來(lái)源：微距電動(dòng)公眾號(hào)
摘要：
電力牽引驅(qū)動(dòng)是電動(dòng)汽車(chē)中能量的主要消耗源，因此，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須以高效率運(yùn)行以最大化一定電池容量下的車(chē)輛行駛里程。自混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)問(wèn)世以來(lái)，各種創(chuàng)新的牽引驅(qū)動(dòng)技術(shù)已被應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)以提高效率和功率密度。預(yù)計(jì)未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的牽引驅(qū)動(dòng)單元的功率密度和性能需要顯著提高，以增加車(chē)輛中的用戶空間，擴(kuò)展范圍并提高市場(chǎng)應(yīng)用率。美國(guó)能源部 (DOE) 最近公布了輕型電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)目標(biāo)。DOE的目標(biāo)是到2025年達(dá)到100kW牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的33kW/L功率密度目標(biāo)，與目前最先進(jìn)的技術(shù)相比提升了 5.5 倍。本文調(diào)查了用于輕型汽車(chē)應(yīng)用的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)前趨勢(shì)和挑戰(zhàn)，并討論了提升功率密度的創(chuàng)新技術(shù)。
電動(dòng)汽車(chē)在過(guò)去十年中經(jīng)歷了重大改進(jìn)，推出了汽油車(chē)型的混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力版本，隨后是純電動(dòng)(BEV)車(chē)型。市場(chǎng)上的一些純電動(dòng)汽車(chē)充滿電后可以行駛300多英里。合動(dòng)力車(chē)輛在低速時(shí)利用電動(dòng)機(jī)的高扭矩能力，并提供與內(nèi)燃機(jī)相比的高性能。純電動(dòng)車(chē)通過(guò)克服里程焦慮和提供高性能等技術(shù)進(jìn)步使得這兩個(gè)因素正在慢慢提高電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)接受度。能源部(DOE)車(chē)輛技術(shù)辦公室(VTO) 在美國(guó)驅(qū)動(dòng)電氣和電子技術(shù)團(tuán)隊(duì)(EETT) 路線圖中宣布了2025年電動(dòng)驅(qū)動(dòng)組件的技術(shù)目標(biāo)，以支持電動(dòng)汽車(chē)的大眾市場(chǎng)推廣。
路線圖中的技術(shù)指南設(shè)定了將功率處理能力提高近兩倍（55kW至100kW）的目標(biāo)。此外，電力電子控制器的功率密度目標(biāo)設(shè)置為增加5.6倍（18kW/L至100 kW/L），這需要功率模塊的高度集成以減少占用空間（例如減少電氣寄生和提高熱性能），牽引電機(jī)的功率密度目標(biāo)也從9kW/L提高到50kW/L。最后，與當(dāng)時(shí)道路車(chē)輛狀態(tài)相比，到2025年，100kW系統(tǒng)的系統(tǒng)功率密度目標(biāo)有望提高5.5倍（6 kW/L至33kW/L）。
本文的目的是概述汽車(chē)行業(yè)采用的電驅(qū)動(dòng)技術(shù)。已經(jīng)分析和比較了幾種商業(yè)化的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括對(duì)電力電子和電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，最先進(jìn)技術(shù)的功率模塊，電容技術(shù)等。最后，討論了幾種可實(shí)現(xiàn)DOE2025功率密度目標(biāo)的技術(shù)。
2. 汽車(chē)牽引應(yīng)用中的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
