國內外新能源汽車電機驅動系統技術分析

摘 要：本文介紹了國內外車用驅動電機技術的發展情況，分析了國內外車用電機控制器和乘用車純電驅動總成技術進展，對未來新能源汽車驅動電機系統技術發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：新能源汽車;電機驅動系統;技術分析

經過十年的快速發展，我國新能源汽車2019年首次出現年度負增長。但全球新能源汽車比重大的經濟體，包括美國、中國、歐洲，都對于這個產業未來的發展充滿信心。高速、高密度、高效、低振動噪音、低成本是新能源驅動電機的重點發展方向。

1 國內外車用驅動電機技術發展情況

1.1 高密度繞組技術

通過采用高密度繞組或者Hairpin繞組結構，可以大幅度降低繞組發熱，提高繞組材料的利用率15-20%以上。通用第四代Volt電機采用Hairpin繞組結構，電裝為豐田開發了扁導線電機，大眾MEB平臺明確提出了扁導線繞組結構;采用Hairpin繞組的高速驅動電機，功率密度達到4.0-4.5kW/L以上。

1.2 高效熱管理技術

通過采用高密度繞組端部冷卻技術、油冷技術、油冷和水冷復合冷卻技術，提升驅動電機的換熱效率。如特斯拉Model 3采用驅動電機與減速器的集中油冷、電機控制器采用水冷手段;通用Volt、豐田THS IV、上汽EDU二代等均采用扁導線定子，驅動電機定轉子集成在變速器內部，與變速器實現集中油冷。

1.3 電機高速化技術

在電驅動總成輸出轉矩和功率不變約束下，通過提高驅動電機和減速器最高轉速，降低電機體積和重量，提高功率密度水平。大眾、沃爾沃、克萊斯勒等國外汽車企業通過不斷提升電機轉速來降低電機體積和重量，大眾汽車模塊化電驅動平臺（MEB平臺）電機最高達到16000rpm，沃爾沃與克萊斯勒電機最高轉速需求達到14000rpm，特斯拉Model 3驅動電機最高轉速達到17900rpm。我國驅動電機功率密度、效率等整體技術提升很快，技術水平與國外同類產品相當，驅動電機重量比功率已達到4.0kW/kg以上，典型國內外電機產品指標對比如表1。

2 國內外車用電機控制器技術進展

2.1 電機控制器本體及電力電子集成封裝技術進步

高效、高密度、高EMC性能是新能源汽車電機控制器的重要技術發展方向。通過采用電力電子集成技術，有效減小控制器的重量和體積，提高功率密度，降低制造成本。電力電子封裝技術打破了模塊封裝與控制器集成裝配之間界限，采用IGBT定制封裝模塊有效地提升了電機驅動控制器集成度與功率密度水平。

IGBT芯片雙面焊接和系統級封裝是當前國外電機控制器主流封裝形式。基于功率器件雙面焊接與雙面冷卻技術，近年來國外相繼推出了應用于不同車型的電機控制器或集成控制器。豐田連續多年先后推出了集成度與功率不斷提升的產品，集成控制器產品功率密度從2007年的11.7kW/L提升至2018年的25kW/L;博世、大陸采用單面冷卻結構，也推出了量產的集成DC/DC變換器的電力電子集成控制器產品，功率密度均達到16-25kW/L以上。

在雙電機插電式混動和高功率乘用車應用領域，為持續提升車輛電能轉化效率和縮短快充時間，動力電池直流電壓呈現提升的趨勢，從250—450V提升至500—700V。為最大限度提升包括電機控制器在內的電動汽車電力電子裝置功率密度，豐田采用了集成Boost電路與雙逆變器結構，通過升高直流電壓提升了逆變器部分的輸出功率與效率。

2017年上海電驅動、上海大郡、中車時代等推出自主開發出的車用IGBT芯片、雙面冷卻IGBT模塊和高功率密度電機控制器。其中，上海電驅動聯合上海道之，采用自主IGBT芯片、芯片雙面焊接工藝和電力電子功率組件的直焊互連工藝研制出高密度電機控制器，峰值功率密度達到23.1kW/L;上海大郡聯合上海道之采用雙面水冷結構，輸入功率為260kW的電機控制器的功率密度達到23.5kW/L;中車時代電氣采用自主IGBT芯片、雙面焊接與雙面冷卻技術、自主IGBT驅動芯片和電力電子集成技術，開發出600A/750V雙面散熱IGBT模塊及組件產品，基于雙核MCU（微處理器）芯片開發出功率密度達到20kW/L的電機控制器。我國典型高密度電機控制器樣機與國外先進水平對比如表2。

