新能源汽车电机驱动系统关键技术展望研究

高超

摘要：近年来，我国经济技术快速发展，对新能源汽车电机驱动系统的需求越来越多，本文主要讨论了新能源汽车电机驱动系统的关键技术，例如功率半导体器件和驱动控制器封装、智能门极驱动器、基于设备的系统集成设计，扁平铜线等。通过分析当前汽车电动机驱动技术的发展趋势，指出永磁同步电动机将在未来十年内继续成为新能源汽车市场上的主流驱动电动机。

Abstract： In recent years， my country's economy and technology have developed rapidly， and there is an increasing demand for new energy vehicle motor drive systems. This article mainly discusses the key technologies of new energy vehicle motor drive systems， such as power semiconductor devices and drive controller packaging， intelligence Gate driver， device-based system integration design， flat copper wire， etc. By analyzing the current development trend of automobile motor drive technology， it is pointed out that permanent magnet synchronous motor will continue to become the mainstream drive motor in the new energy automobile market in the next ten years.

关键词：新能源;汽车;驱动系统;安全性;效率

Key words： new energy;automobile;drive system;safety;efficiency

中图分类号：U471.14                    文献标识码：A            文章编号：1674-957X（2021）17-0209-02

0  引言

随着经济技术的发展，人们对新能源企业的需求也变得越来越多，因此，开展新能源汽车驱动技术的研究是十分必要的。开发基于电驱动技术的高效新能源汽车对我国能源安全具有重要的战略意义。同时，我国的汽车内燃机技术与西方发达国家的领先制造商之间仍然存在很大差距，并且在接下来的十年中很难追上。鉴于我国目前的电动技术与整个西方发达国家之间的差距很小，基于电动技术的新能源汽车的积极发展归功于中国汽车企业追赶西方的发展路径，这将是一个重要的机遇与汽车公司达成弯道超车的目的。对于新能源汽车、电池技术、电动机技术和电动机控制器技术被称为新能源汽车的三大电气技术。

1  驱动控制器关键技术

1.1 功率半导体器件技术  高性能功率半导体器件、智能栅极驱动技术和设备级集成设计技术的应用有助于实现高功率密度，低损耗和高效率的电机控制器设计。 同时，高性能和可靠的电机控制器产品要求很高的水平的电磁兼容性（EMC）功能安全性和可靠性设计。功率半导体器件技术电机控制器的开发基于功率半导体器件，从基于硅的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）转变为传统的单侧晶体管。

1.2 硅基门极IGBT门极芯片技术  由于技术的成熟迭代以及与宽带隙半导体器件相比的低成本，基于硅的IGBT一直并将继续成为电机控制器产品的主要选择。英飞凌科技已开发出EDT2芯片技术，基于硅IGBT芯片技术的新能源汽车市场已经实现了750V栅极/ 270A栅极IGBT栅极芯片的批量生产，以满足对高功率密度的需求。日本富士通集团等制造商也在开发该产品，并且高功率密度IGBT芯片技术也逐渐被广泛应用。柵极和饱和电子漂移速率的另一个主要优点是结的温度容限可以超过225°C。这远远高于当前基于硅的IGBT的最大应用结温度175°C。栅极SiC器件具有很高的开关速度，可以应用于更高的开关频率，并且适合于高速电机控制[1]。

1.3 智能门极驱动技术  除了IGBT门极驱动器的基本隔离、驱动和保护功能外，还需要结合IGBT本身的特性来精确控制导通和关断过程，以使IGBT达到最佳平衡。智能门驱动器的两个主要功能是主动门控制以及监视和诊断。基本思想是将IGBT的导通和关断过程分为几个不同的阶段。对于某些问题，仅需要单独选通相应的阶段。监管对其他参数几乎没有负面影响。总之，智能门极驱动器应用程序可以帮助用户充分利用功率半导体器件的性能，例如减少损耗和提高电压利用率，以在线评估功率半导体器件的健康状况。电机控制器具有安全性高、灵活性和可靠性强的优点[2]。

