面向2035年APC電驅(qū)動(dòng)技術(shù)路線圖的分析及啟示

暴杰 許重斌 趙慧超

（中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：電驅(qū)動(dòng)技術(shù) 市場(chǎng)需求 技術(shù)路線 電動(dòng)汽車

APC 英國先進(jìn)推進(jìn)中心

WLTP 世界輕型汽車測(cè)試規(guī)程

CLTC 中國輕型車行駛工況

NEDC 新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)試

NVH 噪聲、振動(dòng)和舒適性

PHEV 插電式混合動(dòng)力汽車

DC-DC 直流轉(zhuǎn)換器

PVDF 聚偏氟乙烯

FEP 氟化乙烯丙烯共聚物

EMI 電磁干擾

PLZT 鋯鈦酸鉛鑭陶瓷

PTFE 聚四氟乙烯

ECE R85就凈功率測(cè)量問題對(duì)用作M類和N類機(jī)動(dòng)車輛動(dòng)力裝置的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定

1 背景

2021年2月，英國先進(jìn)推進(jìn)中心（Advanced Pro?pulsion Centre UK，APC）受英國汽車委員會(huì)（Automo?tive Council UK）委托，更新發(fā)布電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和技術(shù)路線圖。APC的職責(zé)是與英國政府、汽車行業(yè)和學(xué)術(shù)界合作，加速技術(shù)的工業(yè)化，支持向凈、零排放汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型。英國汽車委員會(huì)成立于2009年，旨在加強(qiáng)英國政府與汽車行業(yè)之間的對(duì)話和合作。該委員會(huì)由行業(yè)專家和政府的高層人士組成，每年召開3次會(huì)議。早在2013年7月，汽車委員會(huì)發(fā)布了行業(yè)戰(zhàn)略：推動(dòng)成功實(shí)現(xiàn)英國汽車行業(yè)的增長和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略制定了一系列行動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)改善融資渠道、支持新興和顛覆性技術(shù)、技能發(fā)展以及提高英國供應(yīng)鏈競爭力等跨領(lǐng)域目標(biāo)。通過APC路線圖的解讀和基于中國產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的路線圖對(duì)比分析，一方面有助于促進(jìn)行業(yè)技術(shù)交流合作共同進(jìn)步，另一方面有助于識(shí)別中國電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的差異性精準(zhǔn)施策。

2 開發(fā)邏輯

APC路線圖遵循正向開發(fā)原則，不受限于技術(shù)現(xiàn)狀?；趯?shí)現(xiàn)技術(shù)商業(yè)化和市場(chǎng)滲透份額挑戰(zhàn)的目標(biāo)分解，必須要在成本、功率密度、效率上有更大的突破，從而獲得媲美傳統(tǒng)汽車的競爭力。從市場(chǎng)需求到產(chǎn)品目標(biāo)，再到總成、零部件、材料工藝逐級(jí)分解，識(shí)別現(xiàn)實(shí)的技術(shù)差距和障礙，制定開發(fā)策略。其整體邏輯如圖1所示。

圖1 APC技術(shù)路線邏輯

APC認(rèn)為電機(jī)技術(shù)的發(fā)展將廣泛關(guān)注3個(gè)主要領(lǐng)域：

（1）實(shí)現(xiàn)性能階躍；

（2）降低應(yīng)用成本；

（3）減少環(huán)境影響。

分別反映了APC對(duì)于電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)的3個(gè)重要維度，即：產(chǎn)品競爭力、商業(yè)開發(fā)價(jià)值、可持續(xù)發(fā)展。從價(jià)值工程角度，前2個(gè)維度是提升用戶獲得價(jià)值的關(guān)鍵，而第3個(gè)維度是行業(yè)長久發(fā)展和企業(yè)永續(xù)經(jīng)營的基礎(chǔ)。

3 技術(shù)目標(biāo)

基于應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)向，可以將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)劃分為以下3類：

