新能源汽车驱动电机关键技术研究

张龙

摘 要：目前，新能源汽车的研发和推广都是顺应时代的发展潮流。新能源汽车以其“零污染”、“零排放”的特点，与当前节能环保的理念不谋而合，不仅能满足人们的出行需求，而且符合环境保护的可持续发展思想。因此，对新能源汽车驱动电机的关键技术进行研究至关重要。本文通过对新能源汽车的概念和优点的总结，并对新能源汽车驱动系统的具体驱动模式进行深入分析，总结了驱动控制器的核心技术以及驱动电机关键技术，以期对新能源汽车的技术发展有所帮助。

关键词：新能源汽车 驱动模式 驱动控制器 驱动电机 关键技术

1 引言

我国幅员辽阔，但人均资源匮乏，石化能源大量依赖进口，单位GDP能耗较高，发展高效率的电驱动技术的新能源汽车，对于国家能源安全有着重大的战略意义。与此同时，国内汽车内燃机技术与欧美先进水平还有较大差距，今后十年内很难追赶。鉴于目前国内电动汽车技术与西方发达国家的总体水平相差不大，因此，发展电动汽车将成为国内车企追赶西方先进企业、实现弯道超车的一个重要契机。在新能源汽车领域，电池技术、电机控制技术是新能源汽车的核心技术。在目前的电池技术尚未取得突破性进展的情况下，如何改善驱动电机效率、功率密度、安全性、可靠性，已成为驱动电机的重要研究领域，同时也是各国政府及企业制订政策及发展计划的重要目标。

2 新能源汽车概述

2.1 基本概念

新能源汽车的实质是一种新型能源汽车，采用了非常规的车用燃料作为动力。除了石油以外，其他的新型可再生能源，如纯电动力汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车和氢发动机汽车等多种分类。相比于汽油，新能源汽车的优势在于它具有低污染、环保的特点，同时也能缓解石油的紧缺问题。

2.2 新能源汽车优势

与传统的燃油车辆相比，新能源汽车不仅可以减少车辆的噪声，而且在安全性能上也有所提高。另一方面，新能源汽车的寿命更长，污染范围也更小，而且具有环保和节能特点。当今世界，人们一直在为石油匮乏和不可再生而烦恼，因此很早之前就开始寻找替代能源。因此，尽管我国提出了“节能减排”的理念，以缓解石油资源不断消耗的困境，但这并不能从根本上解决问题。因此，相关部门对新能源汽车的发展给予了较大支持，就是为了在资源的开发上能够有新的突破。

2.3 新能源汽车涉及驱动电机系统

目前，我国在新能源汽车相关驱动系统研究上还处于起步阶段，与新能源汽车相关驱动系统开发速度较慢，在质量和安全性上还存在着一些问题。因此，新能源汽车驱动电机必须继续研究，确保驱动电机的功率输出和控制，确保新能源汽车的驱动系统的高效性。

鉴于目前新能源汽车的配置，特别是新能源混合动力系统，其驱动系统布置在狭窄的空间范围中，且操作环境较为复杂，它要承受较大震动力量，很容易集聚灰尘，有很强的冲击力，易于被腐蚀等。因此，必须确保与新能源汽车有关的驱动电机系统有特定要求。第一，驱动电机系统必须是相对可靠，确保在各种情况下都能保持良好的安全性能；第二，驱动电机系统需要有相对低速的扭矩状况，且在较宽范围中的速率值较高及恒定功率值，如果没有变速器，驱动电机系统也必须满足相应的扭矩要求；第三，驱动电机系统的具体体积应更小、重量更轻；第四，驱动电机系统必须满足四至五倍的过载要求，在较短的时间内完成加速和攀爬斜坡的要求；第五，驱动电机系统的具体功率密度应该更高，相应体积密度也应该更大，并且可以降低新能源汽车的总重量，增加新能源汽车的续驶里程；第六，驱动电机系统应该有更宽的调整速度要求，在较大转速和较大扭矩范围内，以较高效率延长新能源汽车的续驶里程；第七，驱动电机系统应具有較好的控制状态，具有较好的匹配稳定性、较高的相关精度；第八，驱动电机系统的成本要控制在合理范围内，不能过高，要符合新能源汽车的市场接受程度。

3 新能源汽车驱动系统的具体驱动模式

3.1 纯电动驱动方式

新能源汽车纯电动驱动模式包括，集中电动驱动模式和分布电动驱动模式。集中电动模式以一台电动机为新能源汽车提供动力，采用集中式电力驱动方式时，可以将电动机和减速器整合在一起，而不需要改变功率，减少电动机相应的峰值扭矩，从而减小新能源汽车发动机的体积，进而可以减少与新能源汽车电机相关的费用支出，目前大部分的新能源纯电动汽车都采用集中电力驱动方式。分布电力驱动模式包括两个以上的功率输出结构，而新能源汽车在车轮上安装电动机，可以减少与新能源汽车的能量消耗，这主要是由于分布电动驱动模式产生的电能可以被移动到安装在车轮上的电动机上，在不使用传动轴和变速箱的情况下，有效地降低了相应的能耗和损耗，同时可有效分配新能源汽车各个车轮动力，从而保证了新能源汽车的安全行驶。

