新能源汽車驅動電機關鍵技術研究

張龍

摘 要：目前，新能源汽車的研發和推廣都是順應時代的發展潮流。新能源汽車以其“零污染”、“零排放”的特點，與當前節能環保的理念不謀而合，不僅能滿足人們的出行需求，而且符合環境保護的可持續發展思想。因此，對新能源汽車驅動電機的關鍵技術進行研究至關重要。本文通過對新能源汽車的概念和優點的總結，并對新能源汽車驅動系統的具體驅動模式進行深入分析，總結了驅動控制器的核心技術以及驅動電機關鍵技術，以期對新能源汽車的技術發展有所幫助。

關鍵詞：新能源汽車 驅動模式 驅動控制器 驅動電機 關鍵技術

1 引言

我國幅員遼闊，但人均資源匱乏，石化能源大量依賴進口，單位GDP能耗較高，發展高效率的電驅動技術的新能源汽車，對于國家能源安全有著重大的戰略意義。與此同時，國內汽車內燃機技術與歐美先進水平還有較大差距，今后十年內很難追趕。鑒于目前國內電動汽車技術與西方發達國家的總體水平相差不大，因此，發展電動汽車將成為國內車企追趕西方先進企業、實現彎道超車的一個重要契機。在新能源汽車領域，電池技術、電機控制技術是新能源汽車的核心技術。在目前的電池技術尚未取得突破性進展的情況下，如何改善驅動電機效率、功率密度、安全性、可靠性，已成為驅動電機的重要研究領域，同時也是各國政府及企業制訂政策及發展計劃的重要目標。

2 新能源汽車概述

2.1 基本概念

新能源汽車的實質是一種新型能源汽車，采用了非常規的車用燃料作為動力。除了石油以外，其他的新型可再生能源，如純電動力汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車和氫發動機汽車等多種分類。相比于汽油，新能源汽車的優勢在于它具有低污染、環保的特點，同時也能緩解石油的緊缺問題。

2.2 新能源汽車優勢

與傳統的燃油車輛相比，新能源汽車不僅可以減少車輛的噪聲，而且在安全性能上也有所提高。另一方面，新能源汽車的壽命更長，污染范圍也更小，而且具有環保和節能特點。當今世界，人們一直在為石油匱乏和不可再生而煩惱，因此很早之前就開始尋找替代能源。因此，盡管我國提出了“節能減排”的理念，以緩解石油資源不斷消耗的困境，但這并不能從根本上解決問題。因此，相關部門對新能源汽車的發展給予了較大支持，就是為了在資源的開發上能夠有新的突破。

2.3 新能源汽車涉及驅動電機系統

目前，我國在新能源汽車相關驅動系統研究上還處于起步階段，與新能源汽車相關驅動系統開發速度較慢，在質量和安全性上還存在著一些問題。因此，新能源汽車驅動電機必須繼續研究，確保驅動電機的功率輸出和控制，確保新能源汽車的驅動系統的高效性。

鑒于目前新能源汽車的配置，特別是新能源混合動力系統，其驅動系統布置在狹窄的空間范圍中，且操作環境較為復雜，它要承受較大震動力量，很容易集聚灰塵，有很強的沖擊力，易于被腐蝕等。因此，必須確保與新能源汽車有關的驅動電機系統有特定要求。第一，驅動電機系統必須是相對可靠，確保在各種情況下都能保持良好的安全性能；第二，驅動電機系統需要有相對低速的扭矩狀況，且在較寬范圍中的速率值較高及恒定功率值，如果沒有變速器，驅動電機系統也必須滿足相應的扭矩要求；第三，驅動電機系統的具體體積應更小、重量更輕；第四，驅動電機系統必須滿足四至五倍的過載要求，在較短的時間內完成加速和攀爬斜坡的要求；第五，驅動電機系統的具體功率密度應該更高，相應體積密度也應該更大，并且可以降低新能源汽車的總重量，增加新能源汽車的續駛里程；第六，驅動電機系統應該有更寬的調整速度要求，在較大轉速和較大扭矩范圍內，以較高效率延長新能源汽車的續駛里程；第七，驅動電機系統應具有較好的控制狀態，具有較好的匹配穩定性、較高的相關精度；第八，驅動電機系統的成本要控制在合理范圍內，不能過高，要符合新能源汽車的市場接受程度。

3 新能源汽車驅動系統的具體驅動模式

3.1 純電動驅動方式

新能源汽車純電動驅動模式包括，集中電動驅動模式和分布電動驅動模式。集中電動模式以一臺電動機為新能源汽車提供動力，采用集中式電力驅動方式時，可以將電動機和減速器整合在一起，而不需要改變功率，減少電動機相應的峰值扭矩，從而減小新能源汽車發動機的體積，進而可以減少與新能源汽車電機相關的費用支出，目前大部分的新能源純電動汽車都采用集中電力驅動方式。分布電力驅動模式包括兩個以上的功率輸出結構，而新能源汽車在車輪上安裝電動機，可以減少與新能源汽車的能量消耗，這主要是由于分布電動驅動模式產生的電能可以被移動到安裝在車輪上的電動機上，在不使用傳動軸和變速箱的情況下，有效地降低了相應的能耗和損耗，同時可有效分配新能源汽車各個車輪動力，從而保證了新能源汽車的安全行駛。

