新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢分析

【Cite this paper】DENG J， GONG X F， YU Q， et al. Analysis of Key Technologies and Development Trends in Electric Propulsion System for New Energy Vehicle[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（x）：

【摘要】電動汽車的發(fā)展對于解決能源危機(jī)和環(huán)境問題至關(guān)重要。為了分析電驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)并探索創(chuàng)新方向，推動新能源汽車發(fā)展，基于《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，概述了電驅(qū)動系統(tǒng)中的驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)控制器的關(guān)鍵技術(shù)及其性能指標(biāo)。通過分析電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題，預(yù)測其未來發(fā)展趨勢，提出了包括電機(jī)設(shè)計(jì)、控制算法、散熱技術(shù)、功能安全在內(nèi)的創(chuàng)新方向，以期為我國新能源汽車電驅(qū)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；電驅(qū)動系統(tǒng)；電機(jī)控制器；永磁同步電機(jī)；控制算法；功能安全；節(jié)能

中圖分類號：U469.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " "DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230290

AnalysisofKey Technologies and Development Trends inElectric Propulsion System forNew Energy Vehicle

Deng Jianming， Gong Xunfei， Yu Qin， Fan Huachun， Luo Feng

（Jiangxi Isuzu Motors Co.， Ltd.， Jiangxi 330108）

【Abstract】The development of electric vehicles is crucial for addressing the energy crisis and environmental challenges. To analyze the key technologies and propose innovative directions for advancing new energy vehicles， this paper， based on the \"Energy-saving and New Energy Vehicle Technology Roadmap 2.0，\" provides an overview of the critical technologies and performance metrics of traction motors and motor controllers within electric propulsion systems. By examining the current status and challenges of these systems， the paper forecasts future development trends and proposes innovative directions in motor design， control algorithms， thermal management， and functional safety. These insights aim to contribute to the further development of electric propulsion technologies in China’s new energy vehicle sector.

Keywords：Electricvehicle，Electric drive system， Motor controller， Permanent magnet synchronous motor， Control algorithm， Functional safety， Energy saving

0 引言

節(jié)能與新能源汽車是應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要措施之一，也是我國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要方向[1]。電驅(qū)動系統(tǒng)作為新能源汽車的動力核心，不僅決定了整車的性能與能源利用效率，還直接影響車輛的續(xù)航能力、動力響應(yīng)和整體駕駛體驗(yàn)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低碳排放的關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)水平和可靠性在很大程度上決定了我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)在全球市場中的競爭力和創(chuàng)新能力[2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在電驅(qū)動系統(tǒng)的研究方面取得了顯著進(jìn)展[3-4]。關(guān)于驅(qū)動電機(jī)的研究熱點(diǎn)主要集中在高效散熱、高頻軸承電流抑制、高精度位置傳感器、少重稀土永磁體以及永磁體輔助多層磁阻電機(jī)技術(shù)的開發(fā)方面。在控制器方面，研究重點(diǎn)主要包括低感高密度碳化硅（Silicon Carbide Devices，SiC）模塊、新型控制算法、高度集成封裝（Highly Integrated Packaging，HIP）、雙面冷卻技術(shù)、主動降噪控制策略以及功率半導(dǎo)體器件和驅(qū)動控制器封裝技術(shù)[5]。

本文基于《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，系統(tǒng)地分析電驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其創(chuàng)新方向，重點(diǎn)探討驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)控制器在提高新能源汽車性能和競爭力方面的作用，并提出我國在電驅(qū)動系統(tǒng)效率、功率密度、可靠性和安全性方面的改進(jìn)策略和建議。

