電動汽車用超高效率電機驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

暴杰 許重斌

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

1 前言

發(fā)展電動汽車的三大初衷和戰(zhàn)略意義在于節(jié)能環(huán)保、能源安全、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。節(jié)能環(huán)保是電動汽車的本質(zhì)屬性，效果取決于電網(wǎng)電力結(jié)構(gòu)和整車電耗水平。電力結(jié)構(gòu)方面，中國比新加坡的碳排放因子數(shù)值要低，且發(fā)電技術(shù)進步非?？欤稍偕茉窗l(fā)電比例持續(xù)提升。整車電耗方面，電動汽車不是零碳排放，但其碳排放明顯低于傳統(tǒng)汽油車，電動汽車碳排放量與百公里電耗成正比。以新加坡為例，根據(jù)新加坡車輛碳排放標準(Carbon Emission of Vehicle Standards,CEVS），電動汽車的碳排放因子定義為每消耗1 kW·h電能，車輛全生命周期過程中產(chǎn)生的碳排放量，其值為500 g/kW·h，傳統(tǒng)汽車的碳排放因子定義為每消耗1 L油，車輛全生命周期過程中產(chǎn)生的碳排放量，其值為3 000 g/L油?？梢姼唠姾牡碾妱悠囂寂欧排c低油耗的汽油車相當[1-2]。

未來面向雙碳目標的達成，政策法規(guī)將持續(xù)引導汽車行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。多措并舉，市場調(diào)節(jié)作用逐步加強，顯示了國家對推動汽車行業(yè)節(jié)能減排的決心。2020年6月22日，工信部發(fā)布關(guān)于修改《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》的決定，鼓勵新能源和節(jié)能汽車均衡發(fā)展，技術(shù)路線多元化，提高電耗技術(shù)水平，2021年1月1日 正式 實 施。2020年4月23日，財政部發(fā)布《關(guān)于完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，明確將原定2020年底到期的補貼政策合理延長到2022年底。原則上2020～2022年補貼標準分別在上一年基礎(chǔ)上降低10%、20%、30%，補貼逐年下降，推動車企提質(zhì)降本，鼓勵提高技術(shù)水平降電耗。2020年10月20日，國務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》的通知，明確到2025年純電動乘用車新車平均電耗降至12.0 kW·h/100 km。

用戶消費價值觀趨于理性，傾向選擇質(zhì)量更可靠、更經(jīng)濟、更安全、更舒適的產(chǎn)品，影響用戶購買意愿的因素主要是使用便利性、全生命周期成本（購置成本、使用成本）、產(chǎn)品質(zhì)量等。整車電耗水平是事關(guān)顧客滿意度的核心質(zhì)量特性，在移動出行服務(wù)等場景尤為明顯。電驅(qū)動系統(tǒng)效率對整車電耗的影響舉足輕重，高工況循環(huán)效率可以減少電池裝載量(成本、安全），降低里程焦慮，節(jié)能降低運行成本，減少充電時間和次數(shù)[3-4]。電驅(qū)動系統(tǒng)的工況效率每提升1%，續(xù)駛里程延長大于10 km。如果去除風阻、滾阻、機械制動等硬性能耗需求外，電驅(qū)動系統(tǒng)占整車能耗的比重將達到80%以上[2]。

2 理論分析

驅(qū)動電機系統(tǒng)的效率計算依據(jù)公式（1）。

式中，P2為輸出功率，PCua為電機銅損耗，PFe為電機鐵損耗，Pfw為電機機械損耗，Eon為逆變器開通損耗，Eoff為逆變器關(guān)斷損耗，Econ為逆變器導通損耗。