3.2 混合動力驅動方式

全混式是一種常見的混合動力驅動方式，在電動機和發動機上都有不同的機械更改速率設置，既可以采用齒輪法，也可以采用行星齒輪法來調節新能源汽車的發動機和發動機的轉速。并聯式混合是一種常見的混合動力驅動方式，而并聯式混合的新能源汽車通常采用集成式啟動發電機，包括傳統的內燃機和電機驅動，兩者可以單獨運行，也可以協同運行，保證新能源汽車的驅動駕駛。根據發動機和電機的相應功率，混動動力驅動系統可以分為微混式、中混式和全混式三種，其中，皮帶驅動下的起動和發電機采用微混式，整體式啟動采用中混式，驅動電機與電動機的關聯系統采用全混合。皮帶驅動和發電機相應的功率較低，可以促進發動機的啟動速度高于怠速，啟動發動機可以給蓄電池充電。一體化集成下的啟動發電機更適合于復雜道路，而新能源汽車則更容易使用，成本也更低。驅動電機和發電機能夠比較靈活的根據不同的工況來調節內燃機的工作狀態，但是這種方式比較復雜，需要的成本也較高。

4 驅動控制器的核心技術

4.1 功率半導體器件技術

采用高性能功率半導體器件、智能柵極驅動、器件級一體化設計等技術，可為電機控制器的高功率、低功耗、高效能提供理論依據。同時，高性能、可靠的電機控制器對電磁兼容性EMC的性能和可靠性有較高要求。功率半導體器件技術是以功率半導體裝置為基礎，由基于硅基的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）向常規單邊晶體管的轉變。

4.2 硅基門極 IGBT 門極芯片技術

由于科技迭代和不斷完善，相對于寬頻帶隙半導體設備而言，硅基IGBT將會是電機控制器的首選。英飛凌公司研發出了EDT2芯片，并在新能源汽車上應用了大量的750 V柵極/270 A柵極 IGBT柵極晶體管，以滿足高功率密度要求。日本富士通等廠商也在研發這種技術，而高功 IGBT晶片的技術也在逐步推廣。另外一個重要優勢在于，柵極和飽和電子的漂移速度可以達到225℃以上。這比目前硅基IGBT的最高應用結點溫度高出了175℃。柵極SiC器件切換速度快，適用于較高的切換頻率，適用于高速電動機的控制。

4.3 智能門極驅動技術

IGBT門極驅動電路的基本隔離、驅動和保護功能之外，還應根據IGBT自身特點，對開關過程進行準確控制，從而實現IGBT的最優均衡。智能門極驅動技術的兩大功能分別是：主動門控制、監控與診斷。智能門極驅動技術基本思路是，把IGBT的開、關兩個過程分成若干個階段。針對一些問題，只需分別選擇對應相位。綜上所述，智能門極驅動技術能夠協助使用者最大限度地發揮功率半導體元件的效能，降低損失及提升電壓使用效率，從而能夠對電力半導體裝置的安全性進行評估。電機控制器具有較高的安全性、靈活性和可靠性。

4.4 功率元件的集成設計

新能源汽車具有輸出密度高、使用壽命長、可靠性高等優點。功率元件在工作中，因受電子的作用，往往會產生一些熱量，若不能及時排出熱量，對于新能源電動車的驅動電機功率元件的效率和穩定性有較大影響，而原料的散熱能力較好時，所需的成本也比較高，所以在設計電力系統時，應注意在散熱、機械強度、價格等因素的綜合考慮，以及在電機各部件間的整合，以達到最佳的物理整合效果。實現高功率、高可靠性的設計，是電氣、熱、磁、電動機控制器等的主要目的。需求集成設計技術是將汽車及動力系統的需求延伸至IGBT晶片的設計與封裝。根據汽車的設計和性能要求，從系統到核心部件的需求，采用自頂向下的最優設計方法，其優點是可以提高汽車的行駛里程。

4.5 其它關鍵性技術

在上述技術之外，在新能源產業中也存在著一些其他重要技術問題。門極EMC與可靠性設計是新能源汽車電機控制器產業化的關鍵技術之一。門極EMC和可靠性設計是衡量功率電子器件性能的一個重要指標。提高EMC的效率是新能源業界的目標。在此基礎上，對新能源汽車電機控制器進行研究，并對其進行了可靠性設計，在此基礎上，利用有限元方法，建立了EMC的高頻模擬模型，對EMC的失效機制進行研究，通過試驗驗證，達到了預期目的。未來電磁兼容性的前瞻性設計已經完成，并且將會逐漸實現，而這將會成為主流技術路線。密閉交通工具的功能性和安全性設計，能夠有效減少因電力、電子設備不正常操作而造成的各類交通安全隱患。德國與美國汽車電子廠商聯合推出一種魯棒性檢驗（RV）方法。該技術已被Infineon門極技術和Bosch門極集團廣泛應用于電機控制器等半導體離散裝置的可靠性設計。但該復合體系的適應性和有效性有待于深入研究。

