下一代电机驱动系统的十五个关键技术

编者按 在新的汽车时代，电动汽车向后补贴阶段强力迈进，整车、零部件等相关企业的优胜劣汰趋势更加明显。在整车当中，电机驱动系统的性能实际上决定了整车的性能，包括驾乘性能、动力性能以及它的续驶里程等等。因此，电机驱动系统和电池、电控一起构成了电动汽车“三纵三横”技术体系的“三横”之一。未来3-5年以后，电机驱动系统会是什么样子，需要关注哪些重点技术等，成为行业企业提升竞争实力、助力产业发展的重要关注点。

目前，国内外电机、电控产品技术水平基本相当。中车株洲所作为长期从而电机驱动系统研发的单位，进入电动汽车行业已有18年，形成了较为完整的上、中、下游新能源汽车产业链，2018年汽车产业收入过百亿元。从上游来说，有IGBT传感器、减振和轻量化材料;中游有控制器、电机、控制总成、动力总成、传动总成、储能总成;下游有商用车的开发和应用。

在产品技术领域，其控制器样机设计，单面芯片封装成标准模块的峰值功率达到135kW;控制器产品基于所研制双面冷却IGBT模块产品，建立起了高密度控制器系统产品线;驱动系统产品系列覆盖55kW-150kW，满足乘用车、商用车动力平台的需求。据统计，中车电机累计外销系统超10万套，其中采用自主IGBT的系统超1万套，并与国内大型车企也有合作，比如一汽、东风、长安等，订单产品在两百万台以上。

1. 新一代IGBT芯片技术

中车汽车IGBT产品能够对标国外最新技术指标，已建成年产能50万只的自动化汽车IGBT模块产品生产线。目前，在技术提升方面，中车、英飞凌提出了将电流密度提高50%，开关损耗不增加的技术指标，富士电机则是提出IGBT&FRD总芯片面积减少50%，进一步降低成本。

2. SiC芯片技术

该技术的目标是开发出高可靠、大电流芯片，其关键技术在于非平衡态SiC栅氧生长技术研究、沟道自对准技术开发、沟槽刻蚀工艺开发等。

3. 功率模块封装技术

该技术的目标是实现更低热阻、更低连接空洞率、更高可靠性;充分发挥SiC器件的高温性能;避免过电压，满足高频应用需求;提升模块可靠性。其关键技术在于纳米银烧结工艺、高温材料应用技术、低感与均流设计等。

4. 双面IGBT封装技术

该技术的目标是通过双面焊接、双面水冷、高可靠组装技术攻关，达到等效热阻降低（30%左右），杂散电感比传统标准模块大概降低10%，还要达到高峰值电流输出能力，高功率和高温下的循环寿命等。

5. IGBT智能驱动技术

我们可以通过Dic/dt负反馈闭环控制，通过开关过程的阶段解耦控制来实现IGBT开关功耗降低（20%左右），关断过电压均降低20%以上，并且在较高的电流下能够可靠关断，同时要可以平衡高可靠性、低电磁干扰与高效率之间的矛盾。

6. 多变流器集成技术

该技术的关键在于通过多控制单元协同控制，电磁兼容综合设计、综合热管理技术等，实现功率密度高、连接器少、可靠性高、成本低、维护简单等目标。

7. 功能（转矩）安全技术

实现转距安全风险可控的关键技术在于EGAS三层架构，转距安全算法、关断路径自检策略、信号有效性判断策略等。

8. 电磁兼容技术

系统电磁兼容性能满足客户的要求，保证系统可靠运行，不对人员和环境造成伤害。我们可以通过高低压耦合解耦技术、电磁兼容仿真、滤波器的模块化设计等解决遇到的问题。

9. 健康管理技术

健康管理方面的主要技术目标是变定时维护为状态维护，降低运行成本，实现故障预判从而降低现场的故障率。在这方面，中车在商用车上做了很多工作，比如利用大数据分析，通过故障预警系统、健康评估系统、可靠性评估系统，通过中车自主研发的云智通平台，能够现场预判故障，并且能够做到故障的快速定位，从而保证产品的可靠运行和现场故障率的降低。

10. 高功率密度电机技术

下一代电机提出了更高的功率密度、更高的效率、更低的成本、更快的动态响应要求。提高功率密度的途径有很多，比如说我们可以采用高速电机、高新能材料应用技术、热管理技术等。

11. 电机材料技术

降低电机成本，目前永磁材料使用占比比较大，下一步要开展低重稀土永磁材料給的使用。另外就是耐电晕绝缘系统，下一代采用碳化硅、宽禁带半导体器件之后，它的开关频率比现在的开关频率要提高10倍、20倍左右，这对系统将是一个严峻的考验，会直接影响到电机绝缘系统的寿命。

12. 电机效率区间优化技术

我们可以通过损耗分配的优化设计，使得电机高效区间分布与车辆运行工况最佳匹配，在满足电机牵引特性、热设计和体积限制的要求下，实现电机在整车运行工况下的效率最有设计。

13. 电驱动系统NVH技术

电驱动系统NVH问题包括要对电机自激励源进行建模，电机传递函数建模、电机NVH的系统分析、电机与系统集成以后的NVH分析等，进而提高系统舒适性，提高产品可靠性。

14. 轮毂电机设计技术

要做好轮毂电机，就要解决电磁-结构-热耦合三者的优化设计，电动轮集成，冷却、润滑，基于差速协同控制的电动轮与整车匹配技术等。

15. 电控-电机-变速箱集成技术

电机驱动系统一体化设计成为未来行业的发展趋势。目前，在汽车行业，有电机-电控二合一的产品，有电机-减速箱二合一的产品，也有电机-电控-减速箱三合一的产品。要实现电机、电控、减速箱的系统融合，我们就要解决集成化以后成本降低、体积减小，系统效率和功率密度提升，噪声降低等一系列问题。