張龍

摘 要：目前，新能源汽車的研發(fā)和推廣都是順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展潮流。新能源汽車以其“零污染”、“零排放”的特點(diǎn)，與當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的理念不謀而合，不僅能滿足人們的出行需求，而且符合環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展思想。因此，對(duì)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究至關(guān)重要。本文通過對(duì)新能源汽車的概念和優(yōu)點(diǎn)的總結(jié)，并對(duì)新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行深入分析，總結(jié)了驅(qū)動(dòng)控制器的核心技術(shù)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，以期對(duì)新能源汽車的技術(shù)發(fā)展有所幫助。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 驅(qū)動(dòng)模式 驅(qū)動(dòng)控制器 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

我國(guó)幅員遼闊，但人均資源匱乏，石化能源大量依賴進(jìn)口，單位GDP能耗較高，發(fā)展高效率的電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的新能源汽車，對(duì)于國(guó)家能源安全有著重大的戰(zhàn)略意義。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)汽車內(nèi)燃機(jī)技術(shù)與歐美先進(jìn)水平還有較大差距，今后十年內(nèi)很難追趕。鑒于目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車技術(shù)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的總體水平相差不大，因此，發(fā)展電動(dòng)汽車將成為國(guó)內(nèi)車企追趕西方先進(jìn)企業(yè)、實(shí)現(xiàn)彎道超車的一個(gè)重要契機(jī)。在新能源汽車領(lǐng)域，電池技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)是新能源汽車的核心技術(shù)。在目前的電池技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展的情況下，如何改善驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率、功率密度、安全性、可靠性，已成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要研究領(lǐng)域，同時(shí)也是各國(guó)政府及企業(yè)制訂政策及發(fā)展計(jì)劃的重要目標(biāo)。

2 新能源汽車概述

2.1 基本概念

新能源汽車的實(shí)質(zhì)是一種新型能源汽車，采用了非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力。除了石油以外，其他的新型可再生能源，如純電動(dòng)力汽車、增程式電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池電動(dòng)汽車和氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車等多種分類。相比于汽油，新能源汽車的優(yōu)勢(shì)在于它具有低污染、環(huán)保的特點(diǎn)，同時(shí)也能緩解石油的緊缺問題。

2.2 新能源汽車優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的燃油車輛相比，新能源汽車不僅可以減少車輛的噪聲，而且在安全性能上也有所提高。另一方面，新能源汽車的壽命更長(zhǎng)，污染范圍也更小，而且具有環(huán)保和節(jié)能特點(diǎn)。當(dāng)今世界，人們一直在為石油匱乏和不可再生而煩惱，因此很早之前就開始尋找替代能源。因此，盡管我國(guó)提出了“節(jié)能減排”的理念，以緩解石油資源不斷消耗的困境，但這并不能從根本上解決問題。因此，相關(guān)部門對(duì)新能源汽車的發(fā)展給予了較大支持，就是為了在資源的開發(fā)上能夠有新的突破。

2.3 新能源汽車涉及驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

目前，我國(guó)在新能源汽車相關(guān)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究上還處于起步階段，與新能源汽車相關(guān)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)速度較慢，在質(zhì)量和安全性上還存在著一些問題。因此，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須繼續(xù)研究，確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率輸出和控制，確保新能源汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效性。

鑒于目前新能源汽車的配置，特別是新能源混合動(dòng)力系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置在狹窄的空間范圍中，且操作環(huán)境較為復(fù)雜，它要承受較大震動(dòng)力量，很容易集聚灰塵，有很強(qiáng)的沖擊力，易于被腐蝕等。因此，必須確保與新能源汽車有關(guān)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)有特定要求。第一，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)必須是相對(duì)可靠，確保在各種情況下都能保持良好的安全性能；第二，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)需要有相對(duì)低速的扭矩狀況，且在較寬范圍中的速率值較高及恒定功率值，如果沒有變速器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)也必須滿足相應(yīng)的扭矩要求；第三，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的具體體積應(yīng)更小、重量更輕；第四，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)必須滿足四至五倍的過載要求，在較短的時(shí)間內(nèi)完成加速和攀爬斜坡的要求；第五，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的具體功率密度應(yīng)該更高，相應(yīng)體積密度也應(yīng)該更大，并且可以降低新能源汽車的總重量，增加新能源汽車的續(xù)駛里程；第六，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該有更寬的調(diào)整速度要求，在較大轉(zhuǎn)速和較大扭矩范圍內(nèi)，以較高效率延長(zhǎng)新能源汽車的續(xù)駛里程；第七，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有較好的控制狀態(tài)，具有較好的匹配穩(wěn)定性、較高的相關(guān)精度；第八，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的成本要控制在合理范圍內(nèi)，不能過高，要符合新能源汽車的市場(chǎng)接受程度。

