下一代電機驅動系統的十五個關鍵技術

編者按?在新的汽車時代，電動汽車向后補貼階段強力邁進，整車、零部件等相關企業的優勝劣汰趨勢更加明顯。在整車當中，電機驅動系統的性能實際上決定了整車的性能，包括駕乘性能、動力性能以及它的續駛里程等等。因此，電機驅動系統和電池、電控一起構成了電動汽車“三縱三橫”技術體系的“三橫”之一。未來3-5年以后，電機驅動系統會是什么樣子，需要關注哪些重點技術等，成為行業企業提升競爭實力、助力產業發展的重要關注點。

目前，國內外電機、電控產品技術水平基本相當。中車株洲所作為長期從而電機驅動系統研發的單位，進入電動汽車行業已有18年，形成了較為完整的上、中、下游新能源汽車產業鏈，2018年汽車產業收入過百億元。從上游來說，有IGBT傳感器、減振和輕量化材料;中游有控制器、電機、控制總成、動力總成、傳動總成、儲能總成;下游有商用車的開發和應用。

在產品技術領域，其控制器樣機設計，單面芯片封裝成標準模塊的峰值功率達到135kW;控制器產品基于所研制雙面冷卻IGBT模塊產品，建立起了高密度控制器系統產品線;驅動系統產品系列覆蓋55kW-150kW，滿足乘用車、商用車動力平臺的需求。據統計，中車電機累計外銷系統超10萬套，其中采用自主IGBT的系統超1萬套，并與國內大型車企也有合作，比如一汽、東風、長安等，訂單產品在兩百萬臺以上。

1. 新一代IGBT芯片技術

中車汽車IGBT產品能夠對標國外最新技術指標，已建成年產能50萬只的自動化汽車IGBT模塊產品生產線。目前，在技術提升方面，中車、英飛凌提出了將電流密度提高50%，開關損耗不增加的技術指標，富士電機則是提出IGBT&FRD總芯片面積減少50%，進一步降低成本。

2. SiC芯片技術

該技術的目標是開發出高可靠、大電流芯片，其關鍵技術在于非平衡態SiC柵氧生長技術研究、溝道自對準技術開發、溝槽刻蝕工藝開發等。

3. 功率模塊封裝技術

該技術的目標是實現更低熱阻、更低連接空洞率、更高可靠性;充分發揮SiC器件的高溫性能;避免過電壓，滿足高頻應用需求;提升模塊可靠性。其關鍵技術在于納米銀燒結工藝、高溫材料應用技術、低感與均流設計等。

4. 雙面IGBT封裝技術

該技術的目標是通過雙面焊接、雙面水冷、高可靠組裝技術攻關，達到等效熱阻降低（30%左右），雜散電感比傳統標準模塊大概降低10%，還要達到高峰值電流輸出能力，高功率和高溫下的循環壽命等。

5. IGBT智能驅動技術

我們可以通過Dic/dt負反饋閉環控制，通過開關過程的階段解耦控制來實現IGBT開關功耗降低（20%左右），關斷過電壓均降低20%以上，并且在較高的電流下能夠可靠關斷，同時要可以平衡高可靠性、低電磁干擾與高效率之間的矛盾。

6. 多變流器集成技術

該技術的關鍵在于通過多控制單元協同控制，電磁兼容綜合設計、綜合熱管理技術等，實現功率密度高、連接器少、可靠性高、成本低、維護簡單等目標。

7. 功能（轉矩）安全技術

實現轉距安全風險可控的關鍵技術在于EGAS三層架構，轉距安全算法、關斷路徑自檢策略、信號有效性判斷策略等。

8. 電磁兼容技術

系統電磁兼容性能滿足客戶的要求，保證系統可靠運行，不對人員和環境造成傷害。我們可以通過高低壓耦合解耦技術、電磁兼容仿真、濾波器的模塊化設計等解決遇到的問題。

9. 健康管理技術

健康管理方面的主要技術目標是變定時維護為狀態維護，降低運行成本，實現故障預判從而降低現場的故障率。在這方面，中車在商用車上做了很多工作，比如利用大數據分析，通過故障預警系統、健康評估系統、可靠性評估系統，通過中車自主研發的云智通平臺，能夠現場預判故障，并且能夠做到故障的快速定位，從而保證產品的可靠運行和現場故障率的降低。

10. 高功率密度電機技術

下一代電機提出了更高的功率密度、更高的效率、更低的成本、更快的動態響應要求。提高功率密度的途徑有很多，比如說我們可以采用高速電機、高新能材料應用技術、熱管理技術等。

11. 電機材料技術

降低電機成本，目前永磁材料使用占比比較大，下一步要開展低重稀土永磁材料給的使用。另外就是耐電暈絕緣系統，下一代采用碳化硅、寬禁帶半導體器件之后，它的開關頻率比現在的開關頻率要提高10倍、20倍左右，這對系統將是一個嚴峻的考驗，會直接影響到電機絕緣系統的壽命。

12. 電機效率區間優化技術

我們可以通過損耗分配的優化設計，使得電機高效區間分布與車輛運行工況最佳匹配，在滿足電機牽引特性、熱設計和體積限制的要求下，實現電機在整車運行工況下的效率最有設計。

13. 電驅動系統NVH技術

電驅動系統NVH問題包括要對電機自激勵源進行建模，電機傳遞函數建模、電機NVH的系統分析、電機與系統集成以后的NVH分析等，進而提高系統舒適性，提高產品可靠性。

14. 輪轂電機設計技術

要做好輪轂電機，就要解決電磁-結構-熱耦合三者的優化設計，電動輪集成，冷卻、潤滑，基于差速協同控制的電動輪與整車匹配技術等。

15. 電控-電機-變速箱集成技術

電機驅動系統一體化設計成為未來行業的發展趨勢。目前，在汽車行業，有電機-電控二合一的產品，有電機-減速箱二合一的產品，也有電機-電控-減速箱三合一的產品。要實現電機、電控、減速箱的系統融合，我們就要解決集成化以后成本降低、體積減小，系統效率和功率密度提升，噪聲降低等一系列問題。