高功率密度电机驱动发展方向（高功率密度电机技术现状）

开发超高功率密度电机驱动系统的驱动力是：在相同体积或质量下，输出功率更大，超车加速能力和高速持续行驶能力更强，卓越的动力性能和驾驶体验获得；在相同输出功率下，小型轻量化设计在给定空间内实现高性能，布局灵活，车辆承载能力更好。有利于平台模块化和四轮驱动布局。适合原生电动底盘架构设计，用料较少，成本较低。

1 理论分析

业界对功率密度的定义尚未统一。我们明确了不同指标定义的计算方法，并分析了指标内涵，如表1所示。

表1 电机驱动系统功率密度指标定义及内涵

一般用质量功率密度指标评价电驱动系统，用有效比功率指标评价电机本体，用体积功率密度指标评价逆变器；一般乘用车动力系统采用功率密度指标评价，商用车动力系统采用扭矩密度评价。指标评价。

功率密度指标的评价需要在一定的前提下进行，这与指标定义、评价对象、工作电压、工作温度及其冷却条件、持续时间、恒功率调速范围等因素密切相关。不同条件下功率密度的量化指标差异巨大。由于没有统一的标准，目前各企业在推广产品时往往会夸大指标，以提高市场竞争力。针对这种情况，在国家《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的编制过程中，提出了电机有效比功率指标的标准化定义：

电机有效质量：定子和转子组件的质量，包括绝缘和固化材料，不包括轴、外壳等；

峰值功率对应的持续时间：30秒；

峰值功率定义：在基速~0.75倍最大运行速度范围内，30秒内可输出的最大功率；

电流等级：换算为450A；

电压等级：换算为母线电压400V；

测试环境：85环境箱，65冷却液入口温度[1]。

2 技术路径

基于上述理论分析，重点围绕提高系统集成度和精益匹配设计、提高转速和电压、新型电机和电磁性能优化设计、新型电力电子与控制技术、材料与工艺创新与升级等方面，通过增加峰值输出功率和降低体积和质量、改进热设计和热管理三种技术路径可以提高电机驱动系统的功率密度。梳理技术框架如图1所示。

图1 高功率密度电驱动技术货架

2.1 增加输出功率

2.1.1 电磁性能精益设计

与其他类型电机相比，永磁同步电机在功率密度和效率方面具有优势，适合电动汽车的牵引驱动。假设主磁通量相同，则永磁体扭矩相同。内置结构的永磁同步电机可以利用新增的磁阻扭矩进一步提高总扭矩输出能力。表贴式永磁同步电机的转矩仅由永磁转矩组成，见式（1）。内置结构永磁同步电机的转矩由永磁转矩和磁阻转矩组成，见公式（2）[2]。根据车辆的实际工况，精心设计电磁结构，合理分配电磁负载，调整电机极对数、永磁磁链、直轴电感、交轴电感和相电阻参数。

(1)

(2)

式中：Te为电磁转矩； p是极对数； f为永磁体产生的磁力； is 是定子电流； 为空间电角； Ld为d轴电感； Lq 是q 轴电感。

三菱电机综合采用“不对称转子+集中绕组+独特磁隙”的电磁结构设计，实现了电机输出功率密度23kW/L，特别是在一个方向旋转时功率密度最大化，如图2所示显示。

图2 三菱高功率密度电机不对称转子电磁结构

2.1.2 电机高速设计

根据电机设计公式（3），在相同功率的前提下，转速越高，扭矩越小，电机尺寸D2L越小，材料消耗越低，成本越低，比值越高可以实现功率。

(3)

式中：CA为电机常数； D为定子内径； n为转速； 为极弧系数； l为纤芯的有效长度； kB为波形系数； kW为绕组系数； B为气隙磁密度（磁载荷）； A是线路负载（电力负载），