碳化硅器件因具有高溫、高效和高頻特性，率先在車用電機控制器實現應用，進一步提升了電機控制器功率密度和效率。日本豐田、日立、電產推出全SiC PCU，其中日本豐田帶載SiC PCU的樣車在工況下較帶載IGBT PCU損耗降低30%。法國Yole公司預測2018年后碳化硅器件將開始應用于電動汽車大功率電機驅動和大功率充電領域，特斯拉（Tesla）在2018年推出的Model 3即量產采用SiC器件。SiC電機控制器由24個SiC功率模塊組成，安裝在針翅式散熱器上，采用激光焊接的工藝將SiC MOSFET與銅母線相連，大大提升了連接的可靠性。

我國中車、電工所推出了1200V/400A Pinfin封裝結構SiC模塊，在封裝結構和焊接材料封面取得進展。中科院電工所、比亞迪、精進電動等研制了SiC電機控制器樣機。電工所團隊提出了“以系統集成指導元器件封裝”的設計理念，開發了用于85kW全SiC車用驅動控制器的關鍵器件/組件，如全SiC功率模塊、復合功能薄膜電容器、耐高溫聚酰亞胺基薄膜材料、超緊湊SiC控制器用主控板等。該控制器在常溫入水口水溫、580Vdc母線條件下實現輸出功率85kW，最高效率98.6%，功率密度37.1kW/L。同時，基于群體優化算法的濾波器設計方法，設計了適配85kW全SiC車用驅動控制器的EMC濾波器，在控制器峰值功率工作狀態下，高壓輸入端口傳導干擾電壓滿足CISPR 25等級三的限值要求。

2.2 IGBT器件及封裝技術進步

目前，國外各大知名IGBT器件供應商，如英飛凌（Infineon）、富士（Fuji）、三菱（Mitsubishi）、瑞薩（Renesas）相繼推出了車用IGBT芯片，精細溝槽柵技術成為主流技術。通過適當調整溝槽寬度與間距提高發射區近表面層的載流子濃度，即可增強電子注入能力，降低導通損耗，優化關斷損耗和導通損耗間折中關系。隨著溝槽技術的日臻成熟，溝槽精細化對于電動汽車用中低壓IGBT芯片整體性能的提升起到了關鍵性的作用。

在IGBT芯片集成方面，典型包括逆導型IGBT和集成型IGBT芯片。逆導型IGBT是在同一芯片上集成了IGBT和續流二極管。較之安裝尺寸相同的IGBT模塊，采用逆導型IGBT芯片的模塊電流密度提高了33%。以富士為代表，采用RC-IGBT技術（逆導型IGBT）推出了集成芯片電流和結溫檢測的IGBT芯片和集成高效冷卻結構的封裝模塊，大幅度提升芯片電流能力;英飛凌采用銀漿燒結和高效導熱基板技術，提升芯片電流能力達到30%以上。

表3為車用模塊用功率芯片互聯技術情況。鋁綁定線技術仍是車用IGBT模塊內使用范圍最廣的功率互聯技術。為了提高模塊的功率循環壽命，緩和異質材料間熱膨脹系數不匹配的問題，推出了具有熱特性更好的銅綁定線技術與連接面積更廣的帶式綁定線技術。三菱公司使用銅直接端子綁定技術（DLB：Direct Lead Bonding）代替傳統的鋁綁定線技術，綜合了銅綁定線技術與帶式綁定技術的優點，利用銅材料的優異熱特性，增大硅片接觸面積，使得功率接觸部的熱電應力分布均勻，降低硅片峰值溫度。

我國如斯達、比亞迪、中車株洲所等國內器件已經開始在新能源汽車領域開始大批量替代進口，實現規模化應用，具有一定的產業基礎。IGBT封裝技術方向是更高功率密度和更高效率，雙面焊接與單面/雙面冷卻是主流封裝工藝技術;我國如嘉興斯達、中車時代電動、深圳比亞迪等在IGBT功率模塊封裝、控制器系統級工程化集成能力提升很快，部分自主IGBT模塊已經實現量產。我國IGBT車用標準模塊封裝如HP1、HP2、HPDrive等國內已攻克相關封裝設計及工藝技術，在封裝性能及可靠性方面接近國際先進水平。

3 乘用車純電驅動總成技術進展

驅動電機、電機控制器與減速器深度集成的電驅動一體化總成是乘用車領域現階段發展的主要技術目標，國外以大陸、麥格納、吉凱恩、博世、采埃孚、日本電產等為代表的電驅動系統集成商推出了電驅動一體化總成產品，成為乘用車驅動系統主要應用類型。

3.1 美國代表車型Model 3電驅動總成

Model 3三合一集成電驅動系統采用平行軸T型結構。電機類型選用永磁同步電機，相比Model S 采用的異步電機，效率大幅提升，與Model S相比，電池到車輪的驅動系統效率提高了6%。冷卻設計上，電機和減速器采用油冷，逆變器采用水冷，提升電機性能，兼顧電池加熱，提升了車輛適應冬季的性能。電機與減速器共用殼體深度集成，最高轉速可達到17900r/min。采用分立式SiC功率模塊，額定電壓370V，最大輸出電流達到400Arms，器件低損耗，續航能力獲得提升。采用SiC器件使得電驅材料成本上升，但整車效率和技術先進性提高，整車成本方面獲得均衡。Model3三合一電驅動總成重量90kg，峰值功率165kW，三合一總成功率密度達到1.83kW/kg。