牽引應(yīng)用中的電驅(qū)動(dòng)在效率、功率密度和成本方面的要求非常苛刻。多年來(lái)，汽車(chē)制造商采用各種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度的解決方案。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 一直致力于了解這些商業(yè)化的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)。一些分析的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)規(guī)格和功率密度總結(jié)在表I中。表I中顯示的額定功率并不總是持續(xù)功率，只有Nissan Leaf具有接近額定功率的持續(xù)能力。從表中可以看出，2014款本田雅閣和2016款寶馬i3的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率密度最高，均能提供高達(dá)125kW的峰值功率。這些額定功率接近2025年路線圖中的目標(biāo)額定功率。兩輛車(chē)都使用了三相永磁同步電機(jī) (PMSM)，以實(shí)現(xiàn)高功率密度。
這些電機(jī)單元由基于三相兩電平 IGBT 的逆變器驅(qū)動(dòng)。由于其簡(jiǎn)單性和穩(wěn)健性，電動(dòng)汽車(chē)制造商廣泛采用這種兩電平逆變器拓?fù)洹＿@兩個(gè)電驅(qū)動(dòng)單元的電機(jī)和逆變器的圖片如圖1（a-b）所示。實(shí)驗(yàn)效率圖也顯示在圖 1 中，可以看出兩種牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都可以達(dá)到94%的效率。這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元使用不同的直流母線電壓，BMW i3具有355V直流母線，支撐電容為475uF。本田雅閣使用了更高的700V 電壓，因此每個(gè)開(kāi)關(guān)僅使用兩個(gè)并聯(lián)半導(dǎo)體器件，而不是BMW i3中的四個(gè)。另一方面，由于額外的升壓轉(zhuǎn)換器，本田雅閣需要更高的能量存儲(chǔ)，它使用1225uF電容來(lái)穩(wěn)定直流母線電壓。這兩款產(chǎn)品都使用薄膜電容器，因?yàn)樗哂锌煽啃浴⒏吣芰棵芏群妥杂芰Α?/span>
近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)制造商正在加大力度提高電驅(qū)動(dòng)單元的功率密度。這從 Toyota Prius 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)中很容易看出。第一代普銳斯于1997年進(jìn)入汽車(chē)市場(chǎng)。他們使用帶有單磁體排列的三相永磁電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)由輸入直流母線電壓為275V的逆變器驅(qū)動(dòng)。該電機(jī)設(shè)計(jì)為以6000rpm 的速度運(yùn)行，導(dǎo)致整體功率密度低于2017年豐田普銳斯。Prius 的設(shè)計(jì)趨勢(shì)如圖1(c)所示，其中可以注意到直流母線電壓多年來(lái)從375V增加到600V/650V，而電機(jī)速度從6000rpm上升到 17000rpm；因此，電機(jī)和逆變器的尺寸已經(jīng)減小。在第二代普銳斯中，轉(zhuǎn)子組件中的磁鐵排列也從單V形變?yōu)殡pV形。第三代轉(zhuǎn)子每極包含三個(gè)磁鐵，以增加磁阻轉(zhuǎn)矩并改善弱磁區(qū)域的高速運(yùn)行。
