来源：微距电动公众号
摘要：
电力牵引驱动是电动汽车中能量的主要消耗源，因此，驱动系统必须以高效率运行以最大化一定电池容量下的车辆行驶里程。自混合动力电动汽车问世以来，各种创新的牵引驱动技术已被应用于电动汽车以提高效率和功率密度。预计未来电动汽车的牵引驱动单元的功率密度和性能需要显着提高，以增加车辆中的用户空间，扩展范围并提高市场应用率。美国能源部 (DOE) 最近公布了轻型电动汽车的技术目标。DOE的目标是到2025年达到100kW牵引驱动系统的33kW/L功率密度目标，与目前最先进的技术相比提升了 5.5 倍。本文调查了用于轻型汽车应用的电驱动系统的当前趋势和挑战，并讨论了提升功率密度的创新技术。
电动汽车在过去十年中经历了重大改进，推出了汽油车型的混合动力和插电式混合动力版本，随后是纯电动(BEV)车型。市场上的一些纯电动汽车充满电后可以行驶300多英里。合动力车辆在低速时利用电动机的高扭矩能力，并提供与内燃机相比的高性能。纯电动车通过克服里程焦虑和提供高性能等技术进步使得这两个因素正在慢慢提高电动汽车的市场接受度。能源部(DOE)车辆技术办公室(VTO) 在美国驱动电气和电子技术团队(EETT) 路线图中宣布了2025年电动驱动组件的技术目标，以支持电动汽车的大众市场推广。
路线图中的技术指南设定了将功率处理能力提高近两倍（55kW至100kW）的目标。此外，电力电子控制器的功率密度目标设置为增加5.6倍（18kW/L至100 kW/L），这需要功率模块的高度集成以减少占用空间（例如减少电气寄生和提高热性能），牵引电机的功率密度目标也从9kW/L提高到50kW/L。最后，与当时道路车辆状态相比，到2025年，100kW系统的系统功率密度目标有望提高5.5倍（6 kW/L至33kW/L）。
本文的目的是概述汽车行业采用的电驱动技术。已经分析和比较了几种商业化的电驱动系统，包括对电力电子和电机拓扑结构的详细分析，最先进技术的功率模块，电容技术等。最后，讨论了几种可实现DOE2025功率密度目标的技术。
牵引应用中的电驱动在效率、功率密度和成本方面的要求非常苛刻。多年来，汽车制造商采用各种技术来实现高效率和高功率密度的解决方案。橡树岭国家实验室 (ORNL) 一直致力于了解这些商业化的电动汽车技术。一些分析的电驱动系统规格和功率密度总结在表I中。表I中显示的额定功率并不总是持续功率，只有Nissan Leaf具有接近额定功率的持续能力。从表中可以看出，2014款本田雅阁和2016款宝马i3的驱动系统功率密度最高，均能提供高达125kW的峰值功率。这些额定功率接近2025年路线图中的目标额定功率。两辆车都使用了三相永磁同步电机 (PMSM)，以实现高功率密度。
这些电机单元由基于三相两电平 IGBT 的逆变器驱动。由于其简单性和稳健性，电动汽车制造商广泛采用这种两电平逆变器拓扑。这两个电驱动单元的电机和逆变器的图片如图1（a-b）所示。实验效率图也显示在图 1 中，可以看出两种牵引驱动系统都可以达到94%的效率。这两个驱动单元使用不同的直流母线电压，BMW i3具有355V直流母线，支撑电容为475uF。本田雅阁使用了更高的700V 电压，因此每个开关仅使用两个并联半导体器件，而不是BMW i3中的四个。另一方面，由于额外的升压转换器，本田雅阁需要更高的能量存储，它使用1225uF电容来稳定直流母线电压。这两款产品都使用薄膜电容器，因为它具有可靠性、高能量密度和自愈能力。
