電動汽車用超高效率電機驅動系統關鍵技術研究

暴杰 許重斌

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

1 前言

發展電動汽車的三大初衷和戰略意義在于節能環保、能源安全、產業轉型。節能環保是電動汽車的本質屬性，效果取決于電網電力結構和整車電耗水平。電力結構方面，中國比新加坡的碳排放因子數值要低，且發電技術進步非?？?，可再生能源發電比例持續提升。整車電耗方面，電動汽車不是零碳排放，但其碳排放明顯低于傳統汽油車，電動汽車碳排放量與百公里電耗成正比。以新加坡為例，根據新加坡車輛碳排放標準(Carbon Emission of Vehicle Standards,CEVS），電動汽車的碳排放因子定義為每消耗1 kW·h電能，車輛全生命周期過程中產生的碳排放量，其值為500 g/kW·h，傳統汽車的碳排放因子定義為每消耗1 L油，車輛全生命周期過程中產生的碳排放量，其值為3 000 g/L油?？梢姼唠姾牡碾妱悠囂寂欧排c低油耗的汽油車相當[1-2]。

未來面向雙碳目標的達成，政策法規將持續引導汽車行業技術的發展。多措并舉，市場調節作用逐步加強，顯示了國家對推動汽車行業節能減排的決心。2020年6月22日，工信部發布關于修改《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》的決定，鼓勵新能源和節能汽車均衡發展，技術路線多元化，提高電耗技術水平，2021年1月1日 正式 實 施。2020年4月23日，財政部發布《關于完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，明確將原定2020年底到期的補貼政策合理延長到2022年底。原則上2020～2022年補貼標準分別在上一年基礎上降低10%、20%、30%，補貼逐年下降，推動車企提質降本，鼓勵提高技術水平降電耗。2020年10月20日，國務院辦公廳關于印發《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》的通知，明確到2025年純電動乘用車新車平均電耗降至12.0 kW·h/100 km。

用戶消費價值觀趨于理性，傾向選擇質量更可靠、更經濟、更安全、更舒適的產品，影響用戶購買意愿的因素主要是使用便利性、全生命周期成本（購置成本、使用成本）、產品質量等。整車電耗水平是事關顧客滿意度的核心質量特性，在移動出行服務等場景尤為明顯。電驅動系統效率對整車電耗的影響舉足輕重，高工況循環效率可以減少電池裝載量(成本、安全），降低里程焦慮，節能降低運行成本，減少充電時間和次數[3-4]。電驅動系統的工況效率每提升1%，續駛里程延長大于10 km。如果去除風阻、滾阻、機械制動等硬性能耗需求外，電驅動系統占整車能耗的比重將達到80%以上[2]。

2 理論分析

驅動電機系統的效率計算依據公式（1）。

式中，P2為輸出功率，PCua為電機銅損耗，PFe為電機鐵損耗，Pfw為電機機械損耗，Eon為逆變器開通損耗，Eoff為逆變器關斷損耗，Econ為逆變器導通損耗。

電機銅損耗由基本銅損和附加銅損2部分組成。

a.基本銅損。銅導線流經電流時產生的損耗，基本銅損正比于相電流的平方及相電阻。

b.附加銅損。集膚效應、鄰近效應作用產生，與集膚效應系數及鄰近效應系數成正相關。

電機鐵損耗由磁滯損耗、渦流損耗、附加損耗三部分組成。

a.磁滯損耗。反復磁化過程中由磁滯現象消耗的能量，與交變頻率及磁密幅值的平方成正相關。

b.渦流損耗。磁場交變產生感應電流消耗的能量，與磁密幅值的平方和交變頻率的平方成正比。

c.附加損耗。磁疇壁不連續運動產生的損耗，與附加損耗系數成正比，與磁密及頻率的1.5次方成正比。

電機的機械損耗由風摩損耗、軸承損耗組成。

a.風摩損耗。旋轉轉子表面與氣隙中空氣摩擦產生。

b.軸承損耗。軸承滾子摩擦消耗的能量。

逆變器的開關損耗由于功率器件（一般為IGBT及其并聯二極管）的拖尾電流和電壓交疊產生。IGBT開關損耗與其工作過程中的開關頻率、IGBT導通能量和開關能量（單次）、直流電壓和峰值電流成正比，與標稱電壓、標稱電流成反比。并聯二極管的開關損耗與其工作過程中的開關頻率、二極管反向恢復能量、直流電壓和峰值電流成正比，與標稱電壓、標稱電流成反比。

