國(guó)內(nèi)外新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)分析

摘 要：本文介紹了國(guó)內(nèi)外車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展情況，分析了國(guó)內(nèi)外車用電機(jī)控制器和乘用車純電驅(qū)動(dòng)總成技術(shù)進(jìn)展，對(duì)未來(lái)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);技術(shù)分析

經(jīng)過(guò)十年的快速發(fā)展，我國(guó)新能源汽車2019年首次出現(xiàn)年度負(fù)增長(zhǎng)。但全球新能源汽車比重大的經(jīng)濟(jì)體，包括美國(guó)、中國(guó)、歐洲，都對(duì)于這個(gè)產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展充滿信心。高速、高密度、高效、低振動(dòng)噪音、低成本是新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

1 國(guó)內(nèi)外車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展情況

1.1 高密度繞組技術(shù)

通過(guò)采用高密度繞組或者Hairpin繞組結(jié)構(gòu)，可以大幅度降低繞組發(fā)熱，提高繞組材料的利用率15-20%以上。通用第四代Volt電機(jī)采用Hairpin繞組結(jié)構(gòu)，電裝為豐田開發(fā)了扁導(dǎo)線電機(jī)，大眾MEB平臺(tái)明確提出了扁導(dǎo)線繞組結(jié)構(gòu);采用Hairpin繞組的高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)，功率密度達(dá)到4.0-4.5kW/L以上。

1.2 高效熱管理技術(shù)

通過(guò)采用高密度繞組端部冷卻技術(shù)、油冷技術(shù)、油冷和水冷復(fù)合冷卻技術(shù)，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的換熱效率。如特斯拉Model 3采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器的集中油冷、電機(jī)控制器采用水冷手段;通用Volt、豐田THS IV、上汽EDU二代等均采用扁導(dǎo)線定子，驅(qū)動(dòng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子集成在變速器內(nèi)部，與變速器實(shí)現(xiàn)集中油冷。

1.3 電機(jī)高速化技術(shù)

在電驅(qū)動(dòng)總成輸出轉(zhuǎn)矩和功率不變約束下，通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器最高轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)體積和重量，提高功率密度水平。大眾、沃爾沃、克萊斯勒等國(guó)外汽車企業(yè)通過(guò)不斷提升電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)降低電機(jī)體積和重量，大眾汽車模塊化電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)（MEB平臺(tái)）電機(jī)最高達(dá)到16000rpm，沃爾沃與克萊斯勒電機(jī)最高轉(zhuǎn)速需求達(dá)到14000rpm，特斯拉Model 3驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到17900rpm。我國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率密度、效率等整體技術(shù)提升很快，技術(shù)水平與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)重量比功率已達(dá)到4.0kW/kg以上，典型國(guó)內(nèi)外電機(jī)產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比如表1。

2 國(guó)內(nèi)外車用電機(jī)控制器技術(shù)進(jìn)展

2.1 電機(jī)控制器本體及電力電子集成封裝技術(shù)進(jìn)步

高效、高密度、高EMC性能是新能源汽車電機(jī)控制器的重要技術(shù)發(fā)展方向。通過(guò)采用電力電子集成技術(shù)，有效減小控制器的重量和體積，提高功率密度，降低制造成本。電力電子封裝技術(shù)打破了模塊封裝與控制器集成裝配之間界限，采用IGBT定制封裝模塊有效地提升了電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器集成度與功率密度水平。

IGBT芯片雙面焊接和系統(tǒng)級(jí)封裝是當(dāng)前國(guó)外電機(jī)控制器主流封裝形式。基于功率器件雙面焊接與雙面冷卻技術(shù)，近年來(lái)國(guó)外相繼推出了應(yīng)用于不同車型的電機(jī)控制器或集成控制器。豐田連續(xù)多年先后推出了集成度與功率不斷提升的產(chǎn)品，集成控制器產(chǎn)品功率密度從2007年的11.7kW/L提升至2018年的25kW/L;博世、大陸采用單面冷卻結(jié)構(gòu)，也推出了量產(chǎn)的集成DC/DC變換器的電力電子集成控制器產(chǎn)品，功率密度均達(dá)到16-25kW/L以上。

在雙電機(jī)插電式混動(dòng)和高功率乘用車應(yīng)用領(lǐng)域，為持續(xù)提升車輛電能轉(zhuǎn)化效率和縮短快充時(shí)間，動(dòng)力電池直流電壓呈現(xiàn)提升的趨勢(shì)，從250—450V提升至500—700V。為最大限度提升包括電機(jī)控制器在內(nèi)的電動(dòng)汽車電力電子裝置功率密度，豐田采用了集成Boost電路與雙逆變器結(jié)構(gòu)，通過(guò)升高直流電壓提升了逆變器部分的輸出功率與效率。