近年来，电动汽车制造商正在加大力度提高电驱动单元的功率密度。这从 Toyota Prius 电驱动系统的设计趋势中很容易看出。第一代普锐斯于1997年进入汽车市场。他们使用带有单磁体排列的三相永磁电机来驱动电机，电机由输入直流母线电压为275V的逆变器驱动。该电机设计为以6000rpm 的速度运行，导致整体功率密度低于2017年丰田普锐斯。Prius 的设计趋势如图1(c)所示，其中可以注意到直流母线电压多年来从375V增加到600V/650V，而电机速度从6000rpm上升到 17000rpm；因此，电机和逆变器的尺寸已经减小。在第二代普锐斯中，转子组件中的磁铁排列也从单V形变为双V形。第三代转子每极包含三个磁铁，以增加磁阻转矩并改善弱磁区域的高速运行。
电机速度和直流电压的增加导致2017年丰田普锐斯电驱动单元的功率密度增加了2.2倍，但仍落后于美国能源部2025年的目标。ORNL研究的所有驱动单元都使用基于硅IGBT的逆变器。用于合成交流电压的开关频率范围为1kHz至15kHz，最大输出基频范围为400Hz至1kHz 。大多数系统使用传统的平面封装电力电子模块，其中Si IGBT直接焊接在基板上，然后使用电绝缘体将功率器件与基板隔离，称为覆铜陶瓷基板(DBC)。传统的平面模块用螺栓固定在热交换器上，中间有一层薄薄的热界面材料，以改善传热。该系统用于图 2(a) 所示的 2004 年丰田普锐斯。从图 2(a) 中还可以看出，2010款丰田普锐斯通过将功率模块固定在热交换器上而不是通过螺栓连接减少了层数并增加了散热。其他制造商也采用了创新技术，例如雷克萨斯LS600h和2013款丰田凯美瑞，均采用双面冷却结构。该技术以复杂性和整体系统成本 为代价改善了散热，如图2(b)所示。从研究中可以明显看出，直流母线电压、电机速度和更好的冷却系统设计的增加导致功率密度的显着提高。
从文献和当前ORNL研究中可以明显看出，现有电动汽车中使用的牵引驱动器正在使用单独外壳中的逆变器和电机。在这种方法中，电机和逆变器需要单独的冷却系统、外壳和长电缆。此外，有限的电机速度、低直流母线电压和基于硅的半导体限制了高功率密度解决方案。为了实现DOE2025 目标，需要提高直流母线电压和电机速度。需要使用新的宽带隙 (WBG) 器件、高能量密度电容器、电驱动组件的集成以及更好的热管理系统。
集成电机驱动是将电驱动单元的所有部件物理集成在一个外壳中，从而减少体积、成本和安装复杂性。消除单独的外壳、母线和长电缆以及共享冷却系统是集成电机驱动 (IMD) 功率密度增加的驱动力。由于消除了长电缆和母线，电机端子的整体电磁干扰和电压过冲也将减少。紧密集成的驱动器可以将功率密度提高 10% – 20%，同时制造和安装成本降低 30% – 40%。就功率密度和单位体积成本而言，电机和逆变器的这种紧密集成将在电动汽车的牵引应用中发挥关键作用。
在文献中，已经确定了四种主要类型的集成技术，如图 3 所示。最常见的集成技术称为径向外壳安装，其中逆变器制造在单独的外壳中，然后安装在外壳顶部。电机外壳。由于几何形状、附加外壳和母线，这种类型的集成具有最低的功率密度。径向安装逆变器系统的另一个版本利用定子外圈。
在这种类型的集成逆变器和电机共享相同的冷却系统，如图3（b）所示。文献中提到的另外两种集成技术是轴向安装的逆变器，其中逆变器要么直接连接到端部，要么连接在定子叠片和端盖之间。后者受到极端环境的影响，因为逆变器安装在主要热源（定子绕组）旁边。已确定的集成技术的优点和缺点在表 II 中列出。从文献中可以明显看出，电机和逆变器的集成将减少牵引驱动系统的组件数量，从而降低整体系统成本和体积。