（1）高性價(jià)比、高產(chǎn)量規(guī)模導(dǎo)向

經(jīng)濟(jì)高效、高容量導(dǎo)向，以低成本實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)對(duì)這些產(chǎn)品至關(guān)重要。應(yīng)用包括高產(chǎn)量的乘用車和物流車，這類車型大多為400 V電壓等級(jí)。

（2）高功率密度、高性能導(dǎo)向

需要高功率密度，但成本不是決定性因素。應(yīng)用包括高性能乘用車、公共汽車和一些中型車輛，這類車型很多為800 V電壓等級(jí)。

（3）高功率、超高效率導(dǎo)向

這些應(yīng)用需要高功率密度和可靠性，但效率是最大限度地利用能源的關(guān)鍵。應(yīng)用包括44 t卡車與大型非公路車輛，這類車型多為700~1 200 V電壓等級(jí)。

APC路線圖主要對(duì)于高性價(jià)比、高產(chǎn)量規(guī)模導(dǎo)向的電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品具有積極指導(dǎo)作用。

APC路線圖提出的電機(jī)技術(shù)指標(biāo)規(guī)劃總結(jié)如表1所示。

表1 APC電機(jī)技術(shù)指標(biāo)規(guī)劃表[1]

APC路線圖提出的逆變器技術(shù)指標(biāo)規(guī)劃總結(jié)如表2所示。

表2 APC逆變器技術(shù)指標(biāo)規(guī)劃表[2]

考慮到各種規(guī)格的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的差異性，為進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，路線圖統(tǒng)一以100 kW的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究基準(zhǔn)，提出了電機(jī)和逆變器的技術(shù)規(guī)劃指標(biāo)。在研究功率基準(zhǔn)的選擇上，與中國汽車工程學(xué)會(huì)、美國能源部（US Department of Energy，DOE）發(fā)布路線圖的基準(zhǔn)一致（表3）。

表3 APC電驅(qū)動(dòng)技術(shù)規(guī)劃研究基準(zhǔn)[1-2]

為了便于對(duì)比分析APC路線圖的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在此整理了中國汽車工程學(xué)會(huì)《節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖2.0》中對(duì)應(yīng)電機(jī)和逆變器的技術(shù)規(guī)劃。如表4所示。

表4 《節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖2.0》對(duì)應(yīng)電機(jī)和逆變器總體技術(shù)指標(biāo)規(guī)劃[3]

對(duì)比中國汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的路線圖，英國APC路線圖對(duì)電機(jī)的成本指標(biāo)設(shè)置較寬松，而對(duì)逆變器的成本指標(biāo)設(shè)置極為苛刻，這反映出歐洲在功率電子產(chǎn)業(yè)具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而中國在電機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)和稀土資源儲(chǔ)備方面具有綜合優(yōu)勢(shì)。

考慮到APC路線圖電機(jī)功率密度質(zhì)量和體積的計(jì)算基準(zhǔn)包括電機(jī)的主動(dòng)電磁組件、軸、外殼和散熱片，因此其電機(jī)質(zhì)量功率密度指標(biāo)也是非常激進(jìn)的，必須在電機(jī)構(gòu)型和輕量化材料產(chǎn)業(yè)化上實(shí)現(xiàn)革新性突破才有望達(dá)成。

APC路線圖對(duì)于逆變器體積功率密度的指標(biāo)設(shè)定要求極其寬松，伴隨寬禁帶半導(dǎo)體器件的應(yīng)用推廣以及周邊元器件的材料進(jìn)步，預(yù)期業(yè)界將提前5~10年達(dá)成目標(biāo)。

根據(jù)當(dāng)前行業(yè)的性能測(cè)算，基本的共識(shí)是WLTP工況比CLTC工況電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率高1%左右，CLTC工況比NEDC工況電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率高1%左右。而考慮到APC路線圖的計(jì)算基準(zhǔn)定義WLTP平均效率是指整個(gè)動(dòng)力總成系統(tǒng)的效率（應(yīng)解讀為綜合電機(jī)、逆變器和變速器的系統(tǒng)工況效率，當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀為86%~88%），根據(jù)行業(yè)共識(shí)即使全面采用寬禁帶半導(dǎo)體、超導(dǎo)導(dǎo)線、超級(jí)硅鋼前瞻材料技術(shù)，并且采用直驅(qū)取消減/變速器環(huán)節(jié)，也難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，僅僅存在完成實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研究樣機(jī)的可能性。