電機銅損耗由基本銅損和附加銅損2部分組成。

a.基本銅損。銅導線流經(jīng)電流時產(chǎn)生的損耗，基本銅損正比于相電流的平方及相電阻。

b.附加銅損。集膚效應、鄰近效應作用產(chǎn)生，與集膚效應系數(shù)及鄰近效應系數(shù)成正相關(guān)。

電機鐵損耗由磁滯損耗、渦流損耗、附加損耗三部分組成。

a.磁滯損耗。反復磁化過程中由磁滯現(xiàn)象消耗的能量，與交變頻率及磁密幅值的平方成正相關(guān)。

b.渦流損耗。磁場交變產(chǎn)生感應電流消耗的能量，與磁密幅值的平方和交變頻率的平方成正比。

c.附加損耗。磁疇壁不連續(xù)運動產(chǎn)生的損耗，與附加損耗系數(shù)成正比，與磁密及頻率的1.5次方成正比。

電機的機械損耗由風摩損耗、軸承損耗組成。

a.風摩損耗。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子表面與氣隙中空氣摩擦產(chǎn)生。

b.軸承損耗。軸承滾子摩擦消耗的能量。

逆變器的開關(guān)損耗由于功率器件（一般為IGBT及其并聯(lián)二極管）的拖尾電流和電壓交疊產(chǎn)生。IGBT開關(guān)損耗與其工作過程中的開關(guān)頻率、IGBT導通能量和開關(guān)能量（單次）、直流電壓和峰值電流成正比，與標稱電壓、標稱電流成反比。并聯(lián)二極管的開關(guān)損耗與其工作過程中的開關(guān)頻率、二極管反向恢復能量、直流電壓和峰值電流成正比，與標稱電壓、標稱電流成反比。

逆變器的導通損耗是由于功率器件（一般為IGBT及其并聯(lián)二極管）導通電阻產(chǎn)生的損耗。IGBT的導通損耗與門限電壓、峰值電流、門限電阻、過調(diào)制算法（Pulse Width Modulation，PWM）調(diào)制系數(shù)、功率因數(shù)成正相關(guān)。并聯(lián)二極管的導通損耗與門限電壓、峰值電流、門限電阻正相關(guān)，與導通壓降，PWM調(diào)制系數(shù)、功率因數(shù)成負相關(guān)。

3 提升效率技術(shù)

依據(jù)上述理論分析，為提升驅(qū)動電機系統(tǒng)效率，可以圍繞精益技術(shù)設(shè)計、新型電工材料、先進制造工藝3個維度，通過增大系統(tǒng)輸出功率、減少系統(tǒng)各項損耗、挖掘系統(tǒng)集成潛力3條技術(shù)路徑實

3.1 增大系統(tǒng)輸出功率

3.1.1 內(nèi)置式永磁同步電機設(shè)計

永磁同步電機相比其它類型電機，兼具功率密度和效率優(yōu)勢，適合用于電動汽車牽引驅(qū)動。表1為各種類型電機的特性對比。

表1 主流汽車驅(qū)動電機性能對比

假設(shè)主磁通相同，則永磁轉(zhuǎn)矩相同，采用內(nèi)置式拓撲結(jié)構(gòu)的永磁同步電機可利用新增的磁阻轉(zhuǎn)矩進一步提高總轉(zhuǎn)矩輸出能力。SPMSM表貼式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩僅由永磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成，見公式（2）。IPMSM內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分構(gòu)成，見公式（3）。

式中，β繞組節(jié)距比；is為永磁電機定子電流；Ld，Lq為永磁電機d、q軸電感；Pn為電機的極對數(shù)；Ψf為永磁體磁鏈；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

3.1.2 低速區(qū)提高電流利用率的MTPA控制

永磁同步電機在相同電流幅值和不同相角下，扭矩輸出不同，尋優(yōu)最小電流獲得最大轉(zhuǎn)矩的控制策略是最大轉(zhuǎn)矩電流比（Maximum Torque per Ampere，MTPA）。相同轉(zhuǎn)矩下，所需輸入電流最小，銅損最?。幌嗤娏飨螺敵鲛D(zhuǎn)矩更大，在控制器容量一定的情況下，提高輸出功率，如圖2所示OA為低速區(qū)MTPA控制軌跡[5-9]。

圖2 MTPA控制下的電流運行軌跡

3.1.3 高速區(qū)提高電壓利用率的MTPV控制

最大轉(zhuǎn)矩電壓比（Maximum Torque per Voltage，MTPV）控制策略是基于電壓矢量的先進弱磁控制（調(diào)節(jié)電壓矢量幅值與相角），提高電壓利用率及弱磁穩(wěn)定性，尋求最小供電母線電壓實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩輸出，進而在同等轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)更高的功率輸出[10-12]。開發(fā)PWM，調(diào)節(jié)使電壓矢量長度位于六邊形和內(nèi)切圓之間，甚至于六邊形頂點（單脈沖），可提高母線電壓利用率，實現(xiàn)更高的功率輸出，如圖3所示。