逆变器中使用的功率半导体模块负责电池和电机之间的电力传输。由于硅基功率半导体器件的最新进展，此类系统的效率已变得相当高。对于额定输出功率超过 1 kW 的系统，效率通常高于 90%。随着基于宽带隙 (WBG) 的功率半导体器件（例如 SiC MOSFET 和 GaN HEMT）的进步，已经报道了 98% 以上的效率数据。然而，即使具有非常高的效率数字，也会在很小的区域内耗散大量功率。这是由于电气负载的功率需求增加、功率模块的功率密度增加以及随着宽带隙器件的引入而减小了芯片尺寸。因此，封装材料的性能、功率模块的集成以及热管理系统的设计已成为下一代电力电子系统的重点，尤其是在电动汽车等应用领域。
此外，WBG 器件以更高的开关速度运行，并且必须最小化模块设计引入的寄生参数（例如寄生电感和电容）的影响。这是优化系统效率和最大化使用高速开关器件的好处所必需的。图 4 显示了传统功率模块横截面的图示，其中突出显示了该结构的各个部件。该结构由不同的材料组成，例如用于绑定线的铝、用于电端子的铜、基于陶瓷的直接接合铜基板等。这种基于多层、多材料的结构具有有限的散热能力。在功率半导体管芯和端子之间使用基于键合线的互连也增加了寄生电感。此外，图4所示结构中的某些层会承受高机械应力。这是由于层之间的热膨胀系数 (CTE) 不同，从而导致寿命有限和热应力引起的早期故障。
基于 SiC MOSFET 的功率模块由英飞凌、CREE、ROHM 和赛米控等主要器件和模块制造商提供，采用各种电路拓扑。这些模块的工作温度限制在 150-175°C，其结构基于图 4 中的图示。但是，Infineon Easy 1B 和 Semikron Mini Skiip 模块没有基板以提高热性能和使用针式端子和螺钉安装选项轻松组装 。所有这些封装都是为 Si IGBT 器件设计的，用于设计成熟度高、成本低、易于设计工程师采用。然而，由于高寄生电感和高热要求，它们不能满足 WBG 器件对高性能功率封装的需求。在高速开关转换期间，高寄生电感会在功率器件上引起过大的电压应力和振铃，并会导致高开关损耗。模块的高热要求，以将器件保持在额定功率值所需的结温。由于大的冷却系统要求，这导致低功率密度系统。市售模块的寄生电感值在 15nH – 20nH 之间变化，这不适用于 WBG 器件。
为了克服来自功率模块制造商的商用功率模块的挑战，学术界和工业界已经提出了几种高功率密度功率电子封装架构。
GE Global Research 提出了一种称为“GE Power Overlay (POL)”的嵌入式功率模块结构方法。该设计基于用平面互连替换传统解决方案中的引线键合互连 。该解决方案提供低且匹配的电寄生参数，从而导致低电感、低电阻和高功率效率。可应用于大面板工艺，可用于将功率和信号管芯集成在同一封装中以实现高功率密度。西门子还提出了一种名为“Siemens SiPLIT”的嵌入式功率模块结构。西门子模块基于将功率管芯焊接在直接键合铜 (DBC) 基板上，以及作为高密度互连的薄型铜基互连 。德尔福开发了一种用于 SiC 器件的定制双面平面模块，该模块基于夹在两个 DBC 基板之间的平行 SiC MOSFET 管芯 。与之前介绍的其他解决方案不同，这种结构允许双面冷却，但每个模块仅容纳一个开关（每个开关五个芯片并联）。这种设计的主要缺点是并联开关的不对称布局，开关单元的外部换向回路电感不对称可能导致开关转换期间电流均流不平衡。