4 技術(shù)挑戰(zhàn)

APC認(rèn)為，電機(jī)開發(fā)的挑戰(zhàn)包括：提高性能（特別是體積功率密度），降低成本滿足量產(chǎn)應(yīng)用，減少對(duì)供應(yīng)鏈不穩(wěn)定材料的依賴，最小化生產(chǎn)制造和報(bào)廢回收對(duì)環(huán)境的影響。

構(gòu)型方面，通過新穎的架構(gòu)設(shè)計(jì)和更緊密的集成可以實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)性能。緊湊化設(shè)計(jì)需要新的材料和熱管理策略來滿足狹小空間內(nèi)電氣和熱隔離的要求。

繞組方面，采用新的形狀和合金可以改善銅繞組的性能，而從長遠(yuǎn)來看，先進(jìn)的納米材料可以帶來性能躍遷。新型繞組策略、預(yù)成型或3D繞組工藝可以提供更好的性能。

永磁體方面，需要減少永磁體對(duì)重稀土材料的依賴。機(jī)會(huì)點(diǎn)在于增加回收物含量，更多地使用二次稀土材料和替代制造方法（如聚合物粘接）。需要注意，中國雖有稀土資源先天優(yōu)勢(shì)，也需節(jié)約利用。

電工鋼方面，非晶金屬材料渦流損耗低，磁飽和強(qiáng)度低，需解決生產(chǎn)成本高、熱處理和應(yīng)力控制工藝難題；軟磁復(fù)合材料制作鐵芯可以保持渦流損耗不隨頻率升高，且造型容易制造成本低（近無余量成形加工技術(shù)制造出更復(fù)雜的3D形狀）。上述2種材料在高速高頻電機(jī)中預(yù)期將有應(yīng)用拓展。

為了建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)，需要?jiǎng)?chuàng)建新的工藝流程來回收和循環(huán)利用對(duì)環(huán)境有負(fù)面影響的材料，以最低的環(huán)境影響來回收電機(jī)是一個(gè)挑戰(zhàn)。例如，在電機(jī)裝配中減少對(duì)濕法工藝的依賴可以提高生產(chǎn)效率，并使拆卸和回收更容易。在短期內(nèi)，盡管設(shè)計(jì)的集成度和緊湊性不斷提高，但可拆卸和回收設(shè)計(jì)將變得越來越重要。從長遠(yuǎn)看，解決制造過程中的能源投入強(qiáng)度問題仍非常重要，貫穿整個(gè)價(jià)值鏈的生命周期分析將變得至關(guān)重要。

APC路線圖提出，為了實(shí)現(xiàn)路線圖中規(guī)劃的長期性能和成本目標(biāo)，面臨的電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)潛在的研究課題具體如表5所示。

隨著道路上電動(dòng)車輛數(shù)量的增加及其電氣化程度的提高，功率電子設(shè)備在每輛汽車價(jià)值中所占的比例將越來越高。需要更復(fù)雜的電力電子解決方案來減少電氣損耗、系統(tǒng)質(zhì)量和成本。汽車行業(yè)的挑戰(zhàn)性要求為功率密度更高的解決方案、更快速的半導(dǎo)體開關(guān)、更高的可靠性和更耐高溫的材料創(chuàng)造了需求。

表5 APC電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)潛在的研究課題[5]