圖3 MTPV電壓矢量控制模式及過調(diào)制PWM算法運行區(qū)域

3.1.4 中速區(qū)最小損耗控制

最小損耗控制（Loss Minimization Control，LMC）兼顧電機銅耗和鐵耗優(yōu)化，隨著轉(zhuǎn)速增加，LMC電流軌跡由MTPA移向MTPV。如圖4所示案例，基速以上的負載工作點20 N·m@6 000 r/min，MTPA不可行，弱磁控制（Flux Weakening Control，F(xiàn)WC）電流調(diào)節(jié)目標為A，LMC電流調(diào)節(jié)目標為B，MTPV電流調(diào)節(jié)目標為C。

圖4 電壓和電流限制

3.2 減少系統(tǒng)各項損耗

3.2 .1降低電機銅損耗

a.高效油冷散熱。加強冷卻可降低溫升，減小銅線電阻，減小銅損；減小永磁體磁性能溫度損失，提高功率輸出，從而提高效率[13]；加強冷卻后可采用更高的電磁負荷，從而提高功率密度，電機的效率和功率密度得到統(tǒng)籌兼顧[14]。

b.超級銅線。美國DOE 2025技術(shù)路線圖中，提及橡樹嶺正在開發(fā)的“超級銅線”技術(shù)?；驹硎峭ㄟ^沉積技術(shù)，在銅薄膜材料上附著碳納米管材料（類似于石墨烯）[15-17]。它的導電率為銅10倍，電流容量為銅100倍，熱傳導效率為銅10倍，強度為銅的300倍，質(zhì)量僅是銅的1/4～1/6，見圖5。

圖5 橡樹嶺實驗室超級銅線[15]

中車與上海交通大學聯(lián)合開發(fā)出的超級銅材料，其機械性能（抗拉強度、抗壓強度、屈服強度、布氏硬度）與普通的金屬材料銅基本保持一致，但是導電性能大幅提升[18-20]，比金屬銀高出10%，其部分性能對比如表2所示。

表2 中車超級銅線性能對比[18]

c.高溫超導銅線。第一代高溫超導線是鉍鍶鈣銅氧化物（BSCC），第二代高溫超導導線是一種釔鋇銅氧化物（YBCO）。其它潛在的高溫超導材料有：La系214超 導 體、REBCO高 溫 超導晶體生長、Ti系超導體、鐵基超導材料[21]。

d.扁線成型繞組工藝。同功率下，扁線相比圓線繞組電機高效區(qū)擴大；多層扁線可以提高高速轉(zhuǎn)矩輸出和整體效率[22]。

3.2.2 降低電機鐵損耗

a.氣隙磁場正弦化。通過精益電磁設(shè)計，優(yōu)化氣隙磁場，提高正弦度，減少諧波。

b.采用高效硅鋼材料。采用0.2 mm和0.25 mm的更薄厚度的高磁感低鐵損硅鋼片，保證高磁場強度下具有高磁導率，避免了嚴重的集膚效應，但疊片系數(shù)會下降，生產(chǎn)成本上升。

增大合金化的比例，增加硅含量可以提高電阻率降低渦流損耗。但當硅含量超過3%時，可軋性能下降，高磁場強度下的磁導率降低[23]。JFE鋼鐵采用CVD工藝法，解決了這個制造難題。推出了含硅量6.5%的超級硅鋼產(chǎn)品，如表3所示。

表3 不同材料磁鋼性能對比表[24]

c.高頻應用潛在材料。鐵基非晶合金材料具有高磁導率，高電阻率，磁性能高頻衰減緩慢，鐵心損耗比硅鋼片大幅下降，但非晶合金飽和磁感相對較低，非晶合金適用于高頻電機。

復合軟磁材料具有飽和磁感高，渦流損耗小，各向同性的優(yōu)勢，但其磁導率低，磁滯損耗大，機械強度低，適合具有復雜形狀及磁路的電機或高頻電機。

d.定子與殼體裝配工藝優(yōu)化。采用熱套法的電機，調(diào)整定子和殼體配合，管控圓周方向應力；也可采用鍵槽固定鐵心等方法減小硅鋼片上的應力，從而減小鐵損，如圖6所示。