橡树岭国家实验室 (ORNL) 还开发了一种针对宽带隙设备的双面功率模块架构。所提出架构的全平面键合 (PBA) 结构如图 5 所示。该封装的特点是将功率半导体开关夹在两个直接键合铜 (DBC) 基板之间，并使用铜垫片来消除功率回路的引线键合。两个冷板（冷却器）直接粘合到这些基板的外侧，从而实现双面集成冷却。在这种新的互连配置中，主电流回路的封闭面积随着用铜垫片替代引线键合而显着减少。消除引线键合导致电寄生电感和电阻的显着降低，从而充分利用 WBG 开关。
与商业解决方案相比，ORNL PBA 模块的回路电感 (1.5 nH) 少三倍，并且在 120°C 结温下提供高 50% 的电流密度 。宽带隙器件要求模块封装具有这些显着的性能增强，以发挥材料特性的真正潜力。该模块的高性能是在集成牵引驱动系统中实现高功率密度的推动因素之一。
逆变器用于电力牵引驱动系统，为电机供电。有多种类型的逆变器拓扑可供选择；其中，电动汽车制造商采用了两电平电压源逆变器（VSI），由于设计更简单、鲁棒性和易于控制。两电平逆变器开关必须阻断全直流母线电压；因此，与多电平转换器相比，开关损耗更高。输出支路电压在零和全直流电压之间摆动；因此 dv/dt 也更高。该逆变器可替换为多电平逆变器，以实现低损耗和低 dv/dt。三级中性点钳位 (NPC) 可以成为降低 dv/dt 的更高频率工作的潜在方案，如图 6(b) 所示。
为了增加冗余，还可以使用开式绕组配置。这种逆变器拓扑采用双两电平逆变器，可以实现三电平输出电压，如图6（a）所示。双逆变器也可以在开路或短路故障下以降低的功率运行。然而，上述逆变器将使用比传统两电平逆变器更多的开关，并且将需要更多的栅极驱动器。控制复杂性也会增加。总的来说，这些方法可能无助于实现成本和功率密度目标。
为了达到美国能源部 2025 年 100kW/L 的目标，采取了不同的方法。不是直接研究逆变器的损耗和体积减小，而是考虑一种减小 DCbus 电容器体积的方法来优化逆变器体积。标准电压源逆变器 (VSI) 在直流链路中会产生较大的纹波电流，因此需要一个较大的直流母线滤波电容器，该电容器可能占逆变器体积的 20%。在文献中提出了分段逆变器，它可以显着降低直流母线纹波电流和电容。将传统 VSI 的驱动器更改为分段牵引驱动系统的过程如图 7 所示。功率模块中的逆变器开关和电机中的定子绕组分为两组开关（在图中以红色和蓝色表示）图）和绕组（a1，b1，c1）和（a2，b2，c2）。进一步地，对于多极电机，定子绕组(a1，a2)、(b1，b2)和(c1，c2)的每一相组可以配置在相同的定子槽中，也可以错位在不同的区域。每组开关（红色或蓝色）作为三相逆变桥连接到一组电机定子绕组，形成一个独立的驱动单元。由于大多数大功率逆变器模块中的开关由多个并联的开关和二极管管芯组成，因此只需对开关配置进行少量修改即可形成分段逆变器。
两个独立驱动单元中相应开关的导通和关断时序由基于载波的 PWM 方法的交错开关控制。除了对逆变器中开关的 PWM 控制进行修改外，电机控制的实现不需要任何更改。为了控制电机速度或扭矩，检测并合并的三相电机电流中的两个，即 ia (= ia1+ ia2)、ib (= ib1+ ib2) 和 ic (= ic1+ ic2)，以及电机速度或转子位置反馈选定的电机控制方案，该方案通常基于场定向控制。因此，与标准电驱动相比，不需要额外的电流传感器。