提高電工鋼和軟磁復(fù)合材料的材料性能和生產(chǎn)技術(shù)成本優(yōu)化或使用高性能為目標(biāo)的硬磁解決方案創(chuàng)新現(xiàn)有稀土磁體供應(yīng)鏈，降低供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)無稀土永磁電機(jī)的發(fā)展方向回收、再制造、低能耗和循環(huán)經(jīng)濟(jì)支持生命周期評(píng)價(jià)快速、靈活的層壓板切割，不會(huì)損害材料性能非常薄、成本低的疊片，可實(shí)現(xiàn)高頻運(yùn)行（如非晶合金材料）優(yōu)化用于高頻運(yùn)行的軟磁復(fù)合材料（SMC），實(shí)現(xiàn)SMC的高產(chǎn)量疊層制造疊片加工處理以改變磁導(dǎo)率和磁飽和強(qiáng)度含硅量更高、價(jià)格更低的低損耗硅鋼設(shè)計(jì)使用永磁體“干保持”系統(tǒng)的電機(jī)，消除粘合劑使用提高磁鐵的穩(wěn)健性，以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)和自動(dòng)化流程永磁體的凈形狀制造技術(shù)（例如金屬注射成型、磁鐵鑄造到轉(zhuǎn)子軸上、3D打?。┰O(shè)計(jì)基于替代高性能永磁材料的電機(jī)，例如熱成型釹鐵硼磁體（MQ3），網(wǎng)狀或?qū)訅壕哂懈倪M(jìn)的強(qiáng)度、耐久性、電阻率和更高溫度能力的永磁體制造厚度<2 mm的疊層（軋制）永磁體的新技術(shù)，無加工損耗且晶粒<1μm成本更低，環(huán)境更有好的稀土加工方法，即從稀土氧化物到合金粉末為永磁材料開發(fā)替代供應(yīng)路線（即回收硬盤驅(qū)動(dòng)器、化肥生產(chǎn)中產(chǎn)生的磷酸鹽）在循環(huán)供應(yīng)鏈中改進(jìn)磁性材料廢料回收和再利用開發(fā)回收工藝，以經(jīng)濟(jì)高效、清潔、安全和節(jié)能的方式從電子機(jī)器中回收高價(jià)值材料開發(fā)無稀土結(jié)構(gòu)，將材料成本和環(huán)境影響降至最低，比如電勵(lì)磁和感應(yīng)電機(jī)等結(jié)構(gòu)上解決開關(guān)磁阻電機(jī)NVH問題，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的替代開發(fā)轉(zhuǎn)子冷卻策略，降低磁鐵中的重稀土含量，降低磁鐵等級(jí)盡量減少或消除濕法工藝及其電機(jī)中粘合劑的使用生命周期分析（LCA），用改進(jìn)的稀土加工技術(shù)在系統(tǒng)組裝之前，減少用于保護(hù)機(jī)器部件的包裝材料數(shù)量改進(jìn)原材料的提取和精煉工藝，增加可再生能源的使用可回收、可維修、可追溯設(shè)計(jì)，包括裝配和拆卸過程，環(huán)境影響和能源使用最低低成本、自動(dòng)化制造，最大限度地減少碳足跡（包括自動(dòng)化工藝、更便宜材料、生命周期評(píng)價(jià)、低能源消耗、生產(chǎn)中可再生能源使用增加）開發(fā)不同類型電機(jī)的通用回收工藝，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和規(guī)模化

半導(dǎo)體是成本最高的元件。硅基器件因其具有相對(duì)低的成本、更好的可制造性以及更成熟的供應(yīng)鏈，將繼續(xù)在低壓應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。對(duì)于更高電壓的應(yīng)用而言，由于在生產(chǎn)規(guī)模、低成本高質(zhì)量晶圓和器件創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面取得的進(jìn)步，新型寬帶隙半導(dǎo)體材料，如碳化硅和氮化鎵，將很快進(jìn)入汽車大功率牽引應(yīng)用。寬禁帶半導(dǎo)體器件將提供比傳統(tǒng)硅器件更好的熱性能和電性能，但在可制造性、可靠性、集成和成本方面帶來挑戰(zhàn)。為了最大限度地發(fā)揮寬帶隙材料的潛在優(yōu)勢(shì)，需要同時(shí)開發(fā)先進(jìn)的組件、拓?fù)浜碗娐芳杉夹g(shù)，以適應(yīng)高溫、高頻率和高電流環(huán)境。無源元件、印刷電路板、傳感器、電路架構(gòu)、控制軟件、容錯(cuò)功能設(shè)計(jì)等都需要?jiǎng)?chuàng)新。標(biāo)準(zhǔn)化和最優(yōu)化的架構(gòu)將有利于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模并降低成本，最終可以實(shí)現(xiàn)更小、更輕、最終更便宜的設(shè)計(jì)，盡管這在可回收性和環(huán)境影響方面帶來了挑戰(zhàn)，但通過可拆卸設(shè)計(jì)和努力為材料創(chuàng)造真正的循環(huán)經(jīng)濟(jì)可以解決。

