如何實現(xiàn)電機驅(qū)動系統(tǒng)功率密度

開發(fā)超高功率密度電機驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動力在于：相同體積或質(zhì)量下，輸出功率更大，超車加速能力和高速持續(xù)行駛能力更強，獲得優(yōu)異的動力性能和駕駛體驗；相同輸出功率下，小型化輕量化設(shè)計，給定空間內(nèi)實現(xiàn)高性能，布置靈活，整車搭載性更好，利于平臺模塊化和四驅(qū)布置，適合原生電動底盤架構(gòu)設(shè)計，材料用量更少，成本更低。

1 理論分析

行業(yè)對于功率密度的定義尚未統(tǒng)一，我們針對不同的指標定義闡明了計算方法，分析了指標內(nèi)涵，如表1所示。

表1 電機驅(qū)動系統(tǒng)功率密度指標定義及其內(nèi)涵

一般電驅(qū)動系統(tǒng)以質(zhì)量功率密度指標評價，電機本體以有效比功率指標評價，逆變器以體積功率密度指標評價；一般乘用車動力系統(tǒng)以功率密度指標評價，而商用車動力系統(tǒng)以扭矩密度指標評價。

功率密度指標評價需要在一定的前提條件下進行，與指標定義、評價對象、運行電壓、工作溫度及其冷卻條件、持續(xù)時間、恒功率調(diào)速范圍等因素密切相關(guān)，不同前提下功率密度量化指標差異巨大。由于無統(tǒng)一標準，當前各個企業(yè)在宣傳產(chǎn)品時，傾向于虛高指標以提高市場競爭力。針對這種局面，在國家《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》編制過程中，對電機有效比功率指標提出了規(guī)范定義：

電機有效質(zhì)量：定轉(zhuǎn)子總成質(zhì)量，含絕緣及固化材料，不含軸、殼等；

峰值功率對應(yīng)的持續(xù)時間：30 s；

峰值功率定義：基速～0.75倍最高工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，持續(xù)30 s所能輸出的最大功率；

電流等級：折算為450 A；

電壓等級：折算為母線電壓400 V；

測試環(huán)境：85 ℃環(huán)境艙，65 ℃冷卻液入口溫度[1]。

2 技術(shù)路徑

依據(jù)上述理論分析，圍繞提高系統(tǒng)集成度和精益匹配設(shè)計、提高轉(zhuǎn)速和電壓、新型電機和電磁性能優(yōu)化設(shè)計、新型功率電子和控制技術(shù)、材料和工藝創(chuàng)新升級等方面，通過提高峰值輸出功率、降低體積和質(zhì)量、改善熱設(shè)計和熱管理三條技術(shù)路徑，可實現(xiàn)電機驅(qū)動系統(tǒng)功率密度的提升。梳理技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 高功率密度電驅(qū)技術(shù)貨架

2.1 提高輸出功率

2.1.1 電磁性能精益設(shè)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(yōu)勢，適用于電動汽車牽引驅(qū)動。假設(shè)主磁通相同，則永磁轉(zhuǎn)矩相同，采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁同步電機，可利用新增的磁阻轉(zhuǎn)矩進一步提高總轉(zhuǎn)矩輸出能力。表貼式結(jié)構(gòu)的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩僅由永磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成，見式(1)。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分構(gòu)成，見式(2)[2]?；谡噷嶋H工況，精細化設(shè)計電磁結(jié)構(gòu)、合理分配電磁負荷，調(diào)節(jié)電機極對數(shù)、永磁磁鏈、直軸電感、交軸電感、相電阻參數(shù)，可獲得理想的功率輸出特性。

(1)

(2)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為極對數(shù)；ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；is為定子電流；β為空間電角度；Ld為d軸電感；Lq為q軸電感。

三菱電機通過綜合采用“非對稱轉(zhuǎn)子+集中繞組+獨特磁石間隙”的電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)電機輸出功率密度23 kW/L，特別是針對一個旋轉(zhuǎn)方向進行了功率密度的最大化提升，如圖2所示。