1 電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新方向

在長期研究的基礎(chǔ)上，基于《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》的指導(dǎo)，電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新方向主要集中在驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動控制器2個關(guān)鍵部分。在驅(qū)動控制器方面，創(chuàng)新方向包括低感高密度SiC模塊技術(shù)、提升效率的新型控制算法、高集成度封裝技術(shù)、高效雙面冷卻技術(shù)、主動降噪控制策略，以及符合ISO26262功能安全的設(shè)計(jì)。在驅(qū)動電機(jī)方面，主要創(chuàng)新方向包括高效散熱技術(shù)、高頻軸承電流抑制技術(shù)、高精度位置傳感器技術(shù)，以及少（無）重稀土永磁體技術(shù)。除此之外，永磁體輔助多層磁阻電機(jī)技術(shù)和永磁同步電機(jī)技術(shù)也是未來發(fā)展的重要方向。這些技術(shù)創(chuàng)新旨在全面提升電驅(qū)動系統(tǒng)的性能、效率與安全性，滿足未來新能源汽車更高的要求，見圖1。

2 驅(qū)動電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 驅(qū)動電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展概述

驅(qū)動電機(jī)是新能源汽車的關(guān)鍵執(zhí)行組件，對汽車?yán)m(xù)駛能力、加速性能及噪聲強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響。驅(qū)動電機(jī)主要包括直流有刷電機(jī)、交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)3種類型。直流有刷電機(jī)在20世紀(jì)90年代初期得到廣泛應(yīng)用，但其效率低且使用壽命短，逐漸被交流異步電機(jī)和PMSM取代。交流異步電機(jī)可靠性高，但其功率密度較低。PMSM具有效率高的特點(diǎn)，將成為未來新能源汽車動力系統(tǒng)的主流選擇。然而，PMSM成本高且對稀土材料依賴性較強(qiáng)，因此，在其實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用前，需要克服一系列技術(shù)難題。

表1對5項(xiàng)驅(qū)動電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢以及其面臨的技術(shù)難題進(jìn)行了對比，包括高效散熱技術(shù)、高頻軸承電流抑制技術(shù)、高精度位置傳感器技術(shù)、少（無）重稀土永磁材料和永磁體輔助多層磁阻電機(jī)技術(shù)。

2.2 驅(qū)動電機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)

驅(qū)動電機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)直接影響電驅(qū)動系統(tǒng)的整體性能、能耗和舒適性，是評估和優(yōu)化驅(qū)動電機(jī)設(shè)計(jì)的核心參數(shù)。理解關(guān)鍵指標(biāo)的作用和意義，有助于深入理解電驅(qū)動系統(tǒng)在新能源汽車中的地位與價值。驅(qū)動電機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)主要包括功率密度、功率、轉(zhuǎn)矩密度以及噪聲。

（1）功率密度。功率密度是指電機(jī)的輸出功率與電機(jī)質(zhì)量的比值，反映了電機(jī)的輕量化程度。新能源汽車搭載高功率密度電機(jī)可以減輕其質(zhì)量，提高電動汽車的續(xù)駛里程。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2023年全球電動汽車驅(qū)動電機(jī)的平均功率密度約為3.2-3.3 kW/kg，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到4 kW/kg[6]，預(yù)計(jì)復(fù)合年增長率約為14.5%。提高電機(jī)的功率密度的技術(shù)路徑主要包括采用高性能永磁體、優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)以及提高電機(jī)散熱效果。

（2）效率。效率是指電機(jī)的輸出功率與輸入功率的比值，反映了電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。高效率的電機(jī)可以有效降低能量損耗，提高能量利用率，因此，新能源汽車對電機(jī)的效率具有較高要求。提高電機(jī)效率的技術(shù)路徑主要包括采用高效率控制算法、降低電機(jī)的銅損和鐵損以及抑制電機(jī)的軸承電流。

（3）轉(zhuǎn)矩密度。轉(zhuǎn)矩密度是指電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)體積的比值，反映了電機(jī)的動力性能。新能源汽車應(yīng)具有較高的扭矩密度，以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，提高加速性能。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2023年全球新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩密度約為5.0 N·m/L，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到6.2 N·m/L[7]。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)復(fù)合年增長率約為5.7%。提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的技術(shù)路徑主要包括采用高性能永磁體、優(yōu)化電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)以及提高電機(jī)的電流密度。