APC路線圖提出，為實(shí)現(xiàn)規(guī)劃技術(shù)目標(biāo)，面臨的逆變器關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)潛在的研究課題如表6所示。

5 關(guān)鍵技術(shù)路徑

5.1 電機(jī)技術(shù)路線

電機(jī)技術(shù)路線如圖2所示。

5.1.1 電機(jī)構(gòu)型與集成

（1）新型軸向磁通電機(jī)功率密度高，且磁通路徑為直線，可以使用晶粒取向鋼進(jìn)一步提高效率。未來定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可能發(fā)生根本性變化，例如使用高溫超導(dǎo)體、無鐵芯轉(zhuǎn)子以及超導(dǎo)永磁體的電機(jī)。

（2）集成方式和集成程度迭代演進(jìn)，由第一代的逆變器、電機(jī)和傳動(dòng)裝置緊密封裝，探索進(jìn)一步的功能集成，移除高壓電纜，共用單一的熱管理系統(tǒng)和外殼。從長遠(yuǎn)來看，更多高性能的小規(guī)模應(yīng)用可以選擇3D打印技術(shù)將逆變器嵌入定子或轉(zhuǎn)子。

表6 APC逆變器關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)潛在的研究課題[8]

（3）仿真模擬技術(shù)增強(qiáng)。熱、磁、電氣和機(jī)械多物理場(chǎng)設(shè)計(jì)工具將助力實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電機(jī)設(shè)計(jì)。隨著疊層制造技術(shù)的成本效益和普及性不斷提高，全新的制造設(shè)計(jì)將成為可能，包括3D打印復(fù)雜的磁體或繞組。

5.1.2 熱管理

（1）優(yōu)化電氣強(qiáng)度和導(dǎo)熱性的絕緣材料。絕緣材料有2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：介電強(qiáng)度和介質(zhì)損耗系數(shù)。伴隨高壓動(dòng)力總成的普及，聚偏氟乙烯（Poly Vinylidene Fluo?ride，PVDF）和氟化乙烯丙烯共聚物（Fluorinated Ethyl?ene-Propylene co-polymer，F(xiàn)EP）材料可能會(huì)導(dǎo)入應(yīng)用。

（2）主動(dòng)冷卻。高性能應(yīng)用可在現(xiàn)有液冷和油冷技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用浸沒式油冷技術(shù)（比如雙轉(zhuǎn)子單定子軸向磁通電機(jī)），長遠(yuǎn)來看可能采用相變冷卻方法，使用相變材料儲(chǔ)存熱能并轉(zhuǎn)化為電能。

圖2 APC電機(jī)技術(shù)路線圖[1]

（3）集中式冷卻系統(tǒng)。電機(jī)和電子元件運(yùn)行溫度不同，需設(shè)計(jì)可控制熱差異的非獨(dú)立回路冷卻系統(tǒng)。

5.1.3 電工新材料開發(fā)

（1）高性能繞組。方導(dǎo)線比圓導(dǎo)線槽滿率更高，使用薄多股線（如Litz線）或?qū)訅豪@組工藝以及應(yīng)用嵌入銅或銅表面的碳納米管、石墨烯、納米材料或高溫超導(dǎo)體材料，可以減少交流繞組損耗。

（2）高性價(jià)比繞組。銅鋁合金繞組既能降低成本，又能保持銅材料部分優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。未來疊層制造技術(shù)有可能取代復(fù)雜的繞組工藝，提供新的解決方案。

（3）減少重稀土材料依賴。短期來看，采用少重稀土永磁材料；中期來看，采用無重稀土或部分回收稀土永磁材料；長期目標(biāo)是采用100%回收材料制備可保持高剩磁和高矯頑力的永磁體。

