù)? 除了以上主要技術(shù)外，還有其他一些新能源汽車行業(yè)需要關(guān)注的主要技術(shù)。門極EMC和可靠性設(shè)計(jì)也是新能源汽車實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器工業(yè)化的重要技術(shù)。門極EMC和可靠性設(shè)計(jì)是評(píng)估電力電子產(chǎn)品的重要指標(biāo)。更有效的EMC設(shè)計(jì)是行業(yè)的目標(biāo)。其中，基于有限元分析方法，組件EMC和可靠性設(shè)計(jì)也是新能源汽車實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)。門極EMC和可靠性設(shè)計(jì)是評(píng)估電力電子產(chǎn)品的重要指標(biāo)。更有效的EMC設(shè)計(jì)是行業(yè)的目標(biāo)，其中，基于有限元分析方法，我們建立了“組件控制器”的EMC高頻仿真模型，研究了其故障機(jī)理，并將其與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。電磁兼容性的前瞻性設(shè)計(jì)已經(jīng)做到，并將逐步實(shí)現(xiàn)，這將成為主流技術(shù)路線。封閉式車輛的功能安全設(shè)計(jì)可以消除或顯著降低由電氣和電子系統(tǒng)異常運(yùn)行所引起的各種車輛安全風(fēng)險(xiǎn)。德國和美國的汽車電子制造商共同提出了一種穩(wěn)健性驗(yàn)證（RV）方法。它被Infineon門極Technologies和Bosch門極Group廣泛用于半導(dǎo)體分立器件（如電機(jī)控制器）的可靠性設(shè)計(jì)分析中。這種復(fù)雜系統(tǒng)的適用性和有效性正在進(jìn)一步研究中[4]。

2? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 扁銅線技術(shù)? 發(fā)夾式定子繞組增加了電動(dòng)機(jī)定子的槽滿速，然后增加電動(dòng)機(jī)的輸出密度。另外，由于發(fā)夾式定子繞組的端部尺寸短，因此銅損少且散熱性能優(yōu)異。 該電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)，設(shè)備和專利主要由日本、意大利和德國等傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。自2018年以來，深圳創(chuàng)新技術(shù)有限公司、松辰電動(dòng)汽車技術(shù)有限公司等國內(nèi)電動(dòng)汽車零部件供應(yīng)商也推出了自己的扁銅電機(jī)產(chǎn)品。但是，普通銅線繞組的高頻集膚效應(yīng)比常規(guī)圓形銅線繞組的高頻集膚效應(yīng)更為重要。對(duì)于大功率驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，由發(fā)夾式定子繞組引起的循環(huán)電流損耗也更加明顯。發(fā)夾式繞組的制造過程很復(fù)雜，普通銅線的絕緣層在彎曲普通銅線后很容易損壞、開裂和斷裂。發(fā)卡式（扁銅線）定子繞組如圖1所示。

2.2 多相永磁電機(jī)技術(shù)? 當(dāng)多相電動(dòng)機(jī)輸出相同的功率時(shí)，母線電壓低于常規(guī)三相電動(dòng)機(jī)的電壓，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，并且容錯(cuò)性較高，因此會(huì)產(chǎn)生噪聲，振動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)新能源汽車的系統(tǒng)要求的苛刻性（NVH）。以雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，電動(dòng)機(jī)上的兩組繞組以30°的電角隔開，這消除了5次和7次諧波電位，并顯著降低了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。同時(shí)，雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩組繞組均采用絕緣中性線設(shè)計(jì)。與4相和5相電動(dòng)機(jī)相比，它具有較低的系統(tǒng)階數(shù)，并且便于分析和控制。如果電動(dòng)機(jī)和控制器發(fā)生故障，則控制算法無效。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)動(dòng)控制，需要進(jìn)行重大更改。

2.3 永磁同步磁阻電機(jī)技術(shù)? 永磁同步磁阻電機(jī)技術(shù)與常規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，永磁磁通量小并且磁阻轉(zhuǎn)矩大。非稀土永磁電動(dòng)機(jī)解決方案具有更廣泛的高效速度調(diào)節(jié)范圍。因此，此技術(shù)路線適用于BMW的i3和i8系列車型。永磁同步磁阻電動(dòng)機(jī)是業(yè)界普遍看好的當(dāng)前技術(shù)路線。然而，它也面臨當(dāng)前研究重點(diǎn)的難題，例如復(fù)雜的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，復(fù)雜的制造工藝，高昂的制造設(shè)備成本以及最佳電流角的急劇變化。因此，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴于廉價(jià)的稀土永磁體，并且對(duì)一些研發(fā)、制造和加工能力不足的公司影響不小。永磁同步磁阻電機(jī)如圖2所示。