1.4 功率元件的集成设计  为了满足作为世界领先的电机控制器产品要求，新能源汽车具有高输出密度、长寿命和高可靠性的特点。功率元件在使用的过程中，由于电子的影响，经常会发生一定的热量，如果热量没有及时的排除，会在很大程度上影响信新能源电动汽车驱动电机功率元件的效率和稳定性，但是性能较好的原材料，虽然其散热性能也较好，但是其价格也相对较高，因此，功率元件的设计需要注重在散热、机械强度、价格等诸多影响之间的平衡，并研究如何在电动机的各个组件之间集成物理结构，可以优化物理集成设计。实现设计，实现高功率密度和高可靠性，这是电气、热、磁和电动机控制器的设计目标。需求集成设计技术是指将车辆和电力驱动系统的需求扩展到IGBT芯片设计和功率模块封装领域。建立从系统到核心组件的车辆需求导向，具体取决于车辆设计和性能要求。自上而下的优化设计方法。它带来的好处是增加了车辆行驶里程或减少了电池容量要求[3]。

1.5 其他关键技术  除了以上主要技术外，还有其他一些新能源汽车行业需要关注的主要技术。门极EMC和可靠性设计也是新能源汽车实现电机控制器工业化的重要技术。门极EMC和可靠性设计是评估电力电子产品的重要指标。更有效的EMC设计是行业的目标。其中，基于有限元分析方法，组件EMC和可靠性设计也是新能源汽车实现电机控制器产业化的重要技术。门极EMC和可靠性设计是评估电力电子产品的重要指标。更有效的EMC设计是行业的目标，其中，基于有限元分析方法，我们建立了“组件控制器”的EMC高频仿真模型，研究了其故障机理，并将其与实验验证相结合，最终实现了设计目标。电磁兼容性的前瞻性设计已经做到，并将逐步实现，这将成为主流技术路线。封闭式车辆的功能安全设计可以消除或显着降低由电气和电子系统异常运行所引起的各种车辆安全风险。德国和美国的汽车电子制造商共同提出了一种稳健性验证（RV）方法。它被Infineon门极Technologies和Bosch门极Group广泛用于半导体分立器件（如电机控制器）的可靠性设计分析中。这种复杂系统的适用性和有效性正在进一步研究中[4]。

2  驱动电机关键技术

2.1 扁铜线技术  发夹式定子绕组增加了电动机定子的槽满速，然后增加电动机的输出密度。另外，由于发夹式定子绕组的端部尺寸短，因此铜损少且散热性能优异。 该电动机的当前生产技术，设备和专利主要由日本、意大利和德国等传统汽车的动力驱动。自2018年以来，深圳创新技术有限公司、松辰电动汽车技术有限公司等国内电动汽车零部件供应商也推出了自己的扁铜电机产品。但是，普通铜线绕组的高频集肤效应比常规圆形铜线绕组的高频集肤效应更为重要。对于大功率驱动电动机，由发夹式定子绕组引起的循环电流损耗也更加明显。发夹式绕组的制造过程很复杂，普通铜线的绝缘层在弯曲普通铜线后很容易损坏、开裂和断裂。发卡式（扁铜线）定子绕组如图1所示。

2.2 多相永磁电机技术  当多相电动机输出相同的功率时，母线电压低于常规三相电动机的电压，转矩脉动较小，并且容错性较高，因此会产生噪声，振动和电驱动新能源汽车的系统要求的苛刻性（NVH）。以双三相永磁同步电动机为例，电动机上的两组绕组以30°的电角隔开，这消除了5次和7次谐波电位，并显着降低了电动机的转矩波动。同时，双三相永磁同步电动机的两组绕组均采用绝缘中性线设计。与4相和5相电动机相比，它具有较低的系统阶数，并且便于分析和控制。如果电动机和控制器发生故障，则控制算法无效。为了实现电机系统的容错运动控制，需要进行重大更改。

