电机节能技术让电动汽车更环保吗（电机节能技术让电动汽车更环保更安全）

《巴黎协定》签署以来，全球经济脱碳已成为共识。在全球石油消费总量中，交通运输占10%以上，其中公路运输占主要比例。因此，推动传统燃油汽车向新能源汽车转型是实现节能减排的重要途径之一。据IHS预测，要实现2050年净零排放的目标，2030年汽车电动化比例应达到60%以上。

提高电驱动能效，实现更长的电池寿命

尽管目前电动汽车的发展得到了“双碳”政策的推动，但大多数消费者仍然面临着里程焦虑。因此，电动汽车尚不能完全取代燃油车成为出行首选。

要快速实现汽车行业的电气化转型，电动汽车需要实现与燃油车相同的续驶里程，这涉及到充电、电池管理、电机驱动等多项技术的开发。从充电角度来看，充电速度有待进一步提升，超级充电站、换电站等基础设施必须跟上；从电池角度来看，电池容量和充放电效率有待进一步提高；从电机驱动的角度来看，整体驱动系统的能效还必须进一步提高。

电动汽车最重要的部件是“三大电”，即电池、电机和电驱动系统。电机是电动汽车动力系统的核心部件及其行驶过程中的执行机构。控制主电机的主驱动逆变器（Traction Inverter）被称为电动汽车的心脏。它负责将电池能量转化为控制速度和扭矩的动力。

主驱动逆变器及其控制的电动机的响应速度将直接影响驾驶体验并决定汽车的主要性能指标。不同的控制和驾驶特性调整可以给不同类型的车辆带来不同的驾驶性能。如果电机控制不够好，电力系统的效率会大大降低，甚至电机很容易因热而损坏。

扭矩与电机尺寸成正比，而功率决定电机扭矩和速度。在不影响功率水平的情况下，如果想要追求汽车整体的续航设计目标，延长续驶里程，同时减少电气尺寸和重量，就只能提高速度。这意味着牵引电机需要以更高的速度（30,000转/分钟）运行，这对牵引逆变器更快的传感和处理提出了更高的要求。

典型的主驱动逆变器解决方案包括控制模块、驱动器、功率转换器和各种传感器。控制模块负责接收驾驶员发出的加速、减速等指令，并将其转换成驾驶员可以接收的行驶信号；驱动器接收控制器的指令，并将其转换为逆变器中晶闸管的开关指令；功率变换器主要由逆变器组成。接收驱动器的信号后，控制电机的电流和电压。另外，驱动器除了驱动之外，还充当保护器件的作用，提供过压、过流、故障监测等保护功能。功率转换部分可根据不同需求选择IGBT或SiC方案。

图4：典型的主驱动逆变器解决方案由控制器、驱动电路和功率级组成（来源：ON Semiconductor）

随着近年来技术的发展，追求高能效成为电驱动设计的关键。牵引逆变器的设计趋势包括：采用更高计算能力的芯片和更先进的控制算法；使用SiC MOSFET作为功率级中的开关晶体管；采用高压800V电池，集成多个子系统，实现高功率密度。

通过精确的电流传感器，结合智能MCU和先进的控制算法，可以提高电机控制回路的精度，从而减少延迟，提高效率； SiC功率器件的开关频率比IGBT更高，因此可以将更多的电池输入转化为可用的电机输出，提高开关损耗、传导损耗和热导率。逆变器的尺寸还可以更小，实现更高的能效。

从更高的整车系统层面来看，业界也在推动动力系统的集成化，即将车载充电机、DC/DC变换器、主驱动逆变器等独立系统组合在单域控制器下，实现从整个车辆的角度来看，机械外壳中的单个紧凑统一集成提高了功率密度。

图5：使用SiC 的逆变器比IGBT 更节能（来源：电气和电子工程师协会）

选择合适的组件以实现高效的电力驱动设计

从燃油车到电动化，芯片在汽车中扮演着更加重要的角色。为了实现电机的节能设计目标，需要选择高性能器件。

电机控制器

关于电机控制的选择，我推荐Onsemi的LV8907UW BLDC电机控制器。该器件在Mouser Electronics 上的部件号是LV8907UWR2G。这是一款高性能、无传感器、三相器件，具有集成栅极驱动器和两级电荷泵。该器件可为各种超低RDS(ON)外部N-MOSFET提供所需的栅极电流，并具有过流、过压、短路、欠压和过热等保护功能。工作电压范围为5.5V至20V，并采用梯形或正弦反电动势（电动势）反馈。