（4）開發(fā)燒結(jié)釹鐵硼永磁體的替代品。如鐵氧體、鋁鎳鈷非稀土永磁體、釤鈷永磁體、聚合物粘接釹鐵硼永磁體。

（5）先進(jìn)軟磁材料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。短期主要基于傳統(tǒng)硅鋼優(yōu)化，圍繞厚度減薄、增大合金化比例（6.5%高硅含量低損硅鋼）、測(cè)試方法及服役特性建模、改進(jìn)的粘接和涂層技術(shù)（如自粘接涂層）、晶粒取向鋼應(yīng)用攻關(guān)；長期圍繞非晶合金高頻應(yīng)用、小晶粒SMC軟磁復(fù)合材料高頻應(yīng)用、高性能鈷鋼成本優(yōu)化攻關(guān)。

5.1.4 制造創(chuàng)新

（1）實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的繞組工藝。如滴漆浸漬、發(fā)卡繞組、以及預(yù)制鑄造繞組和3D打印繞組技術(shù)。

（2）提高定轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)效率。如激光切割技術(shù)，以及粉末冶金、疊層增材制造等零浪費(fèi)的集成制造技術(shù)。

（3）永磁體制造新方法。層壓工藝，提高強(qiáng)度、耐用性、高溫性能，降低損耗。

（4）減少并消除濕法工藝。通過使用干式方法（如機(jī)械連接）消除永磁體粘合劑，更環(huán)保更利于回收。

5.2 逆變器技術(shù)路線

逆變器技術(shù)路線如圖3所示，半導(dǎo)體材料的物理特性見表7。

5.2.1 半導(dǎo)體芯片

（1）硅基功率半導(dǎo)體。通過更小的芯片尺寸、更薄的晶片和創(chuàng)新的IGBT設(shè)計(jì)（如逆導(dǎo)IGBT），進(jìn)一步提高性能。

（2）碳化硅基功率半導(dǎo)體。突破晶體生長核心技術(shù)，生產(chǎn)尺寸更大、缺陷更少的晶片以降低成本。未來達(dá)到12英寸。

（3）氮化鎵功率半導(dǎo)體。GaN襯底的尺寸和純度極難與其它襯底材料競爭。短期內(nèi)以GaN-on-Si技術(shù)過渡，中長期實(shí)現(xiàn)GaN-on-SiC或GaN-on-GaN，以制備高耐壓垂直結(jié)構(gòu)器件。

（4）超寬禁帶功率半導(dǎo)體。未來，采用超寬禁帶半導(dǎo)體材料（如金剛石、氧化鎵、氮化鋁）的功率器件性能將顯著變化。

5.2.2 半導(dǎo)體封裝

（1）寬禁帶半導(dǎo)體的封裝。改進(jìn)熱管理和封裝材料工藝以支持更高的功率密度和更寬的溫度范圍（工作溫度200℃以上）。以超低電感封裝保護(hù)元件免受電壓瞬變的影響，抑制EMI。

圖3 APC逆變器技術(shù)路線圖[2]

（2）提高功率模塊集成度。短期實(shí)現(xiàn)傳感器、濾波器無源元件、門極驅(qū)動(dòng)器的集成；中期實(shí)現(xiàn)所有功率變換元器件集成到功率模塊中；遠(yuǎn)期通過一體化協(xié)同制造實(shí)現(xiàn)徹底的集成，甚至控制軟件都集成到單一封裝中。

（3）寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊標(biāo)準(zhǔn)化。降低設(shè)計(jì)和開發(fā)成本。

表7 半導(dǎo)體材料的物理特性值[7]

5.2.3 無源元件、傳感器和印刷電路板

（1）開發(fā)高溫（<150°C）陶瓷、金屬膜和PLZT電容器，縮小直流母線電容尺寸實(shí)現(xiàn)高功率密度。

（2）由于空間有限，可優(yōu)先開發(fā)可測(cè)量溫度、電壓、電流的綜合型多功能傳感器。物理傳感器可以發(fā)展為無線傳感器，以減小質(zhì)量，減少布線，但需要同步改進(jìn)數(shù)據(jù)分析和軟件。信號(hào)傳輸也可由物理傳輸部分轉(zhuǎn)向無線傳輸。