3.2 混合动力驱动方式

全混式是一种常见的混合动力驱动方式，在电动机和发动机上都有不同的机械更改速率设置，既可以采用齿轮法，也可以采用行星齿轮法来调节新能源汽车的发动机和发动机的转速。并联式混合是一种常见的混合动力驱动方式，而并联式混合的新能源汽车通常采用集成式启动发电机，包括传统的内燃机和电机驱动，两者可以单独运行，也可以协同运行，保证新能源汽车的驱动驾驶。根据发动机和电机的相应功率，混动动力驱动系统可以分为微混式、中混式和全混式三种，其中，皮带驱动下的起动和发电机采用微混式，整体式启动采用中混式，驱动电机与电动机的关联系统采用全混合。皮带驱动和发电机相应的功率较低，可以促进发动机的启动速度高于怠速，启动发动机可以给蓄电池充电。一体化集成下的启动发电机更适合于复杂道路，而新能源汽车则更容易使用，成本也更低。驱动电机和发电机能够比较灵活的根据不同的工况来调节内燃机的工作状态，但是这种方式比较复杂，需要的成本也较高。

4 驱动控制器的核心技术

4.1 功率半导体器件技术

采用高性能功率半导体器件、智能栅极驱动、器件级一体化设计等技术，可为电机控制器的高功率、低功耗、高效能提供理论依据。同时，高性能、可靠的电机控制器对电磁兼容性EMC的性能和可靠性有较高要求。功率半导体器件技术是以功率半导体装置为基础，由基于硅基的绝缘栅双极晶体管（IGBT）向常规单边晶体管的转变。

4.2 硅基门极 IGBT 门极芯片技术

由于科技迭代和不断完善，相对于宽频带隙半导体设备而言，硅基IGBT将会是电机控制器的首选。英飞凌公司研发出了EDT2芯片，并在新能源汽车上应用了大量的750 V栅极/270 A栅极 IGBT栅极晶体管，以满足高功率密度要求。日本富士通等厂商也在研发这种技术，而高功 IGBT晶片的技术也在逐步推广。另外一个重要优势在于，栅极和饱和电子的漂移速度可以达到225℃以上。这比目前硅基IGBT的最高应用结点温度高出了175℃。栅极SiC器件切换速度快，适用于较高的切换频率，适用于高速电动机的控制。

4.3 智能门极驱动技术

IGBT门极驱动电路的基本隔离、驱动和保护功能之外，还应根据IGBT自身特点，对开关过程进行准确控制，从而实现IGBT的最优均衡。智能门极驱动技术的两大功能分别是：主动门控制、监控与诊断。智能门极驱动技术基本思路是，把IGBT的开、关两个过程分成若干个阶段。针对一些问题，只需分别选择对应相位。综上所述，智能门极驱动技术能够协助使用者最大限度地发挥功率半导体元件的效能，降低损失及提升电压使用效率，从而能够对电力半导体装置的安全性进行评估。电机控制器具有较高的安全性、灵活性和可靠性。

4.4 功率元件的集成设计

新能源汽车具有输出密度高、使用寿命长、可靠性高等优点。功率元件在工作中，因受电子的作用，往往会产生一些热量，若不能及时排出热量，对于新能源电动车的驱动电机功率元件的效率和稳定性有较大影响，而原料的散热能力较好时，所需的成本也比较高，所以在设计电力系统时，应注意在散热、机械强度、价格等因素的综合考虑，以及在电机各部件间的整合，以达到最佳的物理整合效果。实现高功率、高可靠性的设计，是电气、热、磁、电动机控制器等的主要目的。需求集成设计技术是将汽车及动力系统的需求延伸至IGBT晶片的设计与封装。根据汽车的设计和性能要求，从系统到核心部件的需求，采用自顶向下的最优设计方法，其优点是可以提高汽车的行驶里程。

4.5 其它关键性技术

在上述技术之外，在新能源产业中也存在着一些其他重要技术问题。门极EMC与可靠性设计是新能源汽车电机控制器产业化的关键技术之一。门极EMC和可靠性设计是衡量功率电子器件性能的一个重要指标。提高EMC的效率是新能源业界的目标。在此基础上，对新能源汽车电机控制器进行研究，并对其进行了可靠性设计，在此基础上，利用有限元方法，建立了EMC的高频模拟模型，对EMC的失效机制进行研究，通过试验验证，达到了预期目的。未来电磁兼容性的前瞻性设计已经完成，并且将会逐渐实现，而这将会成为主流技术路线。密闭交通工具的功能性和安全性设计，能够有效减少因电力、电子设备不正常操作而造成的各类交通安全隐患。德国与美国汽车电子厂商联合推出一种鲁棒性检验（RV）方法。该技术已被Infineon门极技术和Bosch门极集团广泛应用于电机控制器等半导体离散装置的可靠性设计。但该复合体系的适应性和有效性有待于深入研究。