圖6 工藝應力對鐵損性能的影響[25]

e.鐵芯沖壓與疊裝工藝優(yōu)化。不同疊裝工藝的鐵芯性能對比如表4，通過高精度的沖壓疊裝可以減少公差積累，控制過盈量，減小應力影響；自粘接無絕緣損傷，只有法向應力，鐵損最??；同時減少焊點和鉚點數(shù)量也有助于減小絕緣損傷，降低渦流損耗。

表4 鐵芯疊裝工藝對比

f.控制策略優(yōu)化。開發(fā)同步PWM調(diào)制策略，調(diào)節(jié)使正弦調(diào)制波與三角載波相位同步，降低諧開發(fā)轉(zhuǎn)子位置傳感器誤差補償算法，融合多個計算周期的數(shù)據(jù)，能夠有效地補償位置傳感器各種原因帶來的精度誤差，提高永磁同步電機控制精度及穩(wěn)定性，有效地降低永磁同步電機運行功率損耗及噪音，如圖7。

圖7 位置傳感器誤差補償[27]

表5 同步調(diào)制與異步調(diào)制技術(shù)對比[26]

g.降低永磁體損耗。永磁體分段結(jié)構(gòu)設(shè)計，可減少永磁體渦流。隨著分段數(shù)目的增多，永磁體的渦流損耗會明顯降低，但是若分段數(shù)目很多則會給電動機的工藝制造帶來困難。環(huán)氧鍍層工藝相比金屬鍍層，絕緣環(huán)保，且可以有效減小渦流損耗[28]。

3.2.3 兼顧降低電機銅損耗和鐵損耗

氣隙系統(tǒng)可調(diào)電機分為4種：混合勵磁電機、機械調(diào)磁電機、可變磁通記憶電機（Variable Flux Memory Motor，VFMM）、變定子繞組結(jié)構(gòu)電機（圖8）。前兩種類型基本淘汰，后兩種類型有應用前景[18]。

圖8 四類氣隙磁通可調(diào)的可調(diào)磁通電機

可變磁通記憶電機（VFMM）采用矯頑力較低的永磁材料，如鋁鎳鈷、鐵氧體或特殊牌號衫鈷，通過定子繞組或者附加線圈施加脈沖電流產(chǎn)生脈沖磁場改變低矯頑力永磁材料的磁化強度，實現(xiàn)氣隙磁場的靈活調(diào)節(jié)。對永磁材料可進行反復可逆的充、去磁，幾乎沒有電樞勵磁銅耗。弱磁運行時，可以有效減小永磁磁鏈，進而提升高速區(qū)的效率，降低逆變器弱磁失敗風險。由于磁密水平能被永磁記憶，故稱“記憶電機”[29-32]。VFMM可實現(xiàn)較寬范圍內(nèi)的高效運行，拓寬恒功率輸出范圍，如圖9所示。

圖9 傳統(tǒng)永磁電機與記憶永磁電機運行特性比較

變定子繞組結(jié)構(gòu)電機通過改變繞組連接或繞組匝數(shù)實現(xiàn)寬調(diào)速高效率。比如安川QMET驅(qū)動技術(shù)，采用轉(zhuǎn)換開關(guān)直接改變定子線圈匝數(shù)，即高速區(qū)采用更少的匝數(shù)來減小反電動勢，從而擴大恒功率運行范圍。低速大扭矩和高速大功率輸出需求得以兼顧，如圖10所示。

圖1 電驅(qū)提效技術(shù)貨架

圖10 依靠外部功率電子器件實現(xiàn)繞組切換

3.2.4 降低機械損耗

機械損耗主要由軸承損耗和風摩損耗組成。降低軸承損耗可以選用低摩擦軸承，降低風摩損耗可以通過增大氣隙、降低定轉(zhuǎn)子表面粗糙度、減小轉(zhuǎn)子直徑和轉(zhuǎn)軸長度實現(xiàn)[33]。其它降低機械損耗的措施包括提高電動機裝配質(zhì)量、采用專用冷卻和潤滑油脂（ETF）等。