（3）逆變器印刷電路板面臨極高的功率要求，需要適應(yīng)高溫、高頻和大電流的環(huán)境。150~200μm的厚銅電路板、陶瓷電路板、PTFE電路板都是非常有效的解決方案。從長遠(yuǎn)來看，“混合”型印刷電路板材料和新制造工藝有助于實(shí)現(xiàn)徹底的組件集成。

5.2.4 逆變器設(shè)計(jì)

（1）寬帶隙功率半導(dǎo)體的潛力只有在新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下才能發(fā)揮。包括：高頻軟開關(guān)技術(shù)；自適應(yīng)逆變器；高頻脈寬調(diào)制與諧振變換器；多電平變換器等。

（2）在線健康管理。從被動(dòng)響應(yīng)式健康管理轉(zhuǎn)變?yōu)榛诂F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集賦能的預(yù)測(cè)式健康管理。通過AI學(xué)習(xí)和創(chuàng)新型低壓電子柔性電路架構(gòu)，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自校正和可重構(gòu)的逆變器。

（3）安全軟件及其自主迭代。開發(fā)滿足ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的ASIL-D級(jí)安全軟件。未來控制軟件將變得更加復(fù)雜，并將根據(jù)工況效率或消費(fèi)者舒適度來定制軟件或在線升級(jí)。整車各電控軟件也有進(jìn)一步域集成、中央集成的趨勢(shì)和多元化解決方案。

5.2.5 面向全壽命周期評(píng)估LCA的設(shè)計(jì)

（1）高價(jià)值材料收集、處理、回收、再利用的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。隨著逆變器變得越來越小并集成到電機(jī)和變速器中，可拆卸、可回收而設(shè)計(jì)是現(xiàn)在應(yīng)該采用的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原則。長遠(yuǎn)看，具有客觀前景的是創(chuàng)造循環(huán)經(jīng)濟(jì)，讓金、銀、銅、鎳等材料可以被提取和再利用。

（2）降低生命周期碳排放。短期工作重心是通過節(jié)能生產(chǎn)工藝或低碳能源來降低二氧化碳濃度。遠(yuǎn)期將需要考慮設(shè)計(jì)和制造全價(jià)值鏈中使用原材料、工藝和資源的所有碳排放。

6 啟示與展望

新能源汽車已由“政策+市場(chǎng)”雙輪驅(qū)動(dòng)逐漸切入市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)新階段，汽車電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品需要依靠質(zhì)變撬動(dòng)市場(chǎng)需求。技術(shù)、資源、成本、質(zhì)量綜合可控是在未來電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)競爭過程中致勝的關(guān)鍵因素。

隨著基礎(chǔ)理論、材料工藝、功率電子、控制平臺(tái)、仿真測(cè)試水平的不斷提升，電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)仍有很大進(jìn)步空間，批量化市場(chǎng)應(yīng)用尚不成熟，有必要針對(duì)未來趨勢(shì)做好前瞻布局，同時(shí)系統(tǒng)級(jí)的頂層設(shè)計(jì)與權(quán)衡對(duì)市場(chǎng)參與者的體系能力提出更高要求。汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其逆變器仍有很多前沿科學(xué)和工程技術(shù)難題有待攻克，牽引電機(jī)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

全生命周期低碳環(huán)保的主題要求站在人類命運(yùn)共同體的高度，強(qiáng)調(diào)了最終邁向循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的必要性。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將圍繞碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)加快調(diào)整。伴隨著產(chǎn)業(yè)同仁對(duì)于制造過程和報(bào)廢回收過程環(huán)境影響的日益關(guān)注，綠色制造體系將從無到有并日趨完善。這個(gè)過程中，可拆卸設(shè)計(jì)理念將在與集成化設(shè)計(jì)理念的矛盾沖突中取得平衡，占有重要地位。