5 驱动电机关键技术

5.1 扁铜线技术

采用发卡型定子绕组，能有效地改善电动机的定子槽满率，提高电机的功率密度。另外，发卡型定子线圈具有更小的末端尺寸，因此铜损耗更小、热辐射更强。目前，这类电机的生产技术、设备和专利均来自于日本、意大利、德国等传统的汽车工业大国。从2018年起，深圳市汇川科技有限公司、松正电动车科技有限公司等国内的电动汽车配件厂商也纷纷发力，纷纷推出了自己的扁铜线电机。但是，与常规圆铜绕组相比，扁铜绕组具有较好的高频趋肤效果。在高功率的驱动电机中，发卡式定子线圈所引起的电流损失问题更为严重。发卡线圈制造工艺比较复杂，在弯曲扁铜丝后，绝缘层极易被破坏，出现凹痕或破裂。目前，发卡式定子线圈的趋肤效应及涡流损失已成为目前的研究热点。改进发卡式定子绕组的工艺及制造精度，将有助于推进这一工艺的国产化。

5.2 多相永磁电机技术

多相电机的母线电压比常规三相电机低、扭矩波动小、容错性好，适合于对噪声、振动、声振粗糙（NVH）高的新能源汽车驱动系统。以双三相永磁同步电动机为例，其两组线圈之间的电角度为30°，可有效地消除5、7次谐波磁位，极大地降低了电机的转矩波动。同时，双三相永磁同步电机的两个线圈均为绝缘中线，与4相、5相电机相比，其阶次较低，易于分析和控制，由于该方法在不需改变算法的情况下，可以实现电机的容错运行控制，因而双三相永磁同步电机已成为新能源汽车的一个重要研究方向。

5.3 永磁同步磁阻电机技术

永磁同步磁阻电机是“永磁同步电动机+磁阻电动机”的结合体，具有较小的磁链和较高的磁阻转矩，是一种低稀土/无稀土永磁电动机的新技术。永磁同步磁阻电机不仅具有高的转矩电流比、高功率密度、低磁饱和问题，而且它的调速范围更大。所以永磁同步磁阻电机在宝马i3、i8系列中得到了广泛应用。目前，永磁同步磁阻电机是目前业内最受欢迎的技术发展方向。然而，其结构设计复杂，制造工艺繁琐，制造设备成本高，最优电流角的变化较大，是目前研究的热点和难点。因此，永磁同步磁阻电机的发展将会给那些严重依靠低价稀土永磁体，研发能力和加工能力较弱的公司带来巨大冲击。

5.4 轮毂电机技术

轮毂电机有多种型式，但目前对其的研究多以外转子轮毂电机为主。轮毂电机的使用将为新能源汽车提供一系列显著优势，省去了变速器、传动轴、差速器等机械部件，使其具有四轮分布动力，并留下更多的底盘空间给电池包。然而，目前驱动电机的轮毂化仍面临许多问题，例如弹簧重量和转动惯量的大幅提高，电机的防水防尘、散热问题，以及更复杂的驱动控制算法。目前，普罗泰、伊拉菲等国外厂商已开发出一批新产品，并与亚太机电、万安科技等企业进行了国产化合作。同时，湖北泰特机电有限公司等国内企业也相继推出了一套用于大型商业和特殊汽车的轮毂电机产品。

5.5 永磁体散热技术

永磁材料的稳定性是影响汽车驱动电动机输出性能的关键因素。由于工作温度的提高，永磁材料发生退磁，使电机的输出扭矩下降。另外，由于永磁材料的工作温度过高，也会缩小驱动电机的高效运行区域，降低功率因数。为了解决这一问题，目前已有不少学者在永磁电机永磁材料的温度监控技术上进行了大量理论探讨。然而，采用性能稳定、价格低廉的温敏元件，以满足新能源汽车的需要，仍然是目前最安全的选择。目前，对电机散热方法的研究多集中在定子繞组和端部绕组方面，如果能够从转子的角度来研究其散热结构及散热模式，将有助于改善新能源汽车的动态稳定性。另外，在高功率密度电机中开发出耐热永磁材料，可从根本上解决高负荷高温环境下永磁材料的磁性衰减问题。

6 结语

综上所述，新能源汽车的电机驱动技术直接关系到新能源汽车的安全运行，因此，新能源汽车的研究人员需要不断开发更为先进的驱动技术，为新能源汽车产业的发展打下坚实基础。我国是全球第一大汽车市场，也将迎来新一轮的产业变革。基于IGBT的传统硅基电机控制器将会在今后数年内继续占据主导地位。乘用车驱动控制装置是今后汽车传动系统的发展趋势。我们必须认识到自身对稀土永磁材料的依赖性，在电机设计、材料、生产等方面，必须及早引入世界先进技术，为新能源产业发展提前规划布局。

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