2017年上海電驅(qū)動(dòng)、上海大郡、中車時(shí)代等推出自主開發(fā)出的車用IGBT芯片、雙面冷卻IGBT模塊和高功率密度電機(jī)控制器。其中，上海電驅(qū)動(dòng)聯(lián)合上海道之，采用自主IGBT芯片、芯片雙面焊接工藝和電力電子功率組件的直焊互連工藝研制出高密度電機(jī)控制器，峰值功率密度達(dá)到23.1kW/L;上海大郡聯(lián)合上海道之采用雙面水冷結(jié)構(gòu)，輸入功率為260kW的電機(jī)控制器的功率密度達(dá)到23.5kW/L;中車時(shí)代電氣采用自主IGBT芯片、雙面焊接與雙面冷卻技術(shù)、自主IGBT驅(qū)動(dòng)芯片和電力電子集成技術(shù)，開發(fā)出600A/750V雙面散熱IGBT模塊及組件產(chǎn)品，基于雙核MCU（微處理器）芯片開發(fā)出功率密度達(dá)到20kW/L的電機(jī)控制器。我國(guó)典型高密度電機(jī)控制器樣機(jī)與國(guó)外先進(jìn)水平對(duì)比如表2。

碳化硅器件因具有高溫、高效和高頻特性，率先在車用電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，進(jìn)一步提升了電機(jī)控制器功率密度和效率。日本豐田、日立、電產(chǎn)推出全SiC PCU，其中日本豐田帶載SiC PCU的樣車在工況下較帶載IGBT PCU損耗降低30%。法國(guó)Yole公司預(yù)測(cè)2018年后碳化硅器件將開始應(yīng)用于電動(dòng)汽車大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)和大功率充電領(lǐng)域，特斯拉（Tesla）在2018年推出的Model 3即量產(chǎn)采用SiC器件。SiC電機(jī)控制器由24個(gè)SiC功率模塊組成，安裝在針翅式散熱器上，采用激光焊接的工藝將SiC MOSFET與銅母線相連，大大提升了連接的可靠性。

我國(guó)中車、電工所推出了1200V/400A Pinfin封裝結(jié)構(gòu)SiC模塊，在封裝結(jié)構(gòu)和焊接材料封面取得進(jìn)展。中科院電工所、比亞迪、精進(jìn)電動(dòng)等研制了SiC電機(jī)控制器樣機(jī)。電工所團(tuán)隊(duì)提出了“以系統(tǒng)集成指導(dǎo)元器件封裝”的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)了用于85kW全SiC車用驅(qū)動(dòng)控制器的關(guān)鍵器件/組件，如全SiC功率模塊、復(fù)合功能薄膜電容器、耐高溫聚酰亞胺基薄膜材料、超緊湊SiC控制器用主控板等。該控制器在常溫入水口水溫、580Vdc母線條件下實(shí)現(xiàn)輸出功率85kW，最高效率98.6%，功率密度37.1kW/L。同時(shí)，基于群體優(yōu)化算法的濾波器設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了適配85kW全SiC車用驅(qū)動(dòng)控制器的EMC濾波器，在控制器峰值功率工作狀態(tài)下，高壓輸入端口傳導(dǎo)干擾電壓滿足CISPR 25等級(jí)三的限值要求。

2.2 IGBT器件及封裝技術(shù)進(jìn)步

目前，國(guó)外各大知名IGBT器件供應(yīng)商，如英飛凌（Infineon）、富士（Fuji）、三菱（Mitsubishi）、瑞薩（Renesas）相繼推出了車用IGBT芯片，精細(xì)溝槽柵技術(shù)成為主流技術(shù)。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整溝槽寬度與間距提高發(fā)射區(qū)近表面層的載流子濃度，即可增強(qiáng)電子注入能力，降低導(dǎo)通損耗，優(yōu)化關(guān)斷損耗和導(dǎo)通損耗間折中關(guān)系。隨著溝槽技術(shù)的日臻成熟，溝槽精細(xì)化對(duì)于電動(dòng)汽車用中低壓IGBT芯片整體性能的提升起到了關(guān)鍵性的作用。