3.2 歐洲代表車型第四代和第五代電驅動系統

2014年，歐洲代表車型第四代電驅動總成搭載i3量產上市，電機、減速器、功率電子裝置輕度物理集成;逆變器、DC/DC、充電機之間深度集成為功率電子裝置。第四代電驅動總成驅動電機輸出功率達到125kW，電機功率密度達到3.81kW/kg，電驅動總成重量80.5kg。與第四代總成相比較，第五代電驅動總成從輕量化、功率密度提升、成本降低、量產工藝和寬禁帶半導體應用等五個方面做了提升。采用模塊化架構設計，可適配不同車型的安裝空間和功率要求;電機與減速器共用殼體，采用油冷電機設計;采用更緊湊設計、線圈制作更容易（插針繞組）;采用輕質鋁合金制外殼電機，電機可擴充多種性能應用，降低了稀土材料應用比例，預計2020年量產。

3.3 日本代表車型E-Axle“三合一”驅動系統

2017年9月日本電產宣布其研發的“三合一”驅動系統E-Axle量產上市，該電驅動系統采用平行軸品型機構，減速器速比11.2，最高輸出轉速達到1450rpm，最大軸端輸出轉矩3900Nm。電機輸出功率達到150kW，三合一總重量達到83kg，總成功率密度達到1.81kW/kg。同時，采用電機及減速器共油冷設計，通過Splash Cooling和Flow Cooling 二種油冷方式提升功率密度。采用圓導線精密排線高槽滿率繞組工藝，縮短了線圈端部，高速渦流損耗低。

3.4 國內代表車企三合一平臺

國內代表車企比亞迪推出了e平臺電驅動系統采用電機、控制器、變速器高度集成，擁有A+、A、B、C共4個平臺化系列產品，使得不同功率的產品可快速開發并適配于不同車型，滿足了A00、A0、A、B級等轎車對動力性加速和爬坡的需求。2019年，精進電動發布了適用于新能源乘用車“3000系列深度集成三合一純電驅動系統”，整個系統的總重約95kg，電機轉速16000rpm，最高功率160kW。上海電驅動從2015年開始布局集驅動電機、電機控制器和高速減速器的“三合一”電驅動總成研發，2018年6月實現量產。該總成通過模塊化設計形成峰值功率涵蓋95—145kW、電機最大輸出轉矩300Nm、轉速最高12800rpm。

4 新能源汽車驅動電機系統技術發展趨勢分析

4.1 我國驅動電機功率密度、轉速、效率等關鍵技術指標與國外相當

驅動電機發展以不斷提高材料利用率、提升電機品質和降低成本為主要方向。面向新能源汽車的更大規模應用，需要加大對低重稀土永磁材料、耐電暈耐高溫絕緣材料、高強度高熱導耐高溫絕緣材料、直接油冷電機材料的兼容性和高導磁低損耗材料替代應用等問題的關注。

4.2 在電機控制器方面，技術方向瞄準更高功率密度和更高效率

芯片雙面焊接與單面/雙面冷卻技術是提升電機控制器功率密度的關鍵。我國IGBT器件和功率模塊封裝技術與產業正在加速發展，嘉興斯達、中車時代、深圳比亞迪等在IGBT功率模塊封裝、控制器系統級工程化集成能力提升很快。

5 結論

純電驅動總成是乘用車領域一個明確的產品發展方向，我國起步與國外基本同步，我國有多個企業推出了電驅動總成產品。我國需要加快自主高速減速器及其軸承、齒輪等配套關鍵零部件開發，并強化電機和減速器的深度集成。我國電動汽車電驅動系統產業持續發展，產品涵蓋了硅鋼、磁鋼、絕緣材料、高速軸承、IGBT器件、碳化硅器件、膜電容器、傳感器、集成芯片等關鍵上游材料和器件，我國在高密度電機控制器、全碳化硅電機控制器、高密度驅動電機、電驅動總成等方面取得進展，在核心零部件方面推動研發與驗證，有望進一步提升我國核心器件和零部件的自主競爭力。

參考文獻：

[1]竇汝振.電動汽車驅動電機系統現狀及發展趨勢[J].變頻器世界，2007.

[2]陳躍.新能源汽車電機驅動系統控制技術分析[J].機電技術應用，2019.

作者簡介：茍毅彤（1969-），男，天津人，大專，副總工程師，主要研究方向：汽車測試試驗及整車控制系統研究。