電動汽車的驅（qū）動控製技術

電機驅動控製器作為新能源汽車中連接（jiē）電池與電機的電能轉換單元，是電機驅動及控製係統的核心。其中高性能功率半導體器件、智能門極驅動（dòng）技術以及器件級集成設計方法的應用，將有助於實現高功率密（mì）度、低損耗、高效率電機控製器設計;同時，高性（xìng）能、高可靠電機控製（zhì）器（qì）產品，還要求（qiú）具有（yǒu）高標準（zhǔn）電（diàn）磁兼容性(EMC)、功能安全和可（kě）靠性設計。

　　(一)功率半導體器件技術

　　電（diàn）機控製器的發展以功率半導（dǎo）體器件為主線，正從矽基絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、傳統（tǒng）單麵冷卻封裝技術，向寬禁帶半導（dǎo）體(如 SiC、GaN 等（děng）)、定（dìng）製（zhì）化模塊封裝、雙麵冷卻集成等方（fāng）向發展。同時，得（dé）益於成（chéng）熟的技術迭代，以及相比於寬禁（jìn）帶半導體器件更（gèng）低（dī）的成本，矽基 IGBT 仍然是（shì）當前與（yǔ）未來較長時間內電機控製器（qì）產品的主要選擇。

　　在矽基 IGBT 芯片技術上，英飛淩科技公司針對（duì）新能源汽車市場高功率（lǜ）密（mì）度需（xū）求，已研發出 EDT2芯片技（jì）術，實現了 750V/270A IGBT 芯片量產，富（fù）士（shì）集團等日本廠商也都相繼研發出了高功率密度 IGBT芯片技術，並已批量應用於汽車 IGBT 模塊產品。此外，與矽基器件(如 IGBT、MOSFET 等)相比（bǐ），SiC 器件屬（shǔ）於第三代半導體材料（liào）功率器件，具有高熱導率、耐高（gāo）溫（wēn）、禁帶（dài）寬度大、擊穿場強高、飽和電子（zǐ）漂移速率大等優勢（shì），結溫耐受可以達到 225 ℃甚至更（gèng）高，遠高於當前矽基 IGBT 175 ℃的最高應用（yòng）結（jié）溫。SiC 器件開關速度更（gèng）快，可應用於更高的開（kāi）關頻（pín）率（lǜ），更（gèng）適用於高速電機的控製。同時，相比矽基 IGBT，SiC 器件的（de）開關損耗（hào）和導通損耗均大幅降低，有助於降低整車百千米耗電量，提升（shēng）整車續（xù）航裏程 [1]。但是（shì）當前 SiC 器（qì）件成本仍遠高於矽基IGBT，這成為阻礙 SiC 器件推廣的重要因素。

　　同時（shí），銅線鍵合、芯片倒裝、銀燒結、瞬態（tài）液相（xiàng）焊（hàn）接等新型封裝技術（shù）可（kě）以提（tí）高 IGBT 功率模塊的載流密度與壽命，因此也成為當前的研究熱點。目前，電裝、德爾福、英飛淩、株洲中車時代（dài）電氣股份有限公司等已研製（zhì）出基於雙麵冷卻的 IGBT 模（mó）塊與（yǔ）電機控製（zhì）器產品，部分已隨整車產品獲得批量應用。基於矽基 IGBT 的電機控製器（qì）設計在未來相當長一段時間內仍將為市場的主流選擇，矽基（jī） IGBT器件芯片與功率（lǜ）模塊封裝技術將（jiāng）在不斷（duàn）的（de）優化迭（dié）代中（zhōng）獲得提（tí）升。

　　(二)智能門極（jí）驅動技術

　　門極驅動技（jì）術是電機控製器中高壓功率半（bàn）導體器（qì）件和低壓控製電路的紐帶，是驅動功率半導體器件的關鍵。IGBT 門極（jí）驅動除（chú）具有基（jī）本的隔離、驅動和保護功能外，還需結合 IGBT 自（zì）身特性，精確地控製開通和關斷過程（chéng），使 IGBT 在損耗和電磁幹擾(EMI)之間取得最佳的折衷 [2]。