2.3 永磁同步磁阻电机技术  永磁同步磁阻电机技术与常规永磁同步电动机相比，永磁磁通量小并且磁阻转矩大。非稀土永磁电动机解决方案具有更广泛的高效速度调节范围。因此，此技术路线适用于BMW的i3和i8系列车型。永磁同步磁阻电动机是业界普遍看好的当前技术路线。然而，它也面临当前研究重点的难题，例如复杂的转子结构设计，复杂的制造工艺，高昂的制造设备成本以及最佳电流角的急剧变化。因此，这项技术的发展在很大程度上依赖于廉价的稀土永磁体，并且对一些研发、制造和加工能力不足的公司影响不小。永磁同步磁阻电机如图2所示。

2.4 轮毂電机技术  轮毂电动机的形式很多，但是国内外的研究主要集中在外转子轮毂电动机上。轮毂电机的应用可以为新能源汽车带来一系列明显的好处。消除了机械变速箱组件，例如变速箱，变速箱轴和差速器，就可以实现四轮分布式驱动并增加了底盘空间。然而，驱动电动机的轮毂当前面临一系列新挑战，包括没有悬架的质量以及车轮惯性矩的显着增加，这使得解决防水防尘电动机的问题变得十分困难，散热问题，以及更复杂的驱动器控制算法等。目前，Protein和Elaphe等外国公司已经推出了一系列产品原型，即亚太机电有限公司。万安科技有限公司我们正在与诸如国内公司合作，进行本土化研究。湖北泰特电子有限公司在该公司的领导下，这家国内公司紧随其后，推出了一系列适用于重型商用和特种车辆的轮毂电机解决方案。

2.5 永磁体散热技术  永磁体性能的稳定性在车辆驱动电机的输出性能中起着重要作用。如果永磁体的工作温度过高，则驱动电机的高效率工作区域将减小，功率因数将减小。针对这一问题，国内外学者对永磁电动机的永磁温度监测技术进行了更多的理论研究。但是，对于新能源汽车驱动电机而言，使用稳定、低成本的温度传感器来提供所需的温度监控是目前唯一的可靠选择。当前关于如何消散电动机中的热量的研究通常基于对定子和端部绕组的分析。为了提高新能源汽车的动力稳定性，必须从电动机转子的角度研究电动机的散热结构和散热方法。另外，开发用于高功率密度电动机的耐热永磁体可以从根本上解决在高负载和高温条件下永磁体的磁性能劣化的问题。

2.6 其他技术  在新能源汽车领域，我国的技术还不是特别的成熟，尽管很多企业在加大研发力度，并且也通过各种方式，从国外的新能源汽车公司引进了很多人才，但是由于产业发展不充分，技术积累较弱等原因，始终无法在短时间内超过欧美国家。此外，在高速轴承技术，无刷电励磁同步电动机技术和电控电动机的深度融合方面，我国与西方发达国家仍存在很大差距。我国未来的产业布局需要重点研究重大科研项目和科研项目。如果我们盲目地依靠稀土永磁资源的利益，在未来的竞争中，我国的新能源汽车很难占据有利的地位。

3  结束语

综上所述，新能源汽车电机驱动技术对新能源汽车的正常运行具有较大的影响，新能源汽车研发人员应该不断开发更为先进的驱动技术，为新能源汽车行业的发展奠基良好的基础。作为世界上最大的汽车市场，我国将面临新的产业转型。传统的基于硅的基于IGBT的电机控制器将在未来很多年继续成为主要的市场力量。乘用车驱动控制装置将成为未来的发展方向。我国需要意识到其对“稀土永磁体”的依赖，并提前引进尖端的电动机设计技术、材料技术和先进制造技术。

参考文献：

[1]丁荣军，刘侃.新能源汽车电机驱动系统关键技术展望[J].中国工程科学，2019，21（03）：56-60.

[2]杨旭.电动汽车电机驱动系统实训台架设计及其故障试验[D].华南理工大学，2017.

[3]史月俊.基于混合动力汽车的交流永磁电机驱动控制系统的研究[D].江苏大学，2010.

[4]黄文强.用于新能源电动汽车的45kW同步电机驱动系统的电路设计[D].山东大学，2018.