5 驅動電機關鍵技術

5.1 扁銅線技術

采用發卡型定子繞組，能有效地改善電動機的定子槽滿率，提高電機的功率密度。另外，發卡型定子線圈具有更小的末端尺寸，因此銅損耗更小、熱輻射更強。目前，這類電機的生產技術、設備和專利均來自于日本、意大利、德國等傳統的汽車工業大國。從2018年起，深圳市匯川科技有限公司、松正電動車科技有限公司等國內的電動汽車配件廠商也紛紛發力，紛紛推出了自己的扁銅線電機。但是，與常規圓銅繞組相比，扁銅繞組具有較好的高頻趨膚效果。在高功率的驅動電機中，發卡式定子線圈所引起的電流損失問題更為嚴重。發卡線圈制造工藝比較復雜，在彎曲扁銅絲后，絕緣層極易被破壞，出現凹痕或破裂。目前，發卡式定子線圈的趨膚效應及渦流損失已成為目前的研究熱點。改進發卡式定子繞組的工藝及制造精度，將有助于推進這一工藝的國產化。

5.2 多相永磁電機技術

多相電機的母線電壓比常規三相電機低、扭矩波動小、容錯性好，適合于對噪聲、振動、聲振粗糙（NVH）高的新能源汽車驅動系統。以雙三相永磁同步電動機為例，其兩組線圈之間的電角度為30°，可有效地消除5、7次諧波磁位，極大地降低了電機的轉矩波動。同時，雙三相永磁同步電機的兩個線圈均為絕緣中線，與4相、5相電機相比，其階次較低，易于分析和控制，由于該方法在不需改變算法的情況下，可以實現電機的容錯運行控制，因而雙三相永磁同步電機已成為新能源汽車的一個重要研究方向。

5.3 永磁同步磁阻電機技術

永磁同步磁阻電機是“永磁同步電動機+磁阻電動機”的結合體，具有較小的磁鏈和較高的磁阻轉矩，是一種低稀土/無稀土永磁電動機的新技術。永磁同步磁阻電機不僅具有高的轉矩電流比、高功率密度、低磁飽和問題，而且它的調速范圍更大。所以永磁同步磁阻電機在寶馬i3、i8系列中得到了廣泛應用。目前，永磁同步磁阻電機是目前業內最受歡迎的技術發展方向。然而，其結構設計復雜，制造工藝繁瑣，制造設備成本高，最優電流角的變化較大，是目前研究的熱點和難點。因此，永磁同步磁阻電機的發展將會給那些嚴重依靠低價稀土永磁體，研發能力和加工能力較弱的公司帶來巨大沖擊。

5.4 輪轂電機技術

輪轂電機有多種型式，但目前對其的研究多以外轉子輪轂電機為主。輪轂電機的使用將為新能源汽車提供一系列顯著優勢，省去了變速器、傳動軸、差速器等機械部件，使其具有四輪分布動力，并留下更多的底盤空間給電池包。然而，目前驅動電機的輪轂化仍面臨許多問題，例如彈簧重量和轉動慣量的大幅提高，電機的防水防塵、散熱問題，以及更復雜的驅動控制算法。目前，普羅泰、伊拉菲等國外廠商已開發出一批新產品，并與亞太機電、萬安科技等企業進行了國產化合作。同時，湖北泰特機電有限公司等國內企業也相繼推出了一套用于大型商業和特殊汽車的輪轂電機產品。

5.5 永磁體散熱技術

永磁材料的穩定性是影響汽車驅動電動機輸出性能的關鍵因素。由于工作溫度的提高，永磁材料發生退磁，使電機的輸出扭矩下降。另外，由于永磁材料的工作溫度過高，也會縮小驅動電機的高效運行區域，降低功率因數。為了解決這一問題，目前已有不少學者在永磁電機永磁材料的溫度監控技術上進行了大量理論探討。然而，采用性能穩定、價格低廉的溫敏元件，以滿足新能源汽車的需要，仍然是目前最安全的選擇。目前，對電機散熱方法的研究多集中在定子繞組和端部繞組方面，如果能夠從轉子的角度來研究其散熱結構及散熱模式，將有助于改善新能源汽車的動態穩定性。另外，在高功率密度電機中開發出耐熱永磁材料，可從根本上解決高負荷高溫環境下永磁材料的磁性衰減問題。

6 結語

綜上所述，新能源汽車的電機驅動技術直接關系到新能源汽車的安全運行，因此，新能源汽車的研究人員需要不斷開發更為先進的驅動技術，為新能源汽車產業的發展打下堅實基礎。我國是全球第一大汽車市場，也將迎來新一輪的產業變革。基于IGBT的傳統硅基電機控制器將會在今后數年內繼續占據主導地位。乘用車驅動控制裝置是今后汽車傳動系統的發展趨勢。我們必須認識到自身對稀土永磁材料的依賴性，在電機設計、材料、生產等方面，必須及早引入世界先進技術，為新能源產業發展提前規劃布局。

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