電機(jī)速度和直流電壓的增加導(dǎo)致2017年豐田普銳斯電驅(qū)動(dòng)單元的功率密度增加了2.2倍，但仍落后于美國(guó)能源部2025年的目標(biāo)。ORNL研究的所有驅(qū)動(dòng)單元都使用基于硅IGBT的逆變器。用于合成交流電壓的開(kāi)關(guān)頻率范圍為1kHz至15kHz，最大輸出基頻范圍為400Hz至1kHz 。大多數(shù)系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的平面封裝電力電子模塊，其中Si IGBT直接焊接在基板上，然后使用電絕緣體將功率器件與基板隔離，稱為覆銅陶瓷基板(DBC)。傳統(tǒng)的平面模塊用螺栓固定在熱交換器上，中間有一層薄薄的熱界面材料，以改善傳熱。該系統(tǒng)用于圖 2(a) 所示的 2004 年豐田普銳斯。從圖 2(a) 中還可以看出，2010款豐田普銳斯通過(guò)將功率模塊固定在熱交換器上而不是通過(guò)螺栓連接減少了層數(shù)并增加了散熱。其他制造商也采用了創(chuàng)新技術(shù)，例如雷克薩斯LS600h和2013款豐田凱美瑞，均采用雙面冷卻結(jié)構(gòu)。該技術(shù)以復(fù)雜性和整體系統(tǒng)成本 為代價(jià)改善了散熱，如圖2(b)所示。從研究中可以明顯看出，直流母線電壓、電機(jī)速度和更好的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的增加導(dǎo)致功率密度的顯著提高。
3. 緊湊型集成電驅(qū)動(dòng)技術(shù)
從文獻(xiàn)和當(dāng)前ORNL研究中可以明顯看出，現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)中使用的牽引驅(qū)動(dòng)器正在使用單獨(dú)外殼中的逆變器和電機(jī)。在這種方法中，電機(jī)和逆變器需要單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)、外殼和長(zhǎng)電纜。此外，有限的電機(jī)速度、低直流母線電壓和基于硅的半導(dǎo)體限制了高功率密度解決方案。為了實(shí)現(xiàn)DOE2025 目標(biāo)，需要提高直流母線電壓和電機(jī)速度。需要使用新的寬帶隙 (WBG) 器件、高能量密度電容器、電驅(qū)動(dòng)組件的集成以及更好的熱管理系統(tǒng)。
集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)是將電驅(qū)動(dòng)單元的所有部件物理集成在一個(gè)外殼中，從而減少體積、成本和安裝復(fù)雜性。消除單獨(dú)的外殼、母線和長(zhǎng)電纜以及共享冷卻系統(tǒng)是集成電機(jī)驅(qū)動(dòng) (IMD) 功率密度增加的驅(qū)動(dòng)力。由于消除了長(zhǎng)電纜和母線，電機(jī)端子的整體電磁干擾和電壓過(guò)沖也將減少。緊密集成的驅(qū)動(dòng)器可以將功率密度提高 10% – 20%，同時(shí)制造和安裝成本降低 30% – 40%。就功率密度和單位體積成本而言，電機(jī)和逆變器的這種緊密集成將在電動(dòng)汽車(chē)的牽引應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
在文獻(xiàn)中，已經(jīng)確定了四種主要類(lèi)型的集成技術(shù)，如圖 3 所示。最常見(jiàn)的集成技術(shù)稱為徑向外殼安裝，其中逆變器制造在單獨(dú)的外殼中，然后安裝在外殼頂部。電機(jī)外殼。由于幾何形狀、附加外殼和母線，這種類(lèi)型的集成具有最低的功率密度。徑向安裝逆變器系統(tǒng)的另一個(gè)版本利用定子外圈。
在這種類(lèi)型的集成逆變器和電機(jī)共享相同的冷卻系統(tǒng)，如圖3（b）所示。文獻(xiàn)中提到的另外兩種集成技術(shù)是軸向安裝的逆變器，其中逆變器要么直接連接到端部，要么連接在定子疊片和端蓋之間。后者受到極端環(huán)境的影響，因?yàn)槟孀兤靼惭b在主要熱源（定子繞組）旁邊。已確定的集成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)在表 II 中列出。從文獻(xiàn)中可以明顯看出，電機(jī)和逆變器的集成將減少牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組件數(shù)量，從而降低整體系統(tǒng)成本和體積。