3.2.5 降低逆變器開關(guān)損耗

a.硬件軟開關(guān)驅(qū)動。軟開關(guān)是功率器件得以高頻化的重要技術(shù)，應用諧振原理，使得開關(guān)器件中的電流或者電壓按正弦或者準正弦規(guī)律變化，

圖11 硬件軟開關(guān)技術(shù)

b.柵極電阻優(yōu)化設(shè)計。降低柵極驅(qū)動電阻，可加快開關(guān)速度，減小電壓電流重合面積，降低IGBT開關(guān)損耗，但會少量增加二極管開關(guān)損耗，且dV/dt增大，EMC變差。

c.采用寬禁帶半導體器件。SiC功率器件是單極性器件，無拖尾電流，關(guān)斷損耗低。對比IGBT加快速恢復二極管（Fast Recovery Diode，F(xiàn)RD）、IGBT加肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode，SBD）、全碳化硅這三種功率器件可知，SiC功率器件具有低開關(guān)損耗和低反向恢復損耗，如圖12。但當前SiC受材料、加工、成本等制約，規(guī)?；逃贸潭扔邢?。

圖12 SiC基器件相比Si基器件開關(guān)損耗大幅降低

d.全域變載頻控制。開關(guān)頻率隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化動態(tài)調(diào)節(jié)，減小開關(guān)頻率，可降低開關(guān)損耗，但一般會增加電機損耗，惡化NVH性能。選擇合適的開關(guān)頻率可達到系統(tǒng)效率最優(yōu)，如圖13。

圖13 全域變載波頻率控制示意圖

3.2.6 降低逆變器導通損耗

a.提高柵極驅(qū)動電壓。提高驅(qū)動電壓可以降低門限電阻，進而降低IGBT導通損耗。

b.加強功率模塊散熱。改善冷卻效果可以降低結(jié)溫，降低門限電阻，進而降低IGBT導通損耗。

c.采用寬禁帶半導體器件。采用SiC功率器件：無偏置電壓、導通電阻小，導通損耗小。寬禁帶半導體器件具有降低開關(guān)損耗和導通損耗的雙重技術(shù)效果。

3.3 挖掘系統(tǒng)集成潛力

擴大高效區(qū)并增加匹配度，綜合升壓調(diào)壓器技術(shù)、可變磁通電機技術(shù)、SiC功率半導體材料、多層扁線導體繞組工藝、高效減速器技術(shù)等擴大電驅(qū)動系統(tǒng)自身的高效區(qū)。通過調(diào)節(jié)速比、優(yōu)化電磁負荷分配（損耗分配）等參數(shù)，最佳匹配工況工作點和高效區(qū)。由于系統(tǒng)成本不占優(yōu)，兩檔變速器很少采用。車用驅(qū)動電機區(qū)別于工業(yè)電機，追求工況效率而非單點效率[34-35]，如圖14所示。

圖14 整車工況點分布與電機高效區(qū)定向匹配

4 結(jié)束語

2020年5月29日，中國《GB18613-2020電動機能效限定值及能效等級》已發(fā)布，于2021年6月1日執(zhí)行IE3超高效電驅(qū)能效標準。2020年10月27日，由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)一司指導，中國汽車工程學會牽頭組織編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》正式發(fā)布，將電驅(qū)動總成提升為重點領(lǐng)域作為獨立章節(jié)研究，路線圖明確到2025年，三合一電驅(qū)動產(chǎn)品最高效率目標93.5%，CLTC綜合使用效率目標87%；到2035年，三合一電驅(qū)動產(chǎn)品最高效率目標94.5%，CLTC綜合使用效率目標90%。電機行業(yè)對能效的關(guān)注日益凸顯。汽車驅(qū)動電引領(lǐng)著新時代電機技術(shù)綠色革命，但目前仍有一系列前瞻技術(shù)有待攻克。

本文依次從目的意義、政策標準、理論模型、技術(shù)貨架、應用場景的角度，總結(jié)了電動汽車用電驅(qū)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢、理論依據(jù)、技術(shù)途徑。在電機設(shè)計、材料選擇、工藝裝配等方面闡述了提升電驅(qū)系統(tǒng)效率的解決措施，通過增加系統(tǒng)輸出效率，降低各項損耗，挖掘系統(tǒng)集成的潛力，提升電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)效率，同時在理論和應用兩個維度分析了超高效率車用電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展的必要性。