逆變器的導通損耗是由于功率器件（一般為IGBT及其并聯二極管）導通電阻產生的損耗。IGBT的導通損耗與門限電壓、峰值電流、門限電阻、過調制算法（Pulse Width Modulation，PWM）調制系數、功率因數成正相關。并聯二極管的導通損耗與門限電壓、峰值電流、門限電阻正相關，與導通壓降，PWM調制系數、功率因數成負相關。

3 提升效率技術

依據上述理論分析，為提升驅動電機系統效率，可以圍繞精益技術設計、新型電工材料、先進制造工藝3個維度，通過增大系統輸出功率、減少系統各項損耗、挖掘系統集成潛力3條技術路徑實

3.1 增大系統輸出功率

3.1.1 內置式永磁同步電機設計

永磁同步電機相比其它類型電機，兼具功率密度和效率優勢，適合用于電動汽車牽引驅動。表1為各種類型電機的特性對比。

表1 主流汽車驅動電機性能對比

假設主磁通相同，則永磁轉矩相同，采用內置式拓撲結構的永磁同步電機可利用新增的磁阻轉矩進一步提高總轉矩輸出能力。SPMSM表貼式結構的轉矩僅由永磁轉矩構成，見公式（2）。IPMSM內置式結構的轉矩由永磁轉矩和磁阻轉矩兩部分構成，見公式（3）。

式中，β繞組節距比；is為永磁電機定子電流；Ld，Lq為永磁電機d、q軸電感；Pn為電機的極對數；Ψf為永磁體磁鏈；Te為電磁轉矩。

3.1.2 低速區提高電流利用率的MTPA控制

永磁同步電機在相同電流幅值和不同相角下，扭矩輸出不同，尋優最小電流獲得最大轉矩的控制策略是最大轉矩電流比（Maximum Torque per Ampere，MTPA）。相同轉矩下，所需輸入電流最小，銅損最??；相同電流下輸出轉矩更大，在控制器容量一定的情況下，提高輸出功率，如圖2所示OA為低速區MTPA控制軌跡[5-9]。

圖2 MTPA控制下的電流運行軌跡

3.1.3 高速區提高電壓利用率的MTPV控制

最大轉矩電壓比（Maximum Torque per Voltage，MTPV）控制策略是基于電壓矢量的先進弱磁控制（調節電壓矢量幅值與相角），提高電壓利用率及弱磁穩定性，尋求最小供電母線電壓實現最大轉矩輸出，進而在同等轉速下實現更高的功率輸出[10-12]。開發PWM，調節使電壓矢量長度位于六邊形和內切圓之間，甚至于六邊形頂點（單脈沖），可提高母線電壓利用率，實現更高的功率輸出，如圖3所示。

圖3 MTPV電壓矢量控制模式及過調制PWM算法運行區域

3.1.4 中速區最小損耗控制

最小損耗控制（Loss Minimization Control，LMC）兼顧電機銅耗和鐵耗優化，隨著轉速增加，LMC電流軌跡由MTPA移向MTPV。如圖4所示案例，基速以上的負載工作點20 N·m@6 000 r/min，MTPA不可行，弱磁控制（Flux Weakening Control，FWC）電流調節目標為A，LMC電流調節目標為B，MTPV電流調節目標為C。

圖4 電壓和電流限制

3.2 減少系統各項損耗

3.2 .1降低電機銅損耗

a.高效油冷散熱。加強冷卻可降低溫升，減小銅線電阻，減小銅損；減小永磁體磁性能溫度損失，提高功率輸出，從而提高效率[13]；加強冷卻后可采用更高的電磁負荷，從而提高功率密度，電機的效率和功率密度得到統籌兼顧[14]。

b.超級銅線。美國DOE 2025技術路線圖中，提及橡樹嶺正在開發的“超級銅線”技術。基本原理是通過沉積技術，在銅薄膜材料上附著碳納米管材料（類似于石墨烯）[15-17]。它的導電率為銅10倍，電流容量為銅100倍，熱傳導效率為銅10倍，強度為銅的300倍，質量僅是銅的1/4～1/6，見圖5。

圖5 橡樹嶺實驗室超級銅線[15]

中車與上海交通大學聯合開發出的超級銅材料，其機械性能（抗拉強度、抗壓強度、屈服強度、布氏硬度）與普通的金屬材料銅基本保持一致，但是導電性能大幅提升[18-20]，比金屬銀高出10%，其部分性能對比如表2所示。