在IGBT芯片集成方面，典型包括逆導(dǎo)型IGBT和集成型IGBT芯片。逆導(dǎo)型IGBT是在同一芯片上集成了IGBT和續(xù)流二極管。較之安裝尺寸相同的IGBT模塊，采用逆導(dǎo)型IGBT芯片的模塊電流密度提高了33%。以富士為代表，采用RC-IGBT技術(shù)（逆導(dǎo)型IGBT）推出了集成芯片電流和結(jié)溫檢測(cè)的IGBT芯片和集成高效冷卻結(jié)構(gòu)的封裝模塊，大幅度提升芯片電流能力;英飛凌采用銀漿燒結(jié)和高效導(dǎo)熱基板技術(shù)，提升芯片電流能力達(dá)到30%以上。

表3為車用模塊用功率芯片互聯(lián)技術(shù)情況。鋁綁定線技術(shù)仍是車用IGBT模塊內(nèi)使用范圍最廣的功率互聯(lián)技術(shù)。為了提高模塊的功率循環(huán)壽命，緩和異質(zhì)材料間熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，推出了具有熱特性更好的銅綁定線技術(shù)與連接面積更廣的帶式綁定線技術(shù)。三菱公司使用銅直接端子綁定技術(shù)（DLB：Direct Lead Bonding）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁綁定線技術(shù)，綜合了銅綁定線技術(shù)與帶式綁定技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用銅材料的優(yōu)異熱特性，增大硅片接觸面積，使得功率接觸部的熱電應(yīng)力分布均勻，降低硅片峰值溫度。

我國(guó)如斯達(dá)、比亞迪、中車株洲所等國(guó)內(nèi)器件已經(jīng)開始在新能源汽車領(lǐng)域開始大批量替代進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，具有一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。IGBT封裝技術(shù)方向是更高功率密度和更高效率，雙面焊接與單面/雙面冷卻是主流封裝工藝技術(shù);我國(guó)如嘉興斯達(dá)、中車時(shí)代電動(dòng)、深圳比亞迪等在IGBT功率模塊封裝、控制器系統(tǒng)級(jí)工程化集成能力提升很快，部分自主IGBT模塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。我國(guó)IGBT車用標(biāo)準(zhǔn)模塊封裝如HP1、HP2、HPDrive等國(guó)內(nèi)已攻克相關(guān)封裝設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)，在封裝性能及可靠性方面接近國(guó)際先進(jìn)水平。

3 乘用車純電驅(qū)動(dòng)總成技術(shù)進(jìn)展

驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器與減速器深度集成的電驅(qū)動(dòng)一體化總成是乘用車領(lǐng)域現(xiàn)階段發(fā)展的主要技術(shù)目標(biāo)，國(guó)外以大陸、麥格納、吉?jiǎng)P恩、博世、采埃孚、日本電產(chǎn)等為代表的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成商推出了電驅(qū)動(dòng)一體化總成產(chǎn)品，成為乘用車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要應(yīng)用類型。

3.1 美國(guó)代表車型Model 3電驅(qū)動(dòng)總成

Model 3三合一集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用平行軸T型結(jié)構(gòu)。電機(jī)類型選用永磁同步電機(jī)，相比Model S 采用的異步電機(jī)，效率大幅提升，與Model S相比，電池到車輪的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率提高了6%。冷卻設(shè)計(jì)上，電機(jī)和減速器采用油冷，逆變器采用水冷，提升電機(jī)性能，兼顧電池加熱，提升了車輛適應(yīng)冬季的性能。電機(jī)與減速器共用殼體深度集成，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到17900r/min。采用分立式SiC功率模塊，額定電壓370V，最大輸出電流達(dá)到400Arms，器件低損耗，續(xù)航能力獲得提升。采用SiC器件使得電驅(qū)材料成本上升，但整車效率和技術(shù)先進(jìn)性提高，整車成本方面獲得均衡。Model3三合一電驅(qū)動(dòng)總成重量90kg，峰值功率165kW，三合一總成功率密度達(dá)到1.83kW/kg。

3.2 歐洲代表車型第四代和第五代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2014年，歐洲代表車型第四代電驅(qū)動(dòng)總成搭載i3量產(chǎn)上市，電機(jī)、減速器、功率電子裝置輕度物理集成;逆變器、DC/DC、充電機(jī)之間深度集成為功率電子裝置。第四代電驅(qū)動(dòng)總成驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率達(dá)到125kW，電機(jī)功率密度達(dá)到3.81kW/kg，電驅(qū)動(dòng)總成重量80.5kg。與第四代總成相比較，第五代電驅(qū)動(dòng)總成從輕量化、功率密度提升、成本降低、量產(chǎn)工藝和寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用等五個(gè)方面做了提升。采用模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)，可適配不同車型的安裝空間和功率要求;電機(jī)與減速器共用殼體，采用油冷電機(jī)設(shè)計(jì);采用更緊湊設(shè)計(jì)、線圈制作更容易（插針繞組）;采用輕質(zhì)鋁合金制外殼電機(jī)，電機(jī)可擴(kuò)充多種性能應(yīng)用，降低了稀土材料應(yīng)用比例，預(yù)計(jì)2020年量產(chǎn)。