圖2 三菱高功率密度電機非對稱轉(zhuǎn)子電磁結(jié)構(gòu)

2.1.2 電機高速化設(shè)計

根據(jù)電機設(shè)計公式(3)，同等功率前提下，轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)矩越小，電機尺寸D2L越小，材料用量越低、成本越低，則可達到更高的比功率。

(3)

式中：CA為電機常數(shù)；D為定子內(nèi)徑；n為轉(zhuǎn)速；αδ為極弧系數(shù)；lδ為鐵心有效長度；kB為波形系數(shù)；kW為繞組系數(shù)；Bδ為氣隙磁密(磁負荷)；A為線負荷(電負荷)，為每相匝數(shù)；m為相數(shù)；I為電流值。

電機高速化的關(guān)鍵技術(shù)在于：為控制穩(wěn)定，需要更高的控制頻率和算力，要求主控芯片的硬件執(zhí)行速度更快，軟件功能設(shè)計優(yōu)化；高速化導(dǎo)致電機反電動勢增加，需提高器件耐壓，同時設(shè)計系統(tǒng)保護功能，如主動短路等，提高系統(tǒng)安全性；高速電機運行頻率提高，需采用超薄硅鋼片和磁鋼分段設(shè)計等抑制鐵損；高速電機需采用高強度轉(zhuǎn)子電磁結(jié)構(gòu)、高速軸承、高強度硅鋼等設(shè)計來實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 SKF新推出高速球軸承HSBB 1.8[4]

2.1.3 新型多相電機設(shè)計

多相電機是指供電相數(shù)大于3的電機，在同等母線供電電壓下，提升了電流輸出能力，進而提升功率輸出能力，特別適用于供電電壓受限而功率需求比較大的應(yīng)用場景。通過增加相數(shù)，電機輸入轉(zhuǎn)矩脈動減小，NVH特性得到改善，同時可以避免兩電平逆變器中存在的動態(tài)和靜態(tài)均壓等問題，提高電驅(qū)系統(tǒng)可靠性[4]。多相電機相比于傳統(tǒng)三相電機的優(yōu)勢是轉(zhuǎn)矩脈動小、轉(zhuǎn)矩密度大、可實現(xiàn)低壓大功率、容錯可靠性高等[4-6]。圖4為某款多相電機與傳統(tǒng)三相電機的定子結(jié)構(gòu)對比。

圖4 表貼式12槽10極永磁電機實際槽中繞組分布

2.1.4 新型軸向磁通電機設(shè)計

軸向磁通電機又稱盤式電機，其氣隙成扁平狀，勵磁磁場方向與電機軸平行，與普通徑向電機相比，軸向磁通電機轉(zhuǎn)子具備更大的直徑。由轉(zhuǎn)矩公式可知，在相同的力下，轉(zhuǎn)子直徑增加可以獲得更大的轉(zhuǎn)矩，也意味著在永磁體材料與銅線材料相同的情況下，軸向磁通電機具備更強的轉(zhuǎn)矩輸出能力[7]。通常，新型軸向電機結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)徑向電機結(jié)構(gòu)可以帶來30%的轉(zhuǎn)矩能力提升[7]。軸向磁通電機由于其結(jié)構(gòu)特性，具備軸向結(jié)構(gòu)緊湊、外形呈扁平狀、體積小、功率密度高的特點，近年來經(jīng)過行業(yè)內(nèi)的不斷改進、完善，已逐漸適用于新能源電動汽車[7-8]。圖5為傳統(tǒng)徑向磁通電機與新型軸向磁通電機的結(jié)構(gòu)和磁路對比。

圖5 傳統(tǒng)徑向磁通電機與新型軸向磁通電機對比

2.1.5 電壓矢量過調(diào)制控制

與基于電流矢量的扭矩控制方法相比，電壓矢量控制無需預(yù)留電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)器的裕量，具有天然的弱磁能力，同樣的母線電壓可實現(xiàn)更深的弱磁深度，充分挖掘電機的最大輸出能力。各電壓矢量控制方案比較如表2所示。

表2 電壓矢量控制方案特性簡介[10]

