引言

新能源汽車動力總成

1、車用電機的種類與特點

2 車用電機：廣域高效

廣域高效電磁設計技術：

車用電機與傳統工業電機工況有較大區別必須根據實際工況對電機進行優化設計。通過對電機的極槽比（影響出力，NVH），齒槽比（影響轉矩平穩，損耗），裂比（定子內外徑之比，電/磁分配），氣隙磁場和繞組分布進行多重優化， 根據新能源汽車路譜設計在整個工作平面上廣域高效的電機。

3 直流與交流

4 異步與同步

5 拓撲結構

6 廣域高效永磁電機設計

永磁電機是電動汽車尤其是轎車的主流技術；永磁磁阻式比表貼式更適合電動汽車應用（可以利用磁阻轉矩，有較寬的調速範圍，也可以調節兩個轉矩分量的比重， 滿足特定轉矩轉速要求）。

扁線（銅條）繞組的特點是：槽滿率高；端部規整免綁紮；散熱性好；易於做到機械化；需要焊接。

需要注意的是趨膚效應引起高頻交流電阻增加。銅條尺寸設計需考慮透入深度，即：

平台化的電機產品研發導向：

1）高性能，高可靠性、低成本電動力總成系統，滿足整車動力需求。

2）廣域高效，高密度和高擴速比電機和驅動多維優化設計技術，滿足工況需求。

3）電磁熱力機理與可靠性工藝與技術，滿足可靠性，安全性，保修期。

車用電機控制器

永磁驅動電機控制策略

多模式控制算法

無位置傳感器技術

直接轉矩控制

非線性控制

驅動系統與集成

系統功能設計

系統指標設定與分解

空間布置

元器件選型

功率主回路(變流平台)

• 提供電能雙向流動與轉換

• 要求低感/低損耗

• 主要包括功率模塊/直流側支撐電容及母排/吸收電容/充電回路/傳感器

機械結構

• 為控制器組件提供機械安裝

• 為控制器提供環境保護

硬件平台

• DSP主控/反饋信息/接收命令等功能

• 可靠驅動保護功率模塊IGBT

• 提供多路隔離電源

軟件平台

• 電機控制內環策略

• 適應整車駕駛舒適性與安全性的外環控制策略

• 系統標定與調試功能

散熱結構

• 主要為功率器件IGBT、直流側支撐電容提供散熱

• 減小內部熱耦合

車用驅動電機技術發展趨勢

要求：

• 高功率密度：高速、高轉矩密度

• 寬調速範圍-調節永磁或反電勢

• 低成本-新材料與優化設計

對策：

• 高功率密度的新穎電機研究與創 新髮明，如軸向磁場，橫向磁場，雙凸極，變磁阻式，可變勵磁式等；

• 電磁，機械，傳熱等多種物理量仿真及優化技術。

新穎電機

稀土磁鋼已經占了整個車用驅動電機成本的20%-30%。材料的上漲導致了車用驅動電機的成本、價格上漲，從而導致了整車的成本上升。

低成本永磁電機研究方向：

1、低成本永磁材料及其在車用驅動電機中使用的可行性研究；

2、低成本永磁磁阻電機的拓撲結構優化；

3、性能優化設計，兼顧恒轉矩與恒功率的總體效率和性能；

4、低成本永磁磁阻電機製造工藝技術；

5、兼顧磁阻轉矩和永磁轉矩的最優效率和最大轉矩優化控制策略研究。

成本對比：在永磁材料價格較高的時候，通過優化設計，低成本永磁電機的有效材料總成本可能下降49%之多。

近年來，國外相繼推出了應用於不同車型的電驅動控制器，日本、美國和歐洲在此領域處於領先地位。日本以豐田為代表連續多年不斷推出了集成度與功率不斷提升的產品。器件與電路的封裝集成，主要以器件封裝技術為核心，做到驅動系統的小型化高密度化。

另一個發展動向是以SiC為代表的第三代寬禁帶功率器件開始應用於車用電驅動系統，其良好的高溫（結溫250℃以上）和高頻特性（開關頻率可達100kHz）有望為車用變流器帶來革命性變化。

碳化矽IPM，是替代IGBT下一代技術，更高的開關頻率(200KHZ)，更低的開關與導通損耗，驅動損耗最低（5V），更小的電容、電感與散熱器，降低無源器件成本（20%-30%）。

電驅系統集成化趨勢

分布式驅動

集成電動底盤技術，基礎就是電動輪驅動和線傳操縱(X-by-Wire)。電動輪技術的採用使底盤空間得到解放，可以用來容納電池、線束、控制設備等，而汽車的轉向、制動和動力控制各系統都通過線傳操縱做到。上部車身和底盤之間再也沒有複雜的機械傳動結構，駕駛操縱手柄與底盤的電子系統之間僅需要一個標準化的通用接口。底盤中集成了電機控制器和總成控制器。電機控制器及速度、加速度傳感器與總成控制器間通過高速數據鏈路連接起來。

集中驅動方式基本採用高速電機，通過減速器傳遞動力，然而，減速裝置上回損失一些能量，同時，動力系統布置占用空間。因此，不採用減速裝置而由電機直接驅動車輪的技術一直受到學術和產業界的關注。直接驅動往往與汽車各輪的獨立驅動結合在一起，也稱為與電動汽車分散獨立驅動，該技術在提高汽車能效、安全和車輛智能化方面具有很大的潛力。

日本四國電力公司、日本NTN公司、德國宇航中心（German Aerospace Center）、德國舍夫勒（SCHAEFFLER）集團公司、香港中文大學等研究機構分別研制了四輪獨立驅動和轉向的電動汽車，探索將機器人技術和智能控制技術、電動汽車技術結合。進一步的研究表明，新的驅動方式可以在小轉彎半徑、高空間利用率、高能量制動能量回收率等方面具有優勢。

輪轂電機方面，國外美國Protean公司，英國牛津大學，日本慶應大學等開發出的產品具有較高的水平。國內也有大學和公司研制出轉矩密度55NM/L的產品。

直接驅動與減速驅動

專家介紹

羅建，上海大學教授，博士生導師。國家「千人計劃」特聘專家，中科院「百人計劃」專家。IEEE-IAS上海分會主席，中國電工學會電動汽車專委會委員。研究方向包括廣域高效永磁同步電機，新穎電機拓撲結構，電機系統控制策略，振動與噪聲等。 畢業於清華大學電機系，後留學美國獲威斯康辛麥迪遜大學電機工程博士。在電機及驅動系統方面有二十多年的工業界研發及科研管理經驗，應用領域涵蓋航空太空，工業製造，高端醫療設備，汽車等方向。曾主持科技部863，中科院，上海市科委，經信委等重大科研和產業化項目。

來源 | NE電氣