图 8 绘制了感应电机驱动中标准逆变器和分段逆变器在不同负载扭矩和电机速度水平下测得的电容器纹波电流的比较。电容器纹波电流针对 37.5 Arms 的额定电机电流进行了标准化。分段逆变器在额定转矩下显着降低了电容器纹波电流，幅度为 55% 至 75%；50% 到 70% 在 75% 额定扭矩；和 50% 到 60% 在 50% 额定扭矩。还值得注意的是，标准VSI的最大纹波电流接近额定电机电流。
从仿真结果可以看出，分段逆变器的使用会降低电容器纹波电流，从而在不增加模块体积的情况下减小电容器体积。该逆变器可用于驱动牵引电机，并且可以实现比两电平或上述多电平逆变器高得多的功率密度。
电机将电能转换为旋转能，然后传递给车轮以驱动车辆。电动汽车制造商使用了多种类型的电动机，每种电动机在紧凑性、效率、速度范围和可靠性方面都有其优点和缺点。主要电动汽车制造商目前使用三种主要类型的电机：感应电机 (IM)、绕线转子同步电机 (WRSM) 和永磁电机 (PMM)。
感应电机技术是一项古老的技术，因此非常成熟。感应电机具有成本效益、坚固耐用且非常易于控制。这解释了为什么它们被广泛用于工业应用。然而，它们的低功率因数导致更高容量值的逆变器。此外，由于转子条中的涡流损耗，与同步相比，效率较低。感应电机的转子需要冷却，这对于高速运行来说可能具有挑战性。IM电机的功率密度低于 WRSM 和 PMM，并且恒定功率范围有限。由于这些原因，很少有乘用电动汽车制造商使用感应牵引电机。例如，奥迪为其 e-tron EV 使用三相 IM，通过变速箱与车轴耦合，特斯拉在 Model S 和 X 车辆中使用感应电机。其定子通过水冷夹套冷却，转子采用内部水冷结构来冷却。
雷诺正在其 Zoe EV 中使用绕线转子同步电机 。除了非稀土之外，WRSM 还具有比 IM 更高的功率因数以及转子磁场比 PMM 具有可调节性的优势。在文献中，WRSM 已被证明可以达到与 PMM 一样的功率密度。但是，由于转子中的铜损，WRSM 的效率较低，需要转子冷却。此外，需要一个额外的转换器来为转子绕组供电，这增加了控制算法的复杂性。WRSM 的主要缺点是使用滑环和电刷触点为转子绕组供电。这是一个重要的可靠性问题，特别是对于高速运行。为了解决这些问题，文献中提出了基于非接触式旋转变压器的转子励磁系统。WRSM 可以很好地兼顾功率密度、效率和成本。
目前市场应用中永磁电机还是最流行的选择，可最大限度地提高紧凑性和效率。PMM 目前用于最受欢迎的乘用电动汽车，如特斯拉 Model 3、丰田普锐斯、日产聆风、宝马-i3 和雪佛兰 Bolt。事实上，PMM 具有最高的功率密度和最佳的效率，因为转子磁场的产生不涉及任何损耗。电动汽车牵引中使用的大多数 PMM 是内部永磁 (IPM) 转子，如图 9 所示。IPM 转子具有磁凸极，可产生额外的磁阻转矩并进一步增加功率密度。大多数IPM牵引电机采用分布式绕组，如图10（a）所示。使用分布式绕组的主要原因有两个：1) 由于其磁动势 (MMF) 的谐波含量低，有助于最大限度地减少定子铁损和转子损耗；2）充分利用磁阻转矩。
PMM 的主要缺点是永磁体中使用的重稀土 (HRE) 材料的成本。镝 (Dy) 和铽 (Tb) 等重稀土材料的价格出现波动，并且对其供应的可靠性表示担忧。由于这些原因，全球正在努力开发不含重稀土的永磁材料。在美国，能源部 2025 路线图为非重稀土牵引电机设定了 50kW/L 的功率密度目标和高达 20,000 rpm 的速度范围。使用无 HRE 磁体材料的 PMM 是最有前途的电动机潜在选项，有可能实现如此激进的目标。但是，由于消除HRE通常会导致矫顽力降低，因此在设计时应特别注意确保转子抗退磁。