2.4 輪轂電機(jī)技術(shù)? 輪轂電動(dòng)機(jī)的形式很多，但是國內(nèi)外的研究主要集中在外轉(zhuǎn)子輪轂電動(dòng)機(jī)上。輪轂電機(jī)的應(yīng)用可以為新能源汽車帶來一系列明顯的好處。消除了機(jī)械變速箱組件，例如變速箱，變速箱軸和差速器，就可以實(shí)現(xiàn)四輪分布式驅(qū)動(dòng)并增加了底盤空間。然而，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輪轂當(dāng)前面臨一系列新挑戰(zhàn)，包括沒有懸架的質(zhì)量以及車輪慣性矩的顯著增加，這使得解決防水防塵電動(dòng)機(jī)的問題變得十分困難，散熱問題，以及更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器控制算法等。目前，Protein和Elaphe等外國公司已經(jīng)推出了一系列產(chǎn)品原型，即亞太機(jī)電有限公司。萬安科技有限公司我們正在與諸如國內(nèi)公司合作，進(jìn)行本土化研究。湖北泰特電子有限公司在該公司的領(lǐng)導(dǎo)下，這家國內(nèi)公司緊隨其后，推出了一系列適用于重型商用和特種車輛的輪轂電機(jī)解決方案。

2.5 永磁體散熱技術(shù)? 永磁體性能的穩(wěn)定性在車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出性能中起著重要作用。如果永磁體的工作溫度過高，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高效率工作區(qū)域?qū)p小，功率因數(shù)將減小。針對(duì)這一問題，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的永磁溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了更多的理論研究。但是，對(duì)于新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，使用穩(wěn)定、低成本的溫度傳感器來提供所需的溫度監(jiān)控是目前唯一的可靠選擇。當(dāng)前關(guān)于如何消散電動(dòng)機(jī)中的熱量的研究通常基于對(duì)定子和端部繞組的分析。為了提高新能源汽車的動(dòng)力穩(wěn)定性，必須從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角度研究電動(dòng)機(jī)的散熱結(jié)構(gòu)和散熱方法。另外，開發(fā)用于高功率密度電動(dòng)機(jī)的耐熱永磁體可以從根本上解決在高負(fù)載和高溫條件下永磁體的磁性能劣化的問題。

2.6 其他技術(shù)? 在新能源汽車領(lǐng)域，我國的技術(shù)還不是特別的成熟，盡管很多企業(yè)在加大研發(fā)力度，并且也通過各種方式，從國外的新能源汽車公司引進(jìn)了很多人才，但是由于產(chǎn)業(yè)發(fā)展不充分，技術(shù)積累較弱等原因，始終無法在短時(shí)間內(nèi)超過歐美國家。此外，在高速軸承技術(shù)，無刷電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)和電控電動(dòng)機(jī)的深度融合方面，我國與西方發(fā)達(dá)國家仍存在很大差距。我國未來的產(chǎn)業(yè)布局需要重點(diǎn)研究重大科研項(xiàng)目和科研項(xiàng)目。如果我們盲目地依靠稀土永磁資源的利益，在未來的競(jìng)爭(zhēng)中，我國的新能源汽車很難占據(jù)有利的地位。

3? 結(jié)束語

綜上所述，新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)新能源汽車的正常運(yùn)行具有較大的影響，新能源汽車研發(fā)人員應(yīng)該不斷開發(fā)更為先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，為新能源汽車行業(yè)的發(fā)展奠基良好的基礎(chǔ)。作為世界上最大的汽車市場(chǎng)，我國將面臨新的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)的基于硅的基于IGBT的電機(jī)控制器將在未來很多年繼續(xù)成為主要的市場(chǎng)力量。乘用車驅(qū)動(dòng)控制裝置將成為未來的發(fā)展方向。我國需要意識(shí)到其對(duì)“稀土永磁體”的依賴，并提前引進(jìn)尖端的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁榮軍，劉侃.新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望[J].中國工程科學(xué)，2019，21（03）：56-60.

[2]楊旭.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)架設(shè)計(jì)及其故障試驗(yàn)[D].華南理工大學(xué)，2017.

[3]史月俊.基于混合動(dòng)力汽車的交流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[D].江蘇大學(xué)，2010.

[4]黃文強(qiáng).用于新能源電動(dòng)汽車的45kW同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)，2018.