通過過調(diào)制PWM策略將SVPWM的運行范圍擴展至六邊形區(qū)域，如圖6所示。結(jié)合電壓矢量控制方法，將直流母線電壓的利用率由1提升至1.15，維持母線電壓不變，電機系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率可以得到較大提升[9-11]。

圖6 PWM過調(diào)制策略

2.1.6 新一代功率模塊開發(fā)

1)新型功率器件開發(fā)

最新一代車規(guī)級Si基逆導(dǎo)IGBT技術(shù)與傳統(tǒng)Si基IGBT技術(shù)相比，具備小型化、低成本、高功率密度、高可靠性的特點。采用提高模塊工作結(jié)溫、適度升壓、芯片集成溫度和電流傳感器、逆導(dǎo)芯片等技術(shù)，提高期間的功率密度，降低模塊體積及成本[9,11]。圖7為富士M653逆導(dǎo)IGBT技術(shù)示意。

圖7 富士最新一代Si基逆導(dǎo)IGBT技術(shù)

下一代SiC基MOSFET芯片具有如下技術(shù)優(yōu)勢：高禁帶寬度(SiC=3Si)，高壓高溫下穩(wěn)定工作，～600 ℃；高電場強度(SiC=10Si)，導(dǎo)通電阻低，耐高壓，高效率；高電子飽和速率(SiC=2Si)，開關(guān)速度快，頻率≥10Si；高導(dǎo)熱系數(shù)(SiC=3Si)，散熱性能好，耐高溫；熔點(SiC=2Si)，耐高溫運行；單極性器件，無拖尾電流，關(guān)斷損耗低。目前未能廣泛推廣的原因在于：生產(chǎn)工藝不成熟，周期長，良品率低，成本較高；控制頻率高，誤導(dǎo)通率高，電磁干擾和絕緣技術(shù)難題多。功率器件特性對比如圖8所示。

圖8 功率器件特性對比

2)新型大功率模塊封裝技術(shù)

未來功率模塊的發(fā)展趨勢是尋求更高的芯片結(jié)溫，更高的散熱效率和可靠性，更低的寄生電感，趨于小型化、集成化的模塊結(jié)構(gòu)等。當前新型大功率模塊封裝技術(shù)研究重點主要集中在互連、貼裝、散熱及模塊結(jié)構(gòu)等方面，如表3所示。

表3 混合動力/電動汽車用功率模塊封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢[12]

2.1.7 功率模塊并聯(lián)驅(qū)動技術(shù)

3種提升功率模塊功率輸出等級的方法：①直接選取更大功率等級器件；②采用低功率等級器件串聯(lián)提高電壓等級；③通過低功率等級器件并聯(lián)提高電流等級。電動汽車應(yīng)用中電壓平臺普遍不高，因此多采用功率模塊并聯(lián)方法來提升電流輸出能力進而提升功率輸出能力[13]。功率模塊并聯(lián)驅(qū)動一般受并聯(lián)IGBT參數(shù)差異性、驅(qū)動電路一致性、主電路布局及散熱不均衡等因素影響[14]。功率模塊并聯(lián)驅(qū)動一般需要選擇具有正溫度關(guān)系特性的IGBT模塊，溫度越高，VCE越高，電流不均會被自動調(diào)整，溫度升高時，電流Ic會減小，適合并聯(lián)。業(yè)界知名的功率器件并聯(lián)驅(qū)動量產(chǎn)案例是特斯拉Model 3，其采用了ST定制的SiC分立器件四并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并通過銅基板實現(xiàn)散熱、貼殼水冷，如圖9所示[13-18]。

2.1.8 升壓調(diào)壓技術(shù)

在動力電池和逆變電路之間增加三相全橋逆變器級聯(lián)升壓器，升壓逆變器可據(jù)負載實時調(diào)整直流端工作電壓，提高電驅(qū)系統(tǒng)輸出功率，通過高壓化，降低電流及損耗，實現(xiàn)輕量化、低成本。升壓器調(diào)壓技術(shù)使得對于效率和功率的追求得以兼顧[19-21]。需要說明的是，直接采用高壓電池供電，配合高壓電機設(shè)計，同樣能顯著提升功率輸出能力。電驅(qū)系統(tǒng)電壓發(fā)展趨勢如圖10所示。