（4）噪聲。噪聲是指電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的聲壓級，反映了電機(jī)的噪聲水平。新能源汽車對電機(jī)的噪聲要求較為嚴(yán)格，旨在減輕電機(jī)噪聲對駕駛員及乘客的干擾，提高新能源汽車舒適性。降低電機(jī)噪聲的技術(shù)路徑主要包括低噪聲控制策略、降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動以及減少電機(jī)的機(jī)械振動。

3 驅(qū)動電機(jī)控制器關(guān)鍵技術(shù)

3.1 驅(qū)動電機(jī)控制器關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展概述

驅(qū)動電機(jī)控制器是電驅(qū)動系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)根據(jù)駕駛員的意圖和車輛的工況，控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率輸出。驅(qū)動電機(jī)控制器的性能和效率直接影響新能源汽車的動力性能和能耗水平。為了提高驅(qū)動電機(jī)控制器的性能和效率，一些新型技術(shù)得以研究發(fā)展，如SiC模塊技術(shù)、提升效率的新型控制算法、高集成度封裝技術(shù)[8]、高效雙面冷卻技術(shù)、主動降噪控制策略以及符合ISO 26262[9]的功能安全技術(shù)，表2種列處了驅(qū)動電機(jī)控制器關(guān)鍵技術(shù)分析。

3.2 驅(qū)動電機(jī)控制器關(guān)鍵指標(biāo)

驅(qū)動電機(jī)控制器關(guān)鍵指標(biāo)對電驅(qū)動系統(tǒng)的性能、耐久性和安全性起著至關(guān)重要的作用，明確關(guān)鍵其作用和意義，有助于理解電機(jī)控制器在推動新能源汽車技術(shù)進(jìn)步中的重要性。驅(qū)動電機(jī)控制器的關(guān)鍵指標(biāo)主要包括功率密度、效率、可靠性和安全性。

（1）功率密度。功率密度是指電機(jī)控制器的輸出功率與電機(jī)控制器的體積的比值，反映了電機(jī)控制器的小型化程度。新能源汽車對電機(jī)控制器的功率密度要求較高，以降低電機(jī)控制器的體積，提高新能源汽車的空間利用率。提高電機(jī)控制器功率密度的技術(shù)路徑主要包括采用高性能SiC器件、優(yōu)化電機(jī)控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及提高電機(jī)控制器的散熱效果。

（2）效率。效率是指電機(jī)控制器的輸出功率與輸入功率的比值，反映了電機(jī)控制器的能量轉(zhuǎn)換效率。新能源汽車對電機(jī)控制器的效率要求較高，以降低電機(jī)控制器的能量損耗，提高新能源汽車的能量利用率。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2023年全球新能源汽車驅(qū)動電機(jī)控制器的平均效率約為94%，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到97%[10]。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)復(fù)合年增長率約為1.0%。提高電機(jī)控制器效率的技術(shù)路徑主要包括采用高效率控制算法、降低電機(jī)控制器的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗、以及抑制電機(jī)控制器的寄生電感。

（3）可靠性。可靠性是指電機(jī)控制器在規(guī)定的工作條件和工作時間內(nèi)，不出現(xiàn)故障的概率，反映了電機(jī)控制器的穩(wěn)定性和耐久性。新能源汽車對電機(jī)控制器的可靠性要求較高，以保證電機(jī)控制器的正常工作，提高新能源汽車的可靠性。提高電機(jī)控制器的可靠性的技術(shù)路徑主要有采用高可靠性SiC器件、優(yōu)化電機(jī)控制器的故障診斷和保護(hù)機(jī)制、提高電機(jī)控制器的抗干擾能力等。