3 新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體驅(qū)動(dòng)模式

3.1 純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式

新能源汽車純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式包括，集中電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式和分布電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式。集中電動(dòng)模式以一臺(tái)電動(dòng)機(jī)為新能源汽車提供動(dòng)力，采用集中式電力驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，可以將電動(dòng)機(jī)和減速器整合在一起，而不需要改變功率，減少電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的峰值扭矩，從而減小新能源汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的體積，進(jìn)而可以減少與新能源汽車電機(jī)相關(guān)的費(fèi)用支出，目前大部分的新能源純電動(dòng)汽車都采用集中電力驅(qū)動(dòng)方式。分布電力驅(qū)動(dòng)模式包括兩個(gè)以上的功率輸出結(jié)構(gòu)，而新能源汽車在車輪上安裝電動(dòng)機(jī)，可以減少與新能源汽車的能量消耗，這主要是由于分布電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式產(chǎn)生的電能可以被移動(dòng)到安裝在車輪上的電動(dòng)機(jī)上，在不使用傳動(dòng)軸和變速箱的情況下，有效地降低了相應(yīng)的能耗和損耗，同時(shí)可有效分配新能源汽車各個(gè)車輪動(dòng)力，從而保證了新能源汽車的安全行駛。

3.2 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式

全混式是一種常見的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式，在電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上都有不同的機(jī)械更改速率設(shè)置，既可以采用齒輪法，也可以采用行星齒輪法來調(diào)節(jié)新能源汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。并聯(lián)式混合是一種常見的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式，而并聯(lián)式混合的新能源汽車通常采用集成式啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，包括傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩者可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以協(xié)同運(yùn)行，保證新能源汽車的驅(qū)動(dòng)駕駛。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的相應(yīng)功率，混動(dòng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以分為微混式、中混式和全混式三種，其中，皮帶驅(qū)動(dòng)下的起動(dòng)和發(fā)電機(jī)采用微混式，整體式啟動(dòng)采用中混式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)采用全混合。皮帶驅(qū)動(dòng)和發(fā)電機(jī)相應(yīng)的功率較低，可以促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)速度高于怠速，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以給蓄電池充電。一體化集成下的啟動(dòng)發(fā)電機(jī)更適合于復(fù)雜道路，而新能源汽車則更容易使用，成本也更低。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)能夠比較靈活的根據(jù)不同的工況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài)，但是這種方式比較復(fù)雜，需要的成本也較高。

4 驅(qū)動(dòng)控制器的核心技術(shù)

4.1 功率半導(dǎo)體器件技術(shù)

采用高性能功率半導(dǎo)體器件、智能柵極驅(qū)動(dòng)、器件級(jí)一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)，可為電機(jī)控制器的高功率、低功耗、高效能提供理論依據(jù)。同時(shí)，高性能、可靠的電機(jī)控制器對(duì)電磁兼容性EMC的性能和可靠性有較高要求。功率半導(dǎo)體器件技術(shù)是以功率半導(dǎo)體裝置為基礎(chǔ)，由基于硅基的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）向常規(guī)單邊晶體管的轉(zhuǎn)變。

4.2 硅基門極 IGBT 門極芯片技術(shù)

由于科技迭代和不斷完善，相對(duì)于寬頻帶隙半導(dǎo)體設(shè)備而言，硅基IGBT將會(huì)是電機(jī)控制器的首選。英飛凌公司研發(fā)出了EDT2芯片，并在新能源汽車上應(yīng)用了大量的750 V柵極/270 A柵極 IGBT柵極晶體管，以滿足高功率密度要求。日本富士通等廠商也在研發(fā)這種技術(shù)，而高功 IGBT晶片的技術(shù)也在逐步推廣。另外一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于，柵極和飽和電子的漂移速度可以達(dá)到225℃以上。這比目前硅基IGBT的最高應(yīng)用結(jié)點(diǎn)溫度高出了175℃。柵極SiC器件切換速度快，適用于較高的切換頻率，適用于高速電動(dòng)機(jī)的控制。

4.3 智能門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)