逆變器中使用的功率半導(dǎo)體模塊負(fù)責(zé)電池和電機(jī)之間的電力傳輸。由于硅基功率半導(dǎo)體器件的最新進(jìn)展，此類(lèi)系統(tǒng)的效率已變得相當(dāng)高。對(duì)于額定輸出功率超過(guò) 1 kW 的系統(tǒng)，效率通常高于 90%。隨著基于寬帶隙 (WBG) 的功率半導(dǎo)體器件（例如 SiC MOSFET 和 GaN HEMT）的進(jìn)步，已經(jīng)報(bào)道了 98% 以上的效率數(shù)據(jù)。然而，即使具有非常高的效率數(shù)字，也會(huì)在很小的區(qū)域內(nèi)耗散大量功率。這是由于電氣負(fù)載的功率需求增加、功率模塊的功率密度增加以及隨著寬帶隙器件的引入而減小了芯片尺寸。因此，封裝材料的性能、功率模塊的集成以及熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已成為下一代電力電子系統(tǒng)的重點(diǎn)，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)等應(yīng)用領(lǐng)域。
此外，WBG 器件以更高的開(kāi)關(guān)速度運(yùn)行，并且必須最小化模塊設(shè)計(jì)引入的寄生參數(shù)（例如寄生電感和電容）的影響。這是優(yōu)化系統(tǒng)效率和最大化使用高速開(kāi)關(guān)器件的好處所必需的。圖 4 顯示了傳統(tǒng)功率模塊橫截面的圖示，其中突出顯示了該結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件。該結(jié)構(gòu)由不同的材料組成，例如用于綁定線的鋁、用于電端子的銅、基于陶瓷的直接接合銅基板等。這種基于多層、多材料的結(jié)構(gòu)具有有限的散熱能力。在功率半導(dǎo)體管芯和端子之間使用基于鍵合線的互連也增加了寄生電感。此外，圖4所示結(jié)構(gòu)中的某些層會(huì)承受高機(jī)械應(yīng)力。這是由于層之間的熱膨脹系數(shù) (CTE) 不同，從而導(dǎo)致壽命有限和熱應(yīng)力引起的早期故障。
基于 SiC MOSFET 的功率模塊由英飛凌、CREE、ROHM 和賽米控等主要器件和模塊制造商提供，采用各種電路拓?fù)洹＿@些模塊的工作溫度限制在 150-175°C，其結(jié)構(gòu)基于圖 4 中的圖示。但是，Infineon Easy 1B 和 Semikron Mini Skiip 模塊沒(méi)有基板以提高熱性能和使用針式端子和螺釘安裝選項(xiàng)輕松組裝 。所有這些封裝都是為 Si IGBT 器件設(shè)計(jì)的，用于設(shè)計(jì)成熟度高、成本低、易于設(shè)計(jì)工程師采用。然而，由于高寄生電感和高熱要求，它們不能滿足 WBG 器件對(duì)高性能功率封裝的需求。在高速開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間，高寄生電感會(huì)在功率器件上引起過(guò)大的電壓應(yīng)力和振鈴，并會(huì)導(dǎo)致高開(kāi)關(guān)損耗。模塊的高熱要求，以將器件保持在額定功率值所需的結(jié)溫。由于大的冷卻系統(tǒng)要求，這導(dǎo)致低功率密度系統(tǒng)。市售模塊的寄生電感值在 15nH – 20nH 之間變化，這不適用于 WBG 器件。
為了克服來(lái)自功率模塊制造商的商用功率模塊的挑戰(zhàn)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)提出了幾種高功率密度功率電子封裝架構(gòu)。
GE Global Research 提出了一種稱為“GE Power Overlay (POL)”的嵌入式功率模塊結(jié)構(gòu)方法。該設(shè)計(jì)基于用平面互連替換傳統(tǒng)解決方案中的引線鍵合互連 。該解決方案提供低且匹配的電寄生參數(shù)，從而導(dǎo)致低電感、低電阻和高功率效率。可應(yīng)用于大面板工藝，可用于將功率和信號(hào)管芯集成在同一封裝中以實(shí)現(xiàn)高功率密度。西門(mén)子還提出了一種名為“Siemens SiPLIT”的嵌入式功率模塊結(jié)構(gòu)。西門(mén)子模塊基于將功率管芯焊接在直接鍵合銅 (DBC) 基板上，以及作為高密度互連的薄型銅基互連 。德?tīng)柛ｉ_(kāi)發(fā)了一種用于 SiC 器件的定制雙面平面模塊，該模塊基于夾在兩個(gè) DBC 基板之間的平行 SiC MOSFET 管芯 。與之前介紹的其他解決方案不同，這種結(jié)構(gòu)允許雙面冷卻，但每個(gè)模塊僅容納一個(gè)開(kāi)關(guān)（每個(gè)開(kāi)關(guān)五個(gè)芯片并聯(lián)）。這種設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)是并聯(lián)開(kāi)關(guān)的不對(duì)稱布局，開(kāi)關(guān)單元的外部換向回路電感不對(duì)稱可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間電流均流不平衡。
橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 還開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)寬帶隙設(shè)備的雙面功率模塊架構(gòu)。所提出架構(gòu)的全平面鍵合 (PBA) 結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。該封裝的特點(diǎn)是將功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)夾在兩個(gè)直接鍵合銅 (DBC) 基板之間，并使用銅墊片來(lái)消除功率回路的引線鍵合。兩個(gè)冷板（冷卻器）直接粘合到這些基板的外側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)雙面集成冷卻。在這種新的互連配置中，主電流回路的封閉面積隨著用銅墊片替代引線鍵合而顯著減少。消除引線鍵合導(dǎo)致電寄生電感和電阻的顯著降低，從而充分利用 WBG 開(kāi)關(guān)。
與商業(yè)解決方案相比，ORNL PBA 模塊的回路電感 (1.5 nH) 少三倍，并且在 120°C 結(jié)溫下提供高 50% 的電流密度 。寬帶隙器件要求模塊封裝具有這些顯著的性能增強(qiáng)，以發(fā)揮材料特性的真正潛力。該模塊的高性能是在集成牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高功率密度的推動(dòng)因素之一。
逆變器用于電力牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為電機(jī)供電。有多種類(lèi)型的逆變器拓?fù)淇晒┻x擇；其中，電動(dòng)汽車(chē)制造商采用了兩電平電壓源逆變器（VSI），由于設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、魯棒性和易于控制。兩電平逆變器開(kāi)關(guān)必須阻斷全直流母線電壓；因此，與多電平轉(zhuǎn)換器相比，開(kāi)關(guān)損耗更高。輸出支路電壓在零和全直流電壓之間擺動(dòng)；因此 dv/dt 也更高。該逆變器可替換為多電平逆變器，以實(shí)現(xiàn)低損耗和低 dv/dt。三級(jí)中性點(diǎn)鉗位 (NPC) 可以成為降低 dv/dt 的更高頻率工作的潛在方案，如圖 6(b) 所示。
為了增加冗余，還可以使用開(kāi)式繞組配置。這種逆變器拓?fù)洳捎秒p兩電平逆變器，可以實(shí)現(xiàn)三電平輸出電壓，如圖6（a）所示。雙逆變器也可以在開(kāi)路或短路故障下以降低的功率運(yùn)行。然而，上述逆變器將使用比傳統(tǒng)兩電平逆變器更多的開(kāi)關(guān)，并且將需要更多的柵極驅(qū)動(dòng)器。控制復(fù)雜性也會(huì)增加。總的來(lái)說(shuō)，這些方法可能無(wú)助于實(shí)現(xiàn)成本和功率密度目標(biāo)。
為了達(dá)到美國(guó)能源部 2025 年 100kW/L 的目標(biāo)，采取了不同的方法。不是直接研究逆變器的損耗和體積減小，而是考慮一種減小 DCbus 電容器體積的方法來(lái)優(yōu)化逆變器體積。標(biāo)準(zhǔn)電壓源逆變器 (VSI) 在直流鏈路中會(huì)產(chǎn)生較大的紋波電流，因此需要一個(gè)較大的直流母線濾波電容器，該電容器可能占逆變器體積的 20%。在文獻(xiàn)中提出了分段逆變器，它可以顯著降低直流母線紋波電流和電容。將傳統(tǒng) VSI 的驅(qū)動(dòng)器更改為分段牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)程如圖 7 所示。功率模塊中的逆變器開(kāi)關(guān)和電機(jī)中的定子繞組分為兩組開(kāi)關(guān)（在圖中以紅色和藍(lán)色表示）圖）和繞組（a1，b1，c1）和（a2，b2，c2）。進(jìn)一步地，對(duì)于多極電機(jī)，定子繞組(a1，a2)、(b1，b2)和(c1，c2)的每一相組可以配置在相同的定子槽中，也可以錯(cuò)位在不同的區(qū)域。每組開(kāi)關(guān)（紅色或藍(lán)色）作為三相逆變橋連接到一組電機(jī)定子繞組，形成一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元。由于大多數(shù)大功率逆變器模塊中的開(kāi)關(guān)由多個(gè)并聯(lián)的開(kāi)關(guān)和二極管管芯組成，因此只需對(duì)開(kāi)關(guān)配置進(jìn)行少量修改即可形成分段逆變器。
兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元中相應(yīng)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)序由基于載波的 PWM 方法的交錯(cuò)開(kāi)關(guān)控制。除了對(duì)逆變器中開(kāi)關(guān)的 PWM 控制進(jìn)行修改外，電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)不需要任何更改。為了控制電機(jī)速度或扭矩，檢測(cè)并合并的三相電機(jī)電流中的兩個(gè)，即 ia (= ia1+ ia2)、ib (= ib1+ ib2) 和 ic (= ic1+ ic2)，以及電機(jī)速度或轉(zhuǎn)子位置反饋選定的電機(jī)控制方案，該方案通常基于場(chǎng)定向控制。因此，與標(biāo)準(zhǔn)電驅(qū)動(dòng)相比，不需要額外的電流傳感器。
圖 8 繪制了感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中標(biāo)準(zhǔn)逆變器和分段逆變器在不同負(fù)載扭矩和電機(jī)速度水平下測(cè)得的電容器紋波電流的比較。電容器紋波電流針對(duì) 37.5 Arms 的額定電機(jī)電流進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。分段逆變器在額定轉(zhuǎn)矩下顯著降低了電容器紋波電流，幅度為 55% 至 75%；50% 到 70% 在 75% 額定扭矩；和 50% 到 60% 在 50% 額定扭矩。還值得注意的是，標(biāo)準(zhǔn)VSI的最大紋波電流接近額定電機(jī)電流。
從仿真結(jié)果可以看出，分段逆變器的使用會(huì)降低電容器紋波電流，從而在不增加模塊體積的情況下減小電容器體積。該逆變器可用于驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)，并且可以實(shí)現(xiàn)比兩電平或上述多電平逆變器高得多的功率密度。
電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能，然后傳遞給車(chē)輪以驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。電動(dòng)汽車(chē)制造商使用了多種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)，每種電動(dòng)機(jī)在緊湊性、效率、速度范圍和可靠性方面都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。主要電動(dòng)汽車(chē)制造商目前使用三種主要類(lèi)型的電機(jī)：感應(yīng)電機(jī) (IM)、繞線轉(zhuǎn)子同步電機(jī) (WRSM) 和永磁電機(jī) (PMM)。
感應(yīng)電機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)古老的技術(shù)，因此非常成熟。感應(yīng)電機(jī)具有成本效益、堅(jiān)固耐用且非常易于控制。這解釋了為什么它們被廣泛用于工業(yè)應(yīng)用。然而，它們的低功率因數(shù)導(dǎo)致更高容量值的逆變器。此外，由于轉(zhuǎn)子條中的渦流損耗，與同步相比，效率較低。感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子需要冷卻，這對(duì)于高速運(yùn)行來(lái)說(shuō)可能具有挑戰(zhàn)性。IM電機(jī)的功率密度低于 WRSM 和 PMM，并且恒定功率范圍有限。由于這些原因，很少有乘用電動(dòng)汽車(chē)制造商使用感應(yīng)牽引電機(jī)。例如，奧迪為其 e-tron EV 使用三相 IM，通過(guò)變速箱與車(chē)軸耦合，特斯拉在 Model S 和 X 車(chē)輛中使用感應(yīng)電機(jī)。其定子通過(guò)水冷夾套冷卻，轉(zhuǎn)子采用內(nèi)部水冷結(jié)構(gòu)來(lái)冷卻。