图6：LV8907UWR2G 框图（来源：Mouser Electronics）

LV8907UW BLDC 电机控制器支持开环和闭环速度控制，具有用户可配置的启动、速度设置和比例/积分(PI) 控制系数，非常适合与各种电机和负载组合一起使用。 LV8907 具有高集成度（内置线性稳压器，为外部电路供电）、看门狗定时器和本地互连网络(LIN) 收发器。 LV8907 采用紧凑的48 引脚SPQFP48 封装，提供极小的解决方案尺寸。

另外，对于步进电机的应用，可以选择东芝的TB9120AFTG汽车步进电机驱动器。该器件在Mouser Electronics 上的部件号是TB9120AFTG (EL)。这是一款恒流、两相、双极步进电机驱动器，具有时钟输入接口和PWM 恒流控制系统，适用于各种使用步进电机的常见汽车应用。该产品支持从全步到1/32步可选励磁模式，实现更低的电机噪音和更平滑的控制。

栅极驱动器

在选择栅极驱动器时，我推荐安森美半导体的LV8968BBUW 栅极驱动器。该器件在Mouser Electronics 上的部件号是LV8968BBUWR2G。这是一款三相BLDC/PMSM 预驱动器，具有集成相电压感应和逻辑电平FET 兼容性。该栅极驱动器向外部电源桥提供400mA 栅极电流，并支持低电阻功率FET 和逻辑电平FET。

图7：LV8968BBUW 框图（来源：Mouser Electronics）

LV8968BBUW 栅极驱动器具有可编程线性稳压器、快速电流检测放大器和支持微控制器的窗口看门狗。该栅极驱动器具有较宽的工作范围，并且符合AEC-Q100 标准，非常适合汽车应用。 LV8968BBUW 栅极驱动器还具有适合ISO26262 应用的保护和监控功能。

为了更快地评估栅极驱动器，工程师还可以考虑直接选择相应的评估板。这里我想推荐安森美半导体的LV8968BB评估板，这是一款适用于8V至25V应用的通用三相栅极驱动器。该评估板在Mouser Electronics 上的物料编号为LV8968BBGEVB。该评估板配有各种可选外设，支持从简单的无传感器BEMF 换向到复杂的磁场定向算法的电机控制。为了促进与电机控制器的通信，评估板具有一个用于连接微控制器的接口和一个用于Arduino DUE 的插入式接口。

图8：LV8968BB 的实物图片（来源：Mouser Electronics）

除了上述驱动器件外，其他晶体管的选择也应慎重考虑。对于12V 至48V 电池系统中的各种汽车应用，可以选择东芝的汽车级N/P 沟道SSMx MOSFET。该系列实现了高水平的低导通电阻，从而进一步降低了能量损耗。 Mouser Electronics 推荐的该系列材料编号为SSM3J145TU, LXHF。

此外，通过使用高度集成的组件，还可以进一步减小系统尺寸并提高系统的整体功率密度。东芝的RN 汽车晶体管具有内置偏置电阻，针对开关、逆变器电路、接口连接和驱动器电路应用进行了优化。通过在内部集成偏置电阻，可以进一步减少外部元件。 Mouser Electronics 上该系列的推荐材料编号为RN2101MFV、L3XHF (CT.

上述所有组件均可从贸泽电子官方网站获取和购买。作为知名电子元件分销商，贸泽电子长期关注汽车电气化转型，为工程师提供广泛的汽车级芯片选择。

总结

正确的电机控制是电动汽车实现高续航和高性能驾驶体验的关键要素。为了实现更高的功率密度，业界推进了采用SiC MOSFET、800V电池系统和电源系统集成等技术路线，而这些新技术的进步也给工程师提出了新的设计挑战。

选择先进的组件、模块和解决方案是实现高效电机驱动设计的关键。 Mouser Electronics 提供各种电机驱动相关组件，以促进实现碳中和的电气化转型。

审稿编辑：郭婷