IGBT門極驅(qū)動(dòng)電路的基本隔離、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能之外，還應(yīng)根據(jù)IGBT自身特點(diǎn)，對(duì)開關(guān)過程進(jìn)行準(zhǔn)確控制，從而實(shí)現(xiàn)IGBT的最優(yōu)均衡。智能門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)的兩大功能分別是：主動(dòng)門控制、監(jiān)控與診斷。智能門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)基本思路是，把IGBT的開、關(guān)兩個(gè)過程分成若干個(gè)階段。針對(duì)一些問題，只需分別選擇對(duì)應(yīng)相位。綜上所述，智能門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠協(xié)助使用者最大限度地發(fā)揮功率半導(dǎo)體元件的效能，降低損失及提升電壓使用效率，從而能夠?qū)﹄娏Π雽?dǎo)體裝置的安全性進(jìn)行評(píng)估。電機(jī)控制器具有較高的安全性、靈活性和可靠性。

4.4 功率元件的集成設(shè)計(jì)

新能源汽車具有輸出密度高、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。功率元件在工作中，因受電子的作用，往往會(huì)產(chǎn)生一些熱量，若不能及時(shí)排出熱量，對(duì)于新能源電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率元件的效率和穩(wěn)定性有較大影響，而原料的散熱能力較好時(shí)，所需的成本也比較高，所以在設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意在散熱、機(jī)械強(qiáng)度、價(jià)格等因素的綜合考慮，以及在電機(jī)各部件間的整合，以達(dá)到最佳的物理整合效果。實(shí)現(xiàn)高功率、高可靠性的設(shè)計(jì)，是電氣、熱、磁、電動(dòng)機(jī)控制器等的主要目的。需求集成設(shè)計(jì)技術(shù)是將汽車及動(dòng)力系統(tǒng)的需求延伸至IGBT晶片的設(shè)計(jì)與封裝。根據(jù)汽車的設(shè)計(jì)和性能要求，從系統(tǒng)到核心部件的需求，采用自頂向下的最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)是可以提高汽車的行駛里程。

4.5 其它關(guān)鍵性技術(shù)

在上述技術(shù)之外，在新能源產(chǎn)業(yè)中也存在著一些其他重要技術(shù)問題。門極EMC與可靠性設(shè)計(jì)是新能源汽車電機(jī)控制器產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。門極EMC和可靠性設(shè)計(jì)是衡量功率電子器件性能的一個(gè)重要指標(biāo)。提高EMC的效率是新能源業(yè)界的目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)新能源汽車電機(jī)控制器進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，利用有限元方法，建立了EMC的高頻模擬模型，對(duì)EMC的失效機(jī)制進(jìn)行研究，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目的。未來電磁兼容性的前瞻性設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，并且將會(huì)逐漸實(shí)現(xiàn)，而這將會(huì)成為主流技術(shù)路線。密閉交通工具的功能性和安全性設(shè)計(jì)，能夠有效減少因電力、電子設(shè)備不正常操作而造成的各類交通安全隱患。德國(guó)與美國(guó)汽車電子廠商聯(lián)合推出一種魯棒性檢驗(yàn)（RV）方法。該技術(shù)已被Infineon門極技術(shù)和Bosch門極集團(tuán)廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制器等半導(dǎo)體離散裝置的可靠性設(shè)計(jì)。但該復(fù)合體系的適應(yīng)性和有效性有待于深入研究。

5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 扁銅線技術(shù)

采用發(fā)卡型定子繞組，能有效地改善電動(dòng)機(jī)的定子槽滿率，提高電機(jī)的功率密度。另外，發(fā)卡型定子線圈具有更小的末端尺寸，因此銅損耗更小、熱輻射更強(qiáng)。目前，這類電機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備和專利均來自于日本、意大利、德國(guó)等傳統(tǒng)的汽車工業(yè)大國(guó)。從2018年起，深圳市匯川科技有限公司、松正電動(dòng)車科技有限公司等國(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車配件廠商也紛紛發(fā)力，紛紛推出了自己的扁銅線電機(jī)。但是，與常規(guī)圓銅繞組相比，扁銅繞組具有較好的高頻趨膚效果。在高功率的驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，發(fā)卡式定子線圈所引起的電流損失問題更為嚴(yán)重。發(fā)卡線圈制造工藝比較復(fù)雜，在彎曲扁銅絲后，絕緣層極易被破壞，出現(xiàn)凹痕或破裂。目前，發(fā)卡式定子線圈的趨膚效應(yīng)及渦流損失已成為目前的研究熱點(diǎn)。改進(jìn)發(fā)卡式定子繞組的工藝及制造精度，將有助于推進(jìn)這一工藝的國(guó)產(chǎn)化。

5.2 多相永磁電機(jī)技術(shù)