是每相的匝数； m是相数； I 是当前值。

高速电机的关键技术是：为了稳定控制，需要更高的控制频率和计算能力，这就需要主控芯片更快的硬件执行速度和优化的软件功能设计；高速导致电机反电动势增大，需要提高器件电阻。电压，同时设计系统保护功能，如主动短路等，提高系统安全性；随着高速电机工作频率的提高，需要采用超薄硅钢片和磁钢分段设计来抑制铁损；高速电机需要采用高强度转子电磁结构、高速轴承、高强度硅钢等设计来实现这一点，如图3所示。

图3 SKF新推出的高速球轴承HSBB 1.8[4]

2.1.3 新型多相电机设计

多相电机是指供电相数超过3相的电机。在相同母线供电电压下，提高电流输出能力，从而提高功率输出能力。特别适合电源电压有限、功率需求比较大的应用场景。通过增加相数，减少了电机输入扭矩脉动，改善了NVH特性。同时，可以避免两电平逆变器存在的动、静均压等问题，提高电驱动系统的可靠性[4]。与传统三相电机相比，多相电机的优点是转矩脉动小、转矩密度高、低电压大功率、容错性和可靠性高[4-6]。图4为某多相电机与传统三相电机定子结构对比。

图4 明装12槽10极永磁电机实际槽内绕组分布

2.1.4新型轴向磁通电机的设计

轴向磁通电机也称为盘式电机。气隙平坦，励磁磁场方向平行于电机轴线。与普通径向电机相比，轴向磁通电机转子直径较大。从扭矩公式可以看出，在相同的力下，增大转子直径可以获得更大的扭矩，这也意味着当永磁材料和铜线材料相同时，轴向磁通电机具有更强的扭矩输出能力[ 7]。一般来说，新型轴向电机结构较传统径向电机结构可带来30%左右的扭矩容量提升[7]。轴向磁通电机由于其结构特点，具有轴向结构紧凑、外形扁平、体积小、功率密度高的特点。近年来，经过行业不断改进和完善，已逐渐适合新能源电动汽车[7-8]。图5为传统径向磁通电机与新型轴向磁通电机的结构和磁路对比。

图5 传统径向磁通电机与新型轴向磁通电机对比

2.1.5 电压矢量过调制控制

与基于电流矢量的转矩控制方法相比，电压矢量控制不需要为电压闭环调节器预留余量，具有天然的弱磁能力。相同的母线电压可以实现更深的弱磁深度，充分发挥电机的最大输出。能力。各种电压矢量控制方案的比较如表2所示。

表2 电压矢量控制方案特点介绍[10]

通过过调制PWM策略将SVPWM的工作范围扩展到六边形区域，如图6所示。结合电压矢量控制方法，将直流母线电压的利用率从1提高到1.15，保持了母线电压不变，电机系统的输出扭矩和功率可大幅提高[9-11]。

图6 PWM过调制策略

2.1.6 新一代功率模块开发

1）新型功率器件的开发

与传统硅基IGBT技术相比，最新一代汽车级硅基反向导通IGBT技术具有小型化、低成本、高功率密度、高可靠性等特点。采用提高模块工作结温、适度升压、芯片集成温度和电流传感器、反向导通芯片等技术来提高期间功率密度，减小模块体积和成本[9,11]。图7是富士M653反向导通IGBT技术的原理图。

图7 富士最新一代硅基反向导通IGBT技术

下一代SiC基MOSFET芯片具有以下技术优势：高带隙（SiC=3Si），高压高温下稳定工作，~600C；高电场强度（SiC=10Si）、低导通电阻、高耐压、高效率；高电子饱和率（SiC=2Si）、开关速度快，频率10Si；导热系数高（SiC=3Si），散热性能好，耐高温；熔点（SiC=2Si），耐高温运行；单极器件，无尾电流，关断损耗低。目前尚未广泛推广的原因是：生产技术不成熟，周期长，良品率低，成本高；控制频率高，误导通过率高，电磁干扰、绝缘等技术难题较多。功率器件特性比较如图8所示。

图8 功率器件特性比较

2）新型大功率模块封装技术

未来功率模块的发展趋势是寻求更高的芯片结温、更高的散热效率和可靠性、更低的寄生电感，并向小型化和集成化模块结构发展。目前新型高功率模块封装技术的研究重点主要集中在互连、安装、散热和模块结构等方面，如表3所示。