减少电机体积的一种方法是采用更多极数的设计。然而，这将增加基波频率，并且需要铁损和交流损耗降低技术以及冷却挑战。模块化集中绕组技术如图10（b）所示。这种绕线技术可以减少端部绕线长度，从而减小电机体积。然而，由于其 MMF 的谐波含量丰富，集中绕组将产生更多的定子和转子铁损以及永磁体中更多的涡流损耗。因此，将需要主动转子冷却。
最后，开发新型低损耗叠片以及高矫顽力无HRE永磁材料将是实现DOE2025 功率密度和性能目标的关键。
母线电容器阻碍了满足电力牵引驱动器中使用的 VSI 中的高功率密度需求。直流母线电容器的主要目的是将负载与电池单元去耦，因此电容器吸收大纹波电流并保留由于逆变器开关动作引起的电压瞬变。这些电容器占用大量空间，约占逆变器的 20%，因此需要具有适当尺寸的更好的电容器技术。市场上有几种电容器技术，最常用的是电解电容器、陶瓷电容器和薄膜电容器。在这三者中，薄膜电容器技术被广泛用作电动汽车牵引驱动应用的直流母线电容器。尽管这些电容器的单位体积电容比电解电容器低，但由于其可靠性、高电流能力和较低的等效串联电阻 (ESR)，它们引起了人们的兴趣。
直流总线电容器的另一个潜在选项是陶瓷电容器，这些类型的电容器使用陶瓷电介质并具有非常高的介电常数。这些电容器可以使用单层电容器来构建小电容，也可以通过将多个电容器堆叠在一起以形成多层陶瓷电容器 (MLCC) 来构建。陶瓷电容器每单位体积具有更高的 RMS 额定电流，可以承受更高的温度，并且具有更高的电容密度。使用基于铁磁材料的电介质来形成电容器。MLCC 中最常用的电介质称为钛酸钡 (BaTio3)，这是一种 II 类电介质材料。II 类介电材料的参数高度依赖于温度。
MLCC的电容随直流偏置电压迅速减小。由于刚性介电材料可能会因机械和热应力而破裂，因此存在与陶瓷电容器相关的可靠性问题。由于这些原因，陶瓷电容器在电动汽车应用中用作牵引电机驱动的直流总线电容器并没有得到普及。
市场上还有另一种陶瓷电容器，名为CeraLink电容器，这是TDK的技术。该电容器继承了MLCC电容器的所有优点，并通过在一个组件中使用两个MLCC几何形状的串联连接提高了可靠性，如图 11 所示。这些电容器使用反铁电材料作为电介质，因此它们的电容随直流偏置而增加。此外，介电特性不会随着温度的变化而发生太大变化。
为了实现高能量密度电容器，选择了 55 个陶瓷、CeraLink 和薄膜电容器样品，其单位体积的电容绘制在图 12 中。
这些电容器是市场上可购买的现成电容器，具有一定的电压范围 450 V – 1000 V 之间。
从图 12 中可以明显看出，CeraLink 电容器具有最高的电容密度，可用于优化牵引驱动逆变器的体积。
本文简要回顾了用于电动汽车牵引应用的电驱动系统，市售电驱动系统的设计趋势已经凸显。从审查中可以明显看出，现代 EV 牵引驱动器正在变得更加高效和高功率密度，但仍落后于 DOE 2025 的功率密度目标。为了提高牵引驱动系统的功率密度，本文讨论了电驱动系统的几个方面。电机和逆变器的集成以及包含 WBG 器件的更小功率模块设计可以显着降低整个系统的体积。此外，还讨论了分段逆变器拓扑以减少直流总线电容器电流应力以及高能量密度电容器技术以减少无源元件体积。最后，讨论了电机设计方面以制造更小体积的电机。
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