3.3 日本代表車型E-Axle“三合一”驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2017年9月日本電產(chǎn)宣布其研發(fā)的“三合一”驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)E-Axle量產(chǎn)上市，該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用平行軸品型機(jī)構(gòu)，減速器速比11.2，最高輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到1450rpm，最大軸端輸出轉(zhuǎn)矩3900Nm。電機(jī)輸出功率達(dá)到150kW，三合一總重量達(dá)到83kg，總成功率密度達(dá)到1.81kW/kg。同時(shí)，采用電機(jī)及減速器共油冷設(shè)計(jì)，通過(guò)Splash Cooling和Flow Cooling 二種油冷方式提升功率密度。采用圓導(dǎo)線精密排線高槽滿率繞組工藝，縮短了線圈端部，高速渦流損耗低。

3.4 國(guó)內(nèi)代表車企三合一平臺(tái)

國(guó)內(nèi)代表車企比亞迪推出了e平臺(tái)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)、控制器、變速器高度集成，擁有A+、A、B、C共4個(gè)平臺(tái)化系列產(chǎn)品，使得不同功率的產(chǎn)品可快速開發(fā)并適配于不同車型，滿足了A00、A0、A、B級(jí)等轎車對(duì)動(dòng)力性加速和爬坡的需求。2019年，精進(jìn)電動(dòng)發(fā)布了適用于新能源乘用車“3000系列深度集成三合一純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”，整個(gè)系統(tǒng)的總重約95kg，電機(jī)轉(zhuǎn)速16000rpm，最高功率160kW。上海電驅(qū)動(dòng)從2015年開始布局集驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器和高速減速器的“三合一”電驅(qū)動(dòng)總成研發(fā)，2018年6月實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。該總成通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)形成峰值功率涵蓋95—145kW、電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩300Nm、轉(zhuǎn)速最高12800rpm。

4 新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

4.1 我國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率密度、轉(zhuǎn)速、效率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外相當(dāng)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展以不斷提高材料利用率、提升電機(jī)品質(zhì)和降低成本為主要方向。面向新能源汽車的更大規(guī)模應(yīng)用，需要加大對(duì)低重稀土永磁材料、耐電暈?zāi)透邷亟^緣材料、高強(qiáng)度高熱導(dǎo)耐高溫絕緣材料、直接油冷電機(jī)材料的兼容性和高導(dǎo)磁低損耗材料替代應(yīng)用等問題的關(guān)注。

4.2 在電機(jī)控制器方面，技術(shù)方向瞄準(zhǔn)更高功率密度和更高效率

芯片雙面焊接與單面/雙面冷卻技術(shù)是提升電機(jī)控制器功率密度的關(guān)鍵。我國(guó)IGBT器件和功率模塊封裝技術(shù)與產(chǎn)業(yè)正在加速發(fā)展，嘉興斯達(dá)、中車時(shí)代、深圳比亞迪等在IGBT功率模塊封裝、控制器系統(tǒng)級(jí)工程化集成能力提升很快。

5 結(jié)論

純電驅(qū)動(dòng)總成是乘用車領(lǐng)域一個(gè)明確的產(chǎn)品發(fā)展方向，我國(guó)起步與國(guó)外基本同步，我國(guó)有多個(gè)企業(yè)推出了電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)品。我國(guó)需要加快自主高速減速器及其軸承、齒輪等配套關(guān)鍵零部件開發(fā)，并強(qiáng)化電機(jī)和減速器的深度集成。我國(guó)電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)品涵蓋了硅鋼、磁鋼、絕緣材料、高速軸承、IGBT器件、碳化硅器件、膜電容器、傳感器、集成芯片等關(guān)鍵上游材料和器件，我國(guó)在高密度電機(jī)控制器、全碳化硅電機(jī)控制器、高密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電驅(qū)動(dòng)總成等方面取得進(jìn)展，在核心零部件方面推動(dòng)研發(fā)與驗(yàn)證，有望進(jìn)一步提升我國(guó)核心器件和零部件的自主競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]竇汝振.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].變頻器世界，2007.

[2]陳躍.新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)分析[J].機(jī)電技術(shù)應(yīng)用，2019.

作者簡(jiǎn)介：茍毅彤（1969-），男，天津人，大專，副總工程師，主要研究方向：汽車測(cè)試試驗(yàn)及整車控制系統(tǒng)研究。