　　智能門（mén）極驅動的兩大主要特點分（fèn）別為：主動門極（jí）控製（zhì）和監控診斷功能。主動門極控製是根據工作運行環境和工況，對 IGBT 開關過程進行主動精細化最優控（kòng）製的一種方法。主動門極（jí）控製技術是當前 IGBT應用（yòng）領域的研究熱點，其基本思路是把 IGBT 開通過程和關斷（duàn）過程（chéng）分別（bié）劃分為幾個不同的階段，針（zhēn）對某一（yī）問題隻需對相應的階段進行（háng）獨立的（de）門（mén）極調控，對其他參數產生很小的(甚至不產生)負麵影響（xiǎng） [3]。

　　綜上所述，智能門極驅動的應用，將（jiāng）有助於（yú）充分發揮功率半導體器件（jiàn）性（xìng）能，如降低損耗、提升（shēng）電壓利用率等，並實現功（gōng）率半導體器件（jiàn）的健康狀態在線評估，滿足（zú）電機控製器高安全性、高（gāo）可靠性設計的目標。

　　(三)功率組件的集成設計

　　國（guó）際上典型的（de）電機控（kòng）製（zhì）器產品為適應新（xīn）能源汽車高功率密度、長壽命與高可靠性的要求，大多數的功率半導體模塊封裝均為定向設計 [4]，功率半導體器件與其他電子部件之間（jiān）的界限日趨融合，基於器（qì）件的集成設計已成為新能源汽車電機控製器發展的新趨勢。

　　器件級集成設（shè）計技術主要分為物理集成（chéng）與需求集成設計（jì）。物理集成設計是通過研究電機（jī）各（gè）個器件之間物理結構的集成設（shè）計方法（fǎ），實現寄生參數、散熱、機械強度等的平衡優（yōu）化，實現機、電、熱、磁等的最優設計（jì），最終達到（dào）電機控製器高功率密度、高可（kě）靠性的設計目標。需求集（jí）成設計技術是指將整車和電驅動係統需求向前（qián）延伸至 IGBT 芯片設計、功率模（mó）塊封裝領域，根據整車設計（jì）與性能需求，建立以整車需求為導向，由係統向核心零部件自上而下（xià）的優化設計方（fāng）法。其所帶來的優勢將是整車續航裏（lǐ）程的增加或電池容量需求的降低。

　　(四)其他關鍵技（jì）術

　　除上（shàng）文所述三大（dà）關鍵技術以外，還有下述幾個關鍵技術（shù）需（xū）要（yào）在未來的新能源汽車產業引起重視。

　　(1)EMC 與可靠（kào）性設計也是實現新能源汽車電機控製（zhì）器產業化的關鍵技術。EMC 與可靠性設計是評價電（diàn）力電子產品（pǐn）的關鍵指標。進行更有效的EMC 設計是業內一直在追尋的（de）目標。其（qí）中，基於有限元分析的方（fāng）法建立（lì）“元件 – 部（bù）件 – 控製器”的EMC 高頻（pín）仿真模型，研究失效（xiào）機理，並結合試驗驗證，最終實現電磁兼容的正向設計（jì），將逐漸成為主流的技術路線。

　　(2)汽車功能安全設計可以消除或顯著降低由電子與電氣係統的功能異常而引起的各類整車安全風險。當前電機控（kòng）製器（qì）功能安全需求多為 ASIL C等級，但在未（wèi）來，電機控製器功能安全（quán）需求或將提升為 ASIL D 級（jí），這需要複（fù）雜度更高、冗餘性更（gèng）強、可靠（kào）性（xìng）指標更（gèng）高的電機控製器產（chǎn）品設計 [5]。

　　(3)電機控製器產品的可靠性設計。電機控製器作為新能源汽車的核心驅動單元，其可靠性指標直接影響著整車的駕乘體驗與市場口（kǒu）碑。德國和（hé）美國汽車（chē）電子廠商聯（lián）合提出了魯棒性驗證(RV)方（fāng）法 [6]，該方（fāng）法已經被英飛淩科技公司、博世集團廣泛應用於半導體分（fèn）立器（qì）件的可靠性設計分析，對於諸如電機控（kòng）製器等的複雜係統（tǒng），其適用性（xìng）與有效（xiào）性還在進一步（bù）探索中。