多相電機(jī)的母線電壓比常規(guī)三相電機(jī)低、扭矩波動(dòng)小、容錯(cuò)性好，適合于對(duì)噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙（NVH）高的新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。以雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，其兩組線圈之間的電角度為30°，可有效地消除5、7次諧波磁位，極大地降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。同時(shí)，雙三相永磁同步電機(jī)的兩個(gè)線圈均為絕緣中線，與4相、5相電機(jī)相比，其階次較低，易于分析和控制，由于該方法在不需改變算法的情況下，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的容錯(cuò)運(yùn)行控制，因而雙三相永磁同步電機(jī)已成為新能源汽車的一個(gè)重要研究方向。

5.3 永磁同步磁阻電機(jī)技術(shù)

永磁同步磁阻電機(jī)是“永磁同步電動(dòng)機(jī)+磁阻電動(dòng)機(jī)”的結(jié)合體，具有較小的磁鏈和較高的磁阻轉(zhuǎn)矩，是一種低稀土/無稀土永磁電動(dòng)機(jī)的新技術(shù)。永磁同步磁阻電機(jī)不僅具有高的轉(zhuǎn)矩電流比、高功率密度、低磁飽和問題，而且它的調(diào)速范圍更大。所以永磁同步磁阻電機(jī)在寶馬i3、i8系列中得到了廣泛應(yīng)用。目前，永磁同步磁阻電機(jī)是目前業(yè)內(nèi)最受歡迎的技術(shù)發(fā)展方向。然而，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造工藝繁瑣，制造設(shè)備成本高，最優(yōu)電流角的變化較大，是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，永磁同步磁阻電機(jī)的發(fā)展將會(huì)給那些嚴(yán)重依靠低價(jià)稀土永磁體，研發(fā)能力和加工能力較弱的公司帶來巨大沖擊。

5.4 輪轂電機(jī)技術(shù)

輪轂電機(jī)有多種型式，但目前對(duì)其的研究多以外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)為主。輪轂電機(jī)的使用將為新能源汽車提供一系列顯著優(yōu)勢(shì)，省去了變速器、傳動(dòng)軸、差速器等機(jī)械部件，使其具有四輪分布動(dòng)力，并留下更多的底盤空間給電池包。然而，目前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輪轂化仍面臨許多問題，例如彈簧重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大幅提高，電機(jī)的防水防塵、散熱問題，以及更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)控制算法。目前，普羅泰、伊拉菲等國(guó)外廠商已開發(fā)出一批新產(chǎn)品，并與亞太機(jī)電、萬安科技等企業(yè)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化合作。同時(shí)，湖北泰特機(jī)電有限公司等國(guó)內(nèi)企業(yè)也相繼推出了一套用于大型商業(yè)和特殊汽車的輪轂電機(jī)產(chǎn)品。

5.5 永磁體散熱技術(shù)

永磁材料的穩(wěn)定性是影響汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出性能的關(guān)鍵因素。由于工作溫度的提高，永磁材料發(fā)生退磁，使電機(jī)的輸出扭矩下降。另外，由于永磁材料的工作溫度過高，也會(huì)縮小驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高效運(yùn)行區(qū)域，降低功率因數(shù)。為了解決這一問題，目前已有不少學(xué)者在永磁電機(jī)永磁材料的溫度監(jiān)控技術(shù)上進(jìn)行了大量理論探討。然而，采用性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的溫敏元件，以滿足新能源汽車的需要，仍然是目前最安全的選擇。目前，對(duì)電機(jī)散熱方法的研究多集中在定子繞組和端部繞組方面，如果能夠從轉(zhuǎn)子的角度來研究其散熱結(jié)構(gòu)及散熱模式，將有助于改善新能源汽車的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。另外，在高功率密度電機(jī)中開發(fā)出耐熱永磁材料，可從根本上解決高負(fù)荷高溫環(huán)境下永磁材料的磁性衰減問題。

6 結(jié)語

綜上所述，新能源汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)直接關(guān)系到新能源汽車的安全運(yùn)行，因此，新能源汽車的研究人員需要不斷開發(fā)更為先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。我國(guó)是全球第一大汽車市場(chǎng)，也將迎來新一輪的產(chǎn)業(yè)變革?；贗GBT的傳統(tǒng)硅基電機(jī)控制器將會(huì)在今后數(shù)年內(nèi)繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位。乘用車驅(qū)動(dòng)控制裝置是今后汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。我們必須認(rèn)識(shí)到自身對(duì)稀土永磁材料的依賴性，在電機(jī)設(shè)計(jì)、材料、生產(chǎn)等方面，必須及早引入世界先進(jìn)技術(shù)，為新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展提前規(guī)劃布局。

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