雷諾正在其 Zoe EV 中使用繞線轉(zhuǎn)子同步電機(jī) 。除了非稀土之外，WRSM 還具有比 IM 更高的功率因數(shù)以及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)比 PMM 具有可調(diào)節(jié)性的優(yōu)勢(shì)。在文獻(xiàn)中，WRSM 已被證明可以達(dá)到與 PMM 一樣的功率密度。但是，由于轉(zhuǎn)子中的銅損，WRSM 的效率較低，需要轉(zhuǎn)子冷卻。此外，需要一個(gè)額外的轉(zhuǎn)換器來(lái)為轉(zhuǎn)子繞組供電，這增加了控制算法的復(fù)雜性。WRSM 的主要缺點(diǎn)是使用滑環(huán)和電刷觸點(diǎn)為轉(zhuǎn)子繞組供電。這是一個(gè)重要的可靠性問(wèn)題，特別是對(duì)于高速運(yùn)行。為了解決這些問(wèn)題，文獻(xiàn)中提出了基于非接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)。WRSM 可以很好地兼顧功率密度、效率和成本。
目前市場(chǎng)應(yīng)用中永磁電機(jī)還是最流行的選擇，可最大限度地提高緊湊性和效率。PMM 目前用于最受歡迎的乘用電動(dòng)汽車(chē)，如特斯拉 Model 3、豐田普銳斯、日產(chǎn)聆風(fēng)、寶馬-i3 和雪佛蘭 Bolt。事實(shí)上，PMM 具有最高的功率密度和最佳的效率，因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁場(chǎng)的產(chǎn)生不涉及任何損耗。電動(dòng)汽車(chē)牽引中使用的大多數(shù) PMM 是內(nèi)部永磁 (IPM) 轉(zhuǎn)子，如圖 9 所示。IPM 轉(zhuǎn)子具有磁凸極，可產(chǎn)生額外的磁阻轉(zhuǎn)矩并進(jìn)一步增加功率密度。大多數(shù)IPM牽引電機(jī)采用分布式繞組，如圖10（a）所示。使用分布式繞組的主要原因有兩個(gè)：1) 由于其磁動(dòng)勢(shì) (MMF) 的諧波含量低，有助于最大限度地減少定子鐵損和轉(zhuǎn)子損耗；2）充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩。
PMM 的主要缺點(diǎn)是永磁體中使用的重稀土 (HRE) 材料的成本。鏑 (Dy) 和鋱 (Tb) 等重稀土材料的價(jià)格出現(xiàn)波動(dòng)，并且對(duì)其供應(yīng)的可靠性表示擔(dān)憂。由于這些原因，全球正在努力開(kāi)發(fā)不含重稀土的永磁材料。在美國(guó)，能源部 2025 路線圖為非重稀土牽引電機(jī)設(shè)定了 50kW/L 的功率密度目標(biāo)和高達(dá) 20,000 rpm 的速度范圍。使用無(wú) HRE 磁體材料的 PMM 是最有前途的電動(dòng)機(jī)潛在選項(xiàng)，有可能實(shí)現(xiàn)如此激進(jìn)的目標(biāo)。但是，由于消除HRE通常會(huì)導(dǎo)致矯頑力降低，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意確保轉(zhuǎn)子抗退磁。
減少電機(jī)體積的一種方法是采用更多極數(shù)的設(shè)計(jì)。然而，這將增加基波頻率，并且需要鐵損和交流損耗降低技術(shù)以及冷卻挑戰(zhàn)。模塊化集中繞組技術(shù)如圖10（b）所示。這種繞線技術(shù)可以減少端部繞線長(zhǎng)度，從而減小電機(jī)體積。然而，由于其 MMF 的諧波含量豐富，集中繞組將產(chǎn)生更多的定子和轉(zhuǎn)子鐵損以及永磁體中更多的渦流損耗。因此，將需要主動(dòng)轉(zhuǎn)子冷卻。
最后，開(kāi)發(fā)新型低損耗疊片以及高矯頑力無(wú)HRE永磁材料將是實(shí)現(xiàn)DOE2025 功率密度和性能目標(biāo)的關(guān)鍵。