　　三、驅動電機關（guān）鍵技（jì）術

　　新能源汽車采用電動機取（qǔ）代傳統的內燃機作為動力輸出（chū）部件（jiàn）。隨著新能源汽車對驅動電機寬調速範圍、高功率密度、高效率等性能要求的提高，稀土永磁體勵磁的永磁同步電機技術（shù）逐漸取代（dài）傳（chuán）統直（zhí）流（liú）電機、感應電機驅動技術作為新能源汽車的主流驅動電機解決方案。但是，隨著驅動電機功率密度和效（xiào）率的不斷提高（gāo），傳統結構和傳統工（gōng）藝製造的永磁（cí）同步（bù）電機也（yě）逐漸難以滿足（zú）當前市場的競（jìng）爭需求，各大傳統主機廠和新興造車勢力迫切需要尋找新（xīn）的技術解決方案。

　　(一)扁銅線技術

　　發卡（kǎ）式 ( 也稱為扁銅線 ) 定子繞（rào）組如圖 1 所示。采用發（fā）卡（kǎ）式定子繞組可以提高電機定子的槽滿率，從而提高電機的功率密度。此外，發卡式定子繞組（zǔ）的端部尺寸較短，因而（ér）擁有更低的銅損以及（jí）更好的散熱性能。當前該類（lèi）電機的生（shēng）產技術、設（shè）備（bèi）和專（zhuān）利，主要（yào）由日本、意大利和德國等傳統汽車強（qiáng）國所引領。從 2018 年開始，國內的深圳市匯川技術有限公司、鬆正電動汽車技術股份有限公司（sī）等電動汽（qì）車零部件供應商也陸續發力，推出了自己（jǐ）的扁銅線電機產品。

　　然而，相對於傳統圓銅線繞組而言，扁（biǎn）銅線繞組的高頻趨膚效應顯著。對於大功率驅動電機（jī），發卡（kǎ）式定子繞（rào）組帶來的環流損耗也更加突出 [7,8]。發卡式繞組的生產工藝複雜，扁銅線彎折後絕（jué）緣層容易損壞產生缺口或破麵（miàn）。降低發卡式定子繞組的趨膚（fū）效應和渦流（liú）損（sǔn）耗是當前研究的熱點。提高發卡式定子繞組的材料加工技術和製造（zào）精度將有利於該項技術國（guó）產化的推廣。

　　(二)多相永磁電機技術

　　多相電機在輸出相同功率時的母（mǔ）線電壓低於傳統的（de）三（sān）相（xiàng）電機，且具有更（gèng）小的轉矩脈動和更強的容（róng）錯能力 [9]，因此適用於對噪聲、振動、聲振粗糙度（dù）(NVH)要求高的（de）新能（néng）源汽車電驅係統 [10]。以雙三相永磁同步電機為例，電機的兩套繞組在空間上相距 30° 電角（jiǎo）度，消除了 5 次與 7 次諧波磁勢，大大減少了電機的轉矩（jǔ）脈動 [11,12]。同時，雙三相永磁同步電機兩（liǎng）套繞組采用隔離中（zhōng）線設計，相比4 相與 5 相電（diàn）機，降低了係統的階次，便於分析與（yǔ）控製，在電機與控製器發生故障時，控（kòng）製算法不需要大的更改即可實現（xiàn）電機係統的容錯運行控製，因此雙三相永磁同步電機也成為（wéi）了新（xīn）能源汽車電機驅動係統研究的熱點。

　　(三)永磁同步磁阻電機技術（shù）

　　永磁同（tóng）步磁（cí）阻電機是“永磁同步電機 + 磁阻（zǔ）電機（jī）”的（de）融合，與傳統永磁（cí）同步電機相比，其永磁體磁鏈（liàn）較小、磁阻轉矩較大，是一種少稀土 / 無稀土永磁電機方案。同時，其不但擁有很高的扭（niǔ）矩電（diàn）流（liú）比、很高的功率密度（dù）、較低的磁飽和問題，還具有更（gèng）寬廣的高效率調速範圍（wéi）。因此（cǐ），該技術路（lù）線已經被應用於寶馬公司的 i3 和 i8 係列車型(見圖 2)。

　　永磁同步磁阻電（diàn）機是當前行業界普遍看好的技術路線。但是其（qí）也麵臨著轉子結構設計複雜、製造工藝複（fù）雜、製（zhì）造設備成本高、最優（yōu）電流角度變化大等問題，是當前研究的（de）重點和難點。因此，該技術的發展（zhǎn）對於一些嚴重依（yī）賴廉價稀土永磁體、研發能力和製造加工能力差的（de）企業（yè）將是不小的衝擊。