表3 混合动力/电动汽车功率模块封装技术发展趋势[12]

2.1.7 功率模块并联驱动技术

提高电源模块功率输出水平的三种方法：直接选用功率等级较高的器件； 采用低功率等级器件串联，提高电压等级； 通过并联低功率器件来提高电流水平。电动汽车应用中的电压平台一般不高，因此常常采用功率模块并联的方法来提高电流输出能力，从而提高功率输出能力[13]。功率模块的并联驱动一般受到并联IGBT参数差异、驱动电路一致性、主电路布局和散热不平衡等因素的影响[14]。功率模块的并联驱动一般需要选择具有正温度关系特性的IGBT模块。温度越高，VCE 越高。当前的不均匀度将自动调整。当温度升高时，电流Ic会减小，适合并联。业界著名的功率器件并联驱动量产案例是特斯拉Model 3，它采用了ST定制的SiC分立器件四并联结构，通过铜基板实现散热和壳装水冷，如图9所示[13-18]。

图9 Tesla功率器件并联方案[13-18]

2.1.8 升压及稳压技术

在动力电池与逆变电路之间增加三相全桥逆变级联升压器。升压逆变器可以根据负载实时调节直流端工作电压，提高电驱动系统的输出功率，并降低电流和损耗，实现轻量化和低成本。升压稳压技术可以让效率和功率的追求达到平衡[19-21]。需要注意的是，直接采用高压电池供电，结合高压电机设计，也能显着提升动力输出能力。电驱动系统电压发展趋势如图10所示。

图10 电驱动系统电压发展趋势

2.1.9 采用高性能电气材料

为了满足新能源汽车高扭矩密度和高功率密度的要求，电机设计时应选择具有较大矫顽力、剩磁通密度和最大磁能积的永磁材料。同时，还应考虑高功率密度的温升。问题，充分考虑其耐温性[22]。

硅钢应采用导磁率高、损耗低的薄板材料。电机功率密度高、转速高、供电频率高，铁损是主要损耗来源。

导体应采用耐热等级较高（240以上）的漆包线或损耗较低的导体。目前漆包线最高耐温为220，比较稀缺，但日立可以做到240。图11 显示了日立电线材料的选择。

图11 耐高温导线选择

图12是特斯拉铸铜感应电机转子。考虑到电动汽车驱动电机采用变频器供电，采用铜导体，既能满足电机启动性能的要求，又能保证电机的高效率[二十二]。

图12 特斯拉铸铜转子

2.2 减少体积和质量

2.2.1 一体化设计

1）结构整合

根据配置不同，车用电机有多种布局和耦合方式：可与发动机、离合器、变速器、传动轴、驱动桥、轮毂等系统级集成；市场上的EV电驱动总成根据电机轴与减速机输出轴的布局不同，可分为平行轴式和同轴一体式结构。根据逆变器的布置位置，可分为轴向逆变器和径向逆变器一体化结构；元件层面最新的集成趋势包括金属嵌件集成、嵌入式元件PCBA技术、栅极驱动芯片集成、传感器定制开发等。表4显示了常用的电驱动系统集成设计方案。

表4 常用电驱动集成设计方案

2）功能整合

共享控制芯片（域控制器）、共享功率器件拓扑（充电器、DC/DC、逆变器集成）等。图13（a）为比亚迪的电机绕组与功率器件复用充电技术，图13（b）为华为的功率设备复用充电技术。

图13 电机绕组及功率器件复用充电技术[23-24]