母線電容器阻礙了滿足電力牽引驅(qū)動(dòng)器中使用的 VSI 中的高功率密度需求。直流母線電容器的主要目的是將負(fù)載與電池單元去耦，因此電容器吸收大紋波電流并保留由于逆變器開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的電壓瞬變。這些電容器占用大量空間，約占逆變器的 20%，因此需要具有適當(dāng)尺寸的更好的電容器技術(shù)。市場(chǎng)上有幾種電容器技術(shù)，最常用的是電解電容器、陶瓷電容器和薄膜電容器。在這三者中，薄膜電容器技術(shù)被廣泛用作電動(dòng)汽車(chē)牽引驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的直流母線電容器。盡管這些電容器的單位體積電容比電解電容器低，但由于其可靠性、高電流能力和較低的等效串聯(lián)電阻 (ESR)，它們引起了人們的興趣。
直流總線電容器的另一個(gè)潛在選項(xiàng)是陶瓷電容器，這些類(lèi)型的電容器使用陶瓷電介質(zhì)并具有非常高的介電常數(shù)。這些電容器可以使用單層電容器來(lái)構(gòu)建小電容，也可以通過(guò)將多個(gè)電容器堆疊在一起以形成多層陶瓷電容器 (MLCC) 來(lái)構(gòu)建。陶瓷電容器每單位體積具有更高的 RMS 額定電流，可以承受更高的溫度，并且具有更高的電容密度。使用基于鐵磁材料的電介質(zhì)來(lái)形成電容器。MLCC 中最常用的電介質(zhì)稱為鈦酸鋇 (BaTio3)，這是一種 II 類(lèi)電介質(zhì)材料。II 類(lèi)介電材料的參數(shù)高度依賴于溫度。
MLCC的電容隨直流偏置電壓迅速減小。由于剛性介電材料可能會(huì)因機(jī)械和熱應(yīng)力而破裂，因此存在與陶瓷電容器相關(guān)的可靠性問(wèn)題。由于這些原因，陶瓷電容器在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中用作牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直流總線電容器并沒(méi)有得到普及。
市場(chǎng)上還有另一種陶瓷電容器，名為CeraLink電容器，這是TDK的技術(shù)。該電容器繼承了MLCC電容器的所有優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)在一個(gè)組件中使用兩個(gè)MLCC幾何形狀的串聯(lián)連接提高了可靠性，如圖 11 所示。這些電容器使用反鐵電材料作為電介質(zhì)，因此它們的電容隨直流偏置而增加。此外，介電特性不會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生太大變化。
為了實(shí)現(xiàn)高能量密度電容器，選擇了 55 個(gè)陶瓷、CeraLink 和薄膜電容器樣品，其單位體積的電容繪制在圖 12 中。
這些電容器是市場(chǎng)上可購(gòu)買(mǎi)的現(xiàn)成電容器，具有一定的電壓范圍 450 V – 1000 V 之間。
從圖 12 中可以明顯看出，CeraLink 電容器具有最高的電容密度，可用于優(yōu)化牽引驅(qū)動(dòng)逆變器的體積。
本文簡(jiǎn)要回顧了用于電動(dòng)汽車(chē)牽引應(yīng)用的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，市售電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)已經(jīng)凸顯。從審查中可以明顯看出，現(xiàn)代 EV 牽引驅(qū)動(dòng)器正在變得更加高效和高功率密度，但仍落后于 DOE 2025 的功率密度目標(biāo)。為了提高牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度，本文討論了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的幾個(gè)方面。電機(jī)和逆變器的集成以及包含 WBG 器件的更小功率模塊設(shè)計(jì)可以顯著降低整個(gè)系統(tǒng)的體積。此外，還討論了分段逆變器拓?fù)湟詼p少直流總線電容器電流應(yīng)力以及高能量密度電容器技術(shù)以減少無(wú)源元件體積。最后，討論了電機(jī)設(shè)計(jì)方面以制造更小體積的電機(jī)。
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