表2 中車超級銅線性能對比[18]

c.高溫超導銅線。第一代高溫超導線是鉍鍶鈣銅氧化物（BSCC），第二代高溫超導導線是一種釔鋇銅氧化物（YBCO）。其它潛在的高溫超導材料有：La系214超 導 體、REBCO高 溫 超導晶體生長、Ti系超導體、鐵基超導材料[21]。

d.扁線成型繞組工藝。同功率下，扁線相比圓線繞組電機高效區擴大；多層扁線可以提高高速轉矩輸出和整體效率[22]。

3.2.2 降低電機鐵損耗

a.氣隙磁場正弦化。通過精益電磁設計，優化氣隙磁場，提高正弦度，減少諧波。

b.采用高效硅鋼材料。采用0.2 mm和0.25 mm的更薄厚度的高磁感低鐵損硅鋼片，保證高磁場強度下具有高磁導率，避免了嚴重的集膚效應，但疊片系數會下降，生產成本上升。

增大合金化的比例，增加硅含量可以提高電阻率降低渦流損耗。但當硅含量超過3%時，可軋性能下降，高磁場強度下的磁導率降低[23]。JFE鋼鐵采用CVD工藝法，解決了這個制造難題。推出了含硅量6.5%的超級硅鋼產品，如表3所示。

表3 不同材料磁鋼性能對比表[24]

c.高頻應用潛在材料。鐵基非晶合金材料具有高磁導率，高電阻率，磁性能高頻衰減緩慢，鐵心損耗比硅鋼片大幅下降，但非晶合金飽和磁感相對較低，非晶合金適用于高頻電機。

復合軟磁材料具有飽和磁感高，渦流損耗小，各向同性的優勢，但其磁導率低，磁滯損耗大，機械強度低，適合具有復雜形狀及磁路的電機或高頻電機。

d.定子與殼體裝配工藝優化。采用熱套法的電機，調整定子和殼體配合，管控圓周方向應力；也可采用鍵槽固定鐵心等方法減小硅鋼片上的應力，從而減小鐵損，如圖6所示。

圖6 工藝應力對鐵損性能的影響[25]

e.鐵芯沖壓與疊裝工藝優化。不同疊裝工藝的鐵芯性能對比如表4，通過高精度的沖壓疊裝可以減少公差積累，控制過盈量，減小應力影響；自粘接無絕緣損傷，只有法向應力，鐵損最??；同時減少焊點和鉚點數量也有助于減小絕緣損傷，降低渦流損耗。

表4 鐵芯疊裝工藝對比

f.控制策略優化。開發同步PWM調制策略，調節使正弦調制波與三角載波相位同步，降低諧開發轉子位置傳感器誤差補償算法，融合多個計算周期的數據，能夠有效地補償位置傳感器各種原因帶來的精度誤差，提高永磁同步電機控制精度及穩定性，有效地降低永磁同步電機運行功率損耗及噪音，如圖7。

圖7 位置傳感器誤差補償[27]

表5 同步調制與異步調制技術對比[26]

g.降低永磁體損耗。永磁體分段結構設計，可減少永磁體渦流。隨著分段數目的增多，永磁體的渦流損耗會明顯降低，但是若分段數目很多則會給電動機的工藝制造帶來困難。環氧鍍層工藝相比金屬鍍層，絕緣環保，且可以有效減小渦流損耗[28]。

3.2.3 兼顧降低電機銅損耗和鐵損耗

氣隙系統可調電機分為4種：混合勵磁電機、機械調磁電機、可變磁通記憶電機（Variable Flux Memory Motor，VFMM）、變定子繞組結構電機（圖8）。前兩種類型基本淘汰，后兩種類型有應用前景[18]。

圖8 四類氣隙磁通可調的可調磁通電機

可變磁通記憶電機（VFMM）采用矯頑力較低的永磁材料，如鋁鎳鈷、鐵氧體或特殊牌號衫鈷，通過定子繞組或者附加線圈施加脈沖電流產生脈沖磁場改變低矯頑力永磁材料的磁化強度，實現氣隙磁場的靈活調節。對永磁材料可進行反復可逆的充、去磁，幾乎沒有電樞勵磁銅耗。弱磁運行時，可以有效減小永磁磁鏈，進而提升高速區的效率，降低逆變器弱磁失敗風險。由于磁密水平能被永磁記憶，故稱“記憶電機”[29-32]。VFMM可實現較寬范圍內的高效運行，拓寬恒功率輸出范圍，如圖9所示。