（4）安全性。安全性是指電機(jī)控制器在出現(xiàn)故障時，能夠及時采取措施，避免對人員和設(shè)備造成危害的能力，反映了電機(jī)控制器的安全保障水平。新能源汽車對電機(jī)控制器的安全性要求較高，以防止電機(jī)控制器的故障引發(fā)新能源汽車的事故，提高新能源汽車的安全性。提高電機(jī)控制器的安全性的技術(shù)路徑主要有采用符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化電機(jī)控制器的故障恢復(fù)和隔離機(jī)制、提高電機(jī)控制器的防火防爆能力等。

4 電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展趨勢

隨著新能源汽車市場的快速發(fā)展，電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)面臨更高的性能和效率要求。本章將簡要分析電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，探討電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)未來的創(chuàng)新方向。

4.1 電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和存在問題

電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀表現(xiàn)為技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用的廣泛擴(kuò)展。隨著新材料、新工藝和先進(jìn)控制算法的引入，電驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度、效率和智能化水平得到顯著提升。在電機(jī)設(shè)計(jì)、控制策略和封裝技術(shù)方面均取得了重要突破，為新能源汽車的性能提升和成本降低提供了有力支持。（1）形成了以PMSM和交流異步電機(jī)為主的產(chǎn)品體系，覆蓋多種類型和規(guī)格。（2）建立了完善的產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)了各環(huán)節(jié)的自主化。（3）取得了一些自主知識產(chǎn)權(quán)和創(chuàng)新性技術(shù)成果，應(yīng)用于部分新能源汽車品牌和型號。（4）積累了一定的技術(shù)人才和經(jīng)驗(yàn)，形成了一些具有影響力的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)[11]。

盡管電驅(qū)動系統(tǒng)取得了顯著進(jìn)展，但中國電驅(qū)動發(fā)展仍面臨技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)協(xié)同、市場競爭等挑戰(zhàn)。（1）技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量與國際先進(jìn)水平仍有差距，特別是在高速大功率PMSM、高效率高可靠性交流異步電機(jī)、高集成度高智能度電驅(qū)動總成等方面。（2）產(chǎn)品和市場結(jié)構(gòu)不合理，過于依賴低端產(chǎn)品和國內(nèi)市場，缺乏高端產(chǎn)品和國際市場的競爭力。（3）產(chǎn)業(yè)協(xié)同和創(chuàng)新能力不強(qiáng)，存在供應(yīng)不穩(wěn)定或質(zhì)量不過關(guān)的問題，以及各環(huán)節(jié)之間缺乏溝通和協(xié)調(diào)。（4）標(biāo)準(zhǔn)體系和法規(guī)政策不完善，與國際標(biāo)準(zhǔn)不一致或滯后，缺乏技術(shù)支持和市場引導(dǎo)。

4.2 指導(dǎo)方針

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線2.0》著重強(qiáng)調(diào)純電驅(qū)動發(fā)展，并設(shè)定了2035年的電動化目標(biāo)。以下是其中提出的3點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)指導(dǎo)：（1）高效電機(jī)系統(tǒng)。強(qiáng)調(diào)提升驅(qū)動電機(jī)的功率密度、效率和智能化水平[12]。2035年預(yù)期乘用車電機(jī)功率密度達(dá)到7 kW/kg，電機(jī)控制器功率密度達(dá)到70 kW/L，驅(qū)動系統(tǒng)功率比達(dá)到3 kW/kg。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)需要在材料、結(jié)構(gòu)和控制方面充分創(chuàng)新[13]，如采用高性能永磁材料、扁線繞組、集成設(shè)計(jì)、數(shù)字控制等技術(shù)。（2）多模式適應(yīng)性。電驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具備適應(yīng)不同動力源和傳動裝置的能力，滿足純電動、插電式混合動力和氫燃料電池汽車的性能需求。（3）安全性和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)化。為了構(gòu)建智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)體系和新產(chǎn)業(yè)生態(tài)，電機(jī)系統(tǒng)必須在復(fù)雜道路和交通條件下保持安全運(yùn)行，并能夠在高溫、低溫、高濕度、腐蝕以及振動等惡劣環(huán)境中保持性能的穩(wěn)定性。