圖10 電驅(qū)系統(tǒng)電壓發(fā)展趨勢

2.1.9 采用高性能電工材料

為滿足新能源汽車對高扭矩密度和高功率密度的要求，在電機設(shè)計時應(yīng)選擇矯頑力、剩余磁通密度和最大磁能積較大的永磁材料，同時還應(yīng)考慮高功率密度溫升問題，充分考慮其耐溫性[22]。

硅鋼應(yīng)選用高導(dǎo)磁、低損耗的薄片材料，功率密度電機轉(zhuǎn)速高，供電頻率高，鐵損是主要損耗來源。

導(dǎo)線應(yīng)選擇更高耐熱等級(240 ℃以上)的漆包線，或者選擇更低損耗的導(dǎo)線。目前，漆包線最高耐溫是220 ℃，比較稀缺，而日立可以做到240 ℃，圖11為日立導(dǎo)線材料選型。

圖11 耐高溫導(dǎo)線選型

圖12是特斯拉鑄銅材料感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子，考慮到電動汽車用驅(qū)動電機采用變頻器供電，其采用了紫銅導(dǎo)條，能夠滿足對電機起動性能的要求，同時保證電機有較高的效率[22]。

2.2 降低體積和質(zhì)量

2.2.1 集成化設(shè)計

1)結(jié)構(gòu)集成

根據(jù)不同構(gòu)型，車用電機的布置形式和耦合方式多種多樣：可以與發(fā)動機、離合器、變速器、傳動軸、驅(qū)動橋、輪轂等系統(tǒng)級集成；市場上的EV電驅(qū)總成，按照電機軸與減速器輸出軸的布置形式區(qū)分，可分為平行軸和同軸集成結(jié)構(gòu)，按照逆變器的布置位置分，可分為軸向逆變器和徑向逆變器集成結(jié)構(gòu)；零部件層級的集成動態(tài)有金屬嵌件一體化、埋嵌元件PCBA技術(shù)、門極驅(qū)動芯片組集成、傳感器定制開發(fā)等。表4為常用的電驅(qū)動系統(tǒng)集成設(shè)計方案。

表4 常用的電驅(qū)動集成設(shè)計方案

2)功能集成

共用控制芯片(域控制器)、共用功率器件拓撲(充電機、DC/DC、逆變器集成)等。圖13(a)為比亞迪的電機繞組和功率器件復(fù)用充電技術(shù)，圖13(b)是華為的功率器件復(fù)用充電技術(shù)。

圖13 電機繞組、功率器件復(fù)用充電技術(shù)[23-24]

2.2.2 采用扁線成型繞組工藝

扁線繞組工藝的優(yōu)勢在于以下幾個方面。

①小型化：槽滿率高，端部短，功率密度高；

②高性能：熱傳導(dǎo)好，溫升低，持續(xù)功率高；

③工藝性好：適合大批量自動化生產(chǎn)；

④NVH性能好，結(jié)構(gòu)剛度好；

⑤優(yōu)化效率區(qū)分布，適合城市工況。

扁線繞組工藝的劣勢在于以下幾個方面。

①高速時集膚效應(yīng)導(dǎo)致?lián)p耗增加，頻率越高，損耗越大；

②對銅線原材料質(zhì)量要求高，易損壞；

③工序復(fù)雜，精度要求高，規(guī)?；蕾噷I(yè)高端設(shè)備；

④系列化設(shè)計難于實現(xiàn)，設(shè)計柔性化不足。

2.2.3 采用先進結(jié)構(gòu)件加工工藝

1)空心軸旋鍛工藝

隨著輕量化要求的進一步提升，整體鍛造成型的空心軸將逐步得到應(yīng)用。其主要技術(shù)優(yōu)勢在于：大幅度減重；減少了機加成本；獲得理想的纖維流線和材料性能；低轉(zhuǎn)動慣量。