圖9 傳統永磁電機與記憶永磁電機運行特性比較

變定子繞組結構電機通過改變繞組連接或繞組匝數實現寬調速高效率。比如安川QMET驅動技術，采用轉換開關直接改變定子線圈匝數，即高速區采用更少的匝數來減小反電動勢，從而擴大恒功率運行范圍。低速大扭矩和高速大功率輸出需求得以兼顧，如圖10所示。

圖1 電驅提效技術貨架

圖10 依靠外部功率電子器件實現繞組切換

3.2.4 降低機械損耗

機械損耗主要由軸承損耗和風摩損耗組成。降低軸承損耗可以選用低摩擦軸承，降低風摩損耗可以通過增大氣隙、降低定轉子表面粗糙度、減小轉子直徑和轉軸長度實現[33]。其它降低機械損耗的措施包括提高電動機裝配質量、采用專用冷卻和潤滑油脂（ETF）等。

3.2.5 降低逆變器開關損耗

a.硬件軟開關驅動。軟開關是功率器件得以高頻化的重要技術，應用諧振原理，使得開關器件中的電流或者電壓按正弦或者準正弦規律變化，

圖11 硬件軟開關技術

b.柵極電阻優化設計。降低柵極驅動電阻，可加快開關速度，減小電壓電流重合面積，降低IGBT開關損耗，但會少量增加二極管開關損耗，且dV/dt增大，EMC變差。

c.采用寬禁帶半導體器件。SiC功率器件是單極性器件，無拖尾電流，關斷損耗低。對比IGBT加快速恢復二極管（Fast Recovery Diode，FRD）、IGBT加肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode，SBD）、全碳化硅這三種功率器件可知，SiC功率器件具有低開關損耗和低反向恢復損耗，如圖12。但當前SiC受材料、加工、成本等制約，規?；逃贸潭扔邢蕖?/p>

圖12 SiC基器件相比Si基器件開關損耗大幅降低

d.全域變載頻控制。開關頻率隨轉速和轉矩變化動態調節，減小開關頻率，可降低開關損耗，但一般會增加電機損耗，惡化NVH性能。選擇合適的開關頻率可達到系統效率最優，如圖13。

圖13 全域變載波頻率控制示意圖

3.2.6 降低逆變器導通損耗

a.提高柵極驅動電壓。提高驅動電壓可以降低門限電阻，進而降低IGBT導通損耗。

b.加強功率模塊散熱。改善冷卻效果可以降低結溫，降低門限電阻，進而降低IGBT導通損耗。

c.采用寬禁帶半導體器件。采用SiC功率器件：無偏置電壓、導通電阻小，導通損耗小。寬禁帶半導體器件具有降低開關損耗和導通損耗的雙重技術效果。

3.3 挖掘系統集成潛力

擴大高效區并增加匹配度，綜合升壓調壓器技術、可變磁通電機技術、SiC功率半導體材料、多層扁線導體繞組工藝、高效減速器技術等擴大電驅動系統自身的高效區。通過調節速比、優化電磁負荷分配（損耗分配）等參數，最佳匹配工況工作點和高效區。由于系統成本不占優，兩檔變速器很少采用。車用驅動電機區別于工業電機，追求工況效率而非單點效率[34-35]，如圖14所示。

圖14 整車工況點分布與電機高效區定向匹配

4 結束語

2020年5月29日，中國《GB18613-2020電動機能效限定值及能效等級》已發布，于2021年6月1日執行IE3超高效電驅能效標準。2020年10月27日，由工業和信息化部裝備工業一司指導，中國汽車工程學會牽頭組織編制的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》正式發布，將電驅動總成提升為重點領域作為獨立章節研究，路線圖明確到2025年，三合一電驅動產品最高效率目標93.5%，CLTC綜合使用效率目標87%；到2035年，三合一電驅動產品最高效率目標94.5%，CLTC綜合使用效率目標90%。電機行業對能效的關注日益凸顯。汽車驅動電引領著新時代電機技術綠色革命，但目前仍有一系列前瞻技術有待攻克。

本文依次從目的意義、政策標準、理論模型、技術貨架、應用場景的角度，總結了電動汽車用電驅系統的技術發展趨勢、理論依據、技術途徑。在電機設計、材料選擇、工藝裝配等方面闡述了提升電驅系統效率的解決措施，通過增加系統輸出效率，降低各項損耗，挖掘系統集成的潛力，提升電動汽車用電機驅動系統效率，同時在理論和應用兩個維度分析了超高效率車用電機驅動系統發展的必要性。