4.3 電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展趨勢

電驅(qū)動系統(tǒng)將繼續(xù)以高功率密度、高效率、高智能化和高安全性為發(fā)展方向，以滿足新能源汽車不斷提升的性能和可靠性要求。

在此背景下，PMSM將繼續(xù)占領(lǐng)市場主導(dǎo)地位，但新型電機(jī)如永磁體輔助多層磁阻電機(jī)、無刷直流電機(jī)和無刷雙饋電機(jī)也將因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)勢逐漸受到關(guān)注。同時，SiC器件將取代IGBT和MOSFET成為主流選擇，可顯著提高控制器的效率、功率密度和可靠性，但需解決成本、可靠性和兼容性問題。在控制算法方面，MPC將取代矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制成為主流控制算法，提供快速響應(yīng)和高精度控制，但需解決計(jì)算復(fù)雜度和參數(shù)辨識等問題。此外，HIP將逐步取代傳統(tǒng)封裝，實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化，提高功率密度和效率，但需解決熱應(yīng)力、電磁干擾和可靠性評估問題。最后，功能安全將成為設(shè)計(jì)原則，遵循ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)故障診斷、故障保護(hù)和故障恢復(fù)，保障新能源汽車的安全運(yùn)行。

5 結(jié)束語

本文明確了電驅(qū)動系統(tǒng)在《節(jié)能與新能源汽車路線圖2.0》目標(biāo)中的關(guān)鍵作用。闡述了新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的五個關(guān)鍵創(chuàng)新方向。首先，在新型高效電機(jī)設(shè)計(jì)方面，開發(fā)高效、輕量化的新型電機(jī)，如永磁體輔助多層磁阻電機(jī)，結(jié)合先進(jìn)材料和制造技術(shù)，提高性能和耐久性。其次，智能化控制算法的引入，通過人工智能和大數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化控制算法，提高控制精度和響應(yīng)速度。第三，采用MHE等先進(jìn)冷卻技術(shù)，提高散熱效率和系統(tǒng)可靠性。第四，通過EPM等技術(shù)實(shí)現(xiàn)高度集成化設(shè)計(jì)，將功率器件嵌入PCB中，減少連接件和焊點(diǎn)，降低成本，提高集成度和可靠性。最后，全面功能安全設(shè)計(jì)按照ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，提升電驅(qū)動系統(tǒng)的功能安全設(shè)計(jì)，確保故障狀態(tài)下的安全性能。通過這些創(chuàng)新方向的探索和實(shí)施，能夠顯著提升我國新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)水平和市場競爭力。

通過分析電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題，預(yù)測其未來發(fā)展趨勢，提出相應(yīng)創(chuàng)新方向，并提出了包括電機(jī)設(shè)計(jì)、控制算法、散熱技術(shù)、功能安全在內(nèi)的創(chuàng)新方向。本文旨在為我國電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展提供實(shí)質(zhì)性參考，并為電驅(qū)系統(tǒng)未來研究發(fā)展方向提供參考。在MPC方面，本文提出了針對計(jì)算復(fù)雜度和參數(shù)辨識的描述分析。在探討新型電機(jī)性能提升策略方面仍顯不足，且對冷卻技術(shù)的實(shí)施細(xì)節(jié)缺乏詳細(xì)分析。未來的研究應(yīng)聚焦于新型電機(jī)設(shè)計(jì)的深入研究、結(jié)合人工智能的智能控制算法優(yōu)化、散熱技術(shù)的改進(jìn)以及功能安全設(shè)計(jì)的強(qiáng)化，以提升系統(tǒng)的可靠性和安全性。

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