　　(四)輪轂電機技術

　　輪轂電機的形式多樣（yàng），但國內外的研究多（duō）集中在外轉子輪轂電機 [13~16]。輪（lún）轂（gū）電機的應用能夠給新能源（yuán）汽車帶來一係列明顯優勢：省掉了變速器、傳動軸、差速器（qì）等機械傳動部分，可以實現四輪分布式（shì）驅（qū）動，且留下更多的底盤空間給電池包。但是，驅動電機的輪轂化目前還麵臨著一係列新的挑戰，比如：大大增加了簧下質量和車輪的轉（zhuǎn）動慣量、較難處理電機的（de）防水和防塵問題、散熱問題和較複雜的驅動控製算法等 [16]。當前，Protean、Elaphe 等國外企業推（tuī）出了一係列產品樣機(見圖 3)，並和國（guó）內亞（yà）太機電股份（fèn）有限公司（sī）、萬（wàn）安科（kē）技股（gǔ）份有限公司等企業進行了國產化合作。而國內以湖北泰特機電有限公司為（wéi）首的企業也緊隨其後推出了一係列針對大型商用車輛和特種車輛的輪轂電機方案。

　　(五)永磁（cí）體散熱技（jì）術

　　永磁體（tǐ）性能的（de）穩定對於車用驅動電機的輸出性（xìng）能具有至（zhì）關重要的作用。而工作溫（wēn）度的升高往往會（huì）永磁體產生退磁，從而降低驅動電機的（de）轉（zhuǎn）矩（jǔ）輸出能力。過高的永（yǒng）磁體工作溫度還會導致驅動（dòng）電機的高效率運行區域縮小（xiǎo）、功率因數減（jiǎn）小 [17]。針對該問題，國內外學（xué）者在永（yǒng）磁電機的永磁體溫度監測（cè）技術方麵做了較多理論研究 [18]。但是在新能源汽車驅動電機中（zhōng），使用性能穩定（dìng）的低成本溫度傳感（gǎn）器（qì）來提供必需的溫度監測功能依然是（shì）當（dāng）前唯一的可靠選擇。

　　目前針對電機散熱方式的研（yán）究，往（wǎng）往都是基於定子（zǐ）和端部繞組（zǔ）的分析，若能從電機轉子的角度來研究電機的散熱（rè）結構和（hé）散熱方（fāng）式（shì），對於提高新能源汽車的動力穩定性有（yǒu）重要意義。此外，研（yán）製應用於高功率密度電機的耐高溫永磁體則能從根本上解決（jué）永磁體高負荷、高溫工況下（xià）的磁性能退化問題（tí）。

　　(六)其他技術

　　在新（xīn）能源汽車領域，我（wǒ）國還處於跟跑（pǎo）和起步階（jiē）段，未來還需（xū）要具體（tǐ）關注的領域有：超級銅線技術，串（chuàn）並聯繞組切（qiē）換（huàn）電機技術，高（gāo）耐壓（yā）絕緣材料技術，局部去磁化技術（shù）。

　　此外，我國在高速（sù）軸承技術、無刷電勵磁同步電機技術、電機電控深度集成等多個方麵和西（xī）方發達國家仍然有著較大的差距，需要我國在未來產業布局（jú）和科研項目中進（jìn）行重（chóng）點（diǎn）攻關。如果一味依賴（lài）稀土永磁資源（yuán）的優勢，我國的新能（néng）源汽車產業在未來競爭中遲早會麵臨西方國家在環保問題上的技術壁壘。

　　未來的 5 至 10 年，新能（néng）源（yuán）汽車將（jiāng）進入黃金發展期，我國作為世界上最大的汽（qì）車（chē）市場，將麵臨新一（yī）輪（lún）產業界洗牌。基於傳統矽基 IGBT 的電機控製器在未來相當長一段時間內仍將是市場主力，但是隨著 SiC 器件（jiàn）生產成本的降低，高可靠性的 800 V高壓 SiC 驅動係統將是（shì）下一代乘用車驅動控製器發展的方向。我國需警惕對“稀土永磁紅利”的依賴，提前布局前沿的電機設計技術、材料技術、先進製造加工技術和高精度加工設備，以應對未來西方（fāng）發達國家利用其先進（jìn）的少稀土 / 無稀土永磁電機技術路線（xiàn）來建立（lì）針對（duì）稀土永磁電機的技術壁壘。