2.2.2 采用扁线成型绕线技术

扁线绕制工艺的优点在于以下几个方面。

小型化：槽填充率高、端部短、功率密度高；

高性能：导热好、温升低、持续功率高；

工艺性好：适合大批量自动化生产；

NVH性能好，结构刚性好；

优化效率区布局，适应城市工况。

扁线绕制工艺的缺点在于以下几个方面。

集肤效应导致高速时损耗增加。频率越高，损耗越大；

铜线原材料质量要求高，易损坏；

工艺复杂，精度要求高，规模化生产依赖专业高端设备；

系列化设计难以实现，设计灵活性不足。

2.2.3 采用先进的结构件加工工艺

1）空心轴旋锻工艺

随着轻量化要求进一步提高，将逐渐采用整体锻造空心轴。其主要技术优势是：大幅减轻重量；降低加工成本；理想的纤维流线和材料性能；低转动惯量。

2）型壳半固态铸造工艺

电驱动系统对铝合金外壳件的要求是重量轻、机械性能优良、密封性好、散热好、成本低。随着零件形状越来越复杂、壁厚越来越薄（轻量化），传统压铸越来越难以满足产品应用的需求。半固态注射成型技术综合了凝固加工和塑料加工的优点，具有高精度、节能、环保、安全性高等特点。成型时，将细小的合金颗粒装入料斗中，并使用机器的加料桶将材料加热成半固态。熔融状态，注射成型[25-26]。半固态流变成型铝合金铸件的技术特点是成型件密度高、壁厚厚或薄（可小于1毫米）、尺寸精度高、机械性能好、导热性能好、气孔收缩少（零件孔隙率小于0.069%），表面质量高，模具寿命长，如图14所示。

图14 Shell工艺对比

3）壳体一体铸造工艺和转子铁芯轻量化设计

电机外壳采用一体式铸造水套，不仅降低了成本，而且提高了外壳的刚性和模态，如图15所示。

图15 电机先进的结构工艺设计

2.3 改进热设计和热管理

2.3.1 高效油冷

加强冷却可以降低温升，降低铜线电阻，减少铜损，减少永磁体磁性能的温度损失，增加功率输出，从而提高效率；加强冷却后，可以使用更高的电磁负载，从而提高功率密度。考虑了电机的效率和功率密度[27-28]。

2.3.2 高导热材料

为了提高电机的功率密度，需要降低电机封装的热阻，减少电机的空间和成本，在保持良好的可靠性和稳定性的同时实现电机的高转速。这就需要提高电机封装材料（导热环氧树脂、填料、绕组绝缘材料等）的导热性能，降低接触热阻。

热界面材料(TIM) 基于聚合物系统，并采用先进的填充技术制造。它们可以处理关键的散热问题并具有长期可靠的性能。它们应用于热源与散热器表面（冷板、翅片散热器等）之间，消除热阻值高的空气，使传热表面紧密接触，提高传热均匀性和导热性率，并有助于实现轻量化。

2.3.3 高耐热材料

高耐热材料可以提高组件的环境耐受性，有助于利用下一代宽带隙半导体的高温工作优势。例如，目前量产中广泛使用的DC-link电容器，基于聚丙烯缠绕技术，最高耐受温度仅为105，是逆变器中最短的耐温板。

最近，PolyCharge开发的固态电容器技术——NanoLamTM，如图16所示，使用薄聚合物电介质生产自愈式高压电容器，其尺寸和质量是当前电容器的一半，并且具有更高的耐温性（140） ），能量密度更高，容量更稳定，等效串联电阻和等效串联电感更低。

图16 NanoLam高温薄膜电容器

3 结论

《节能与新能源汽车技术路线图2.0》于2020年10月27日发布。该路线图由中国汽车工程学会组织编制。其中，电驱动总成被提升为重点领域并作为独立章节进行研究。路线图明确：到2025年，30S三合一电驱动系统比功率为2.0kW/kg，30S电机有效比功率为5kW/kg，逆变器功率密度为40kW/L；到2030年，30年代三合一电驱动系统的比功率将达到2.0千瓦/公斤。驱动系统比功率为2.4 kW/kg，电机30 s有效比功率为6 kW/kg，逆变器功率密度为50 kW/L[1]。根据路线图严格技术指标的定义，这是一个令人鼓舞的行业前10%的顶尖公司挑战的平均目标，需要攻克一系列前瞻性技术。

审稿人：李茜