2)殼體半固態(tài)鑄造工藝

電驅(qū)系統(tǒng)對鋁合金殼體類零件的要求是輕量化，力學(xué)性能優(yōu)異，密封性好，散熱好，成本低。隨著零部件形狀復(fù)雜化，壁厚減薄(輕量化)，傳統(tǒng)壓鑄越來越難以滿足產(chǎn)品應(yīng)用的需求。半固態(tài)注射成型技術(shù)綜合了凝固加工和塑性加工的優(yōu)點，具有精度高、節(jié)能環(huán)保、安全性高的特點，成型時將合金細顆粒裝入料斗中，用機器的送料筒將料加熱呈半固態(tài)熔融狀態(tài)，注射成型[25-26]。半固態(tài)流變成型鋁合金鑄造件技術(shù)特點是成型件致密度高，壁厚可厚可薄(可小于1 mm)，尺寸精度高、力學(xué)性能好、導(dǎo)熱性好、氣孔縮松少(零件孔隙度小于0.069%)、表面質(zhì)量高，模具壽命高，如圖14所示。

圖14 殼體工藝對比

3)殼體一體化鑄造工藝和轉(zhuǎn)子鐵心輕量化設(shè)計

電機殼體采用一體化鑄造式水套，降低成本的同時，還可提高殼體剛度和模態(tài)，如圖15所示。

圖15 電機先進結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計

2.3 改善熱設(shè)計和熱管理

2.3.1 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；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(tǒng)籌兼顧[27-28]。

2.3.2 高導(dǎo)熱材料

為增加電機的功率密度，要降低電機封裝的熱阻，減小電機的占用空間和成本，實現(xiàn)電機高速，同時保持良好的可靠性和穩(wěn)定性。這需要提高電機封裝材料(導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂、填料、繞組絕緣材料等)的熱傳導(dǎo)并降低接觸熱阻。

導(dǎo)熱界面材料(TIM)以聚合物系統(tǒng)為基礎(chǔ)并采用先進填料技術(shù)制造，能夠處理關(guān)鍵的散熱問題并具有長期可靠性能，應(yīng)用于熱源與散熱器(冷板、翅片散熱器等)表面之間，排除熱阻值較高的空氣，使傳熱表面間緊密接觸，提高勻熱、導(dǎo)熱速率，有助于實現(xiàn)輕量化。

2.3.3 高耐熱材料

高耐熱材料可以提高零部件的環(huán)境耐受能力，有助于發(fā)揮下一代寬禁帶半導(dǎo)體的高溫運行優(yōu)勢特性。例如，當前普遍量產(chǎn)應(yīng)用的直流支撐電容器(DC-link capacitor)，基于聚丙烯卷繞技術(shù)，最高耐受溫度只有105 ℃，為逆變器耐溫最短板。

最近，PolyCharge公司研發(fā)的固態(tài)電容器技術(shù)——NanoLamTM，如圖16所示，利用薄的聚合物電介質(zhì)生產(chǎn)自愈式高壓電容，尺寸和質(zhì)量是當前電容器的一半，且具有更高的耐溫性(140 ℃)、更高的能量密度、更穩(wěn)定的容量、更低的等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。

圖16 NanoLam高溫膜電容

3 結(jié) 語

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》于2020年10月27日發(fā)布，路線圖由中國汽車工程學(xué)會牽頭組織編寫，其中將電驅(qū)動總成提升為重點領(lǐng)域作為獨立章節(jié)研究，路線圖明確：到2025年，30 s三合一電驅(qū)系統(tǒng)比功率2.0 kW/kg，30 s電機有效比功率5 kW/kg，逆變器功率密度40 kW/L；到2030年，30 s三合一電驅(qū)系統(tǒng)比功率2.4 kW/kg，30 s電機有效比功率6 kW/kg，逆變器功率密度50 kW/L[1]。按照路線圖的嚴苛技術(shù)指標定義，這是一個令人鼓舞的行業(yè)前10%頭部企業(yè)要挑戰(zhàn)的平均目標，一系列前瞻技術(shù)有待攻克。