[读论文] Electric Drive Technology Trends, Challenges, and Opportunities for Future Electric Vehicles

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文章目录

• 1. 论文信息
• 2. Introduction
• • 2.1. 驱动系统的目标
  • 2.2 控制器的设计趋势
  • 2.3 电机设计趋势
• 3. 控制器
• • 3.1 功率器件
  • 3.2 器件封装
  • 3.3 直流电容
  • 3.4 分段控制器，降低电容体积
  • 3.5 控制器优化设计
  • • 3.5.1 换流回路电感最小化
    • 3.5.2 EMI
• 4 电机
• • 4.1 先进材料
  • • 4.1.1 铜绕组材料
    • 4.1.2 磁钢
    • 4.1.3 硅钢片
  • 4.2 无重稀土设计
  • • 4.2.1 Halbach结构的外转子电机
    • 4.2.2 无槽Halbach带嵌入冷却的永磁电机
    • 4.2.3 磁钢分段电机
  • 4.3 宽禁带对电机绝缘影响

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1. 论文信息

论文名	Electric Drive Technology Trends, Challenges, and Opportunities for Future Electric Vehicles
作者	IQBAL HUSAIN
单位	美国俄亥俄州阿克伦大学，电气工程和计算机工程系
期刊	Proc. IEEE
时间	2021
DOI	10.1109/JPROC.2020.3046112
内容	这是一篇邀稿综述，结合美国 DOE 2025， 介绍了电动乘用车电驱系统（电机+电控）的技术发展趋势。该论文受美国能源部和橡树岭试验室支持。

2. Introduction

汽车电气化发展，给驱动系统提出了更大功率、更高效的要求。近几年，宽禁带器件和电机材料的发展，给驱动系统性能突破带来了机遇。

2.1. 驱动系统的目标

按照美国能源部的规划，到2025年，驱动系统的功率密度要到达33kW/L，成本降到$6/kW.

2.2 控制器的设计趋势

控制器的主电路如上图所示。功率器件和直流电容，是控制器的主要器件。其中功率器件占了成本的约50%。目前，Si-IGBT在控制器中广泛应用。直流电容用于抑制PWM产生的电流和电压纹波，车上主要用薄膜电容。共模电感用于抑制由于电缆和绕组的杂散电容造成的dv/dt和EMI。

市场上常见车型的控制器参数如上表所示。除了Tesla Model3采用的SiC MOSFET外，当前大部分车型采用的是硅基IGBT。这其中，除了Tesla的Model S采用的是36颗TO-247封装的单IGBT外，其他都是用的功率模块。直流电池电压基本上都在350~400V之间。
随着SiC的应用，800V平台得以应用。更高的电压等级，意味着同样功率的电流更小，电缆更轻。SiC宽禁带器件更耐高温，便于和电机进行集成。

2.3 电机设计趋势

车用电机要求更大的启动转矩，更高的功率密度，更高的效率，同时具有较宽的恒功率转速范围（CPSR）。由于能实现高功率密度，采用汝铁硼的嵌入式永磁电机目前是行业主流。

最近几年常见车型的电机如上表所示。除了Tesla的Model S 60是异步电机以外，其他都是永磁电机。
更高的峰值转速，能提高功率密度，降低系统质量，但会增加减速齿轮的压力。同时高转速会增加电机的基波频率到1200Hz，同时硅基IGBT的开关频率最高10kHz，这会限制电机的控制带宽。如果采用宽禁带器件，就可以采用高于10kHz的开关频率，突破器件对转速的限制。

电机是由定转子组成的。常见的转子结构有三种，V型，双V型和U型，如上图所示，每种都有各自的优缺点。双V有更高的转矩密度和效率（凸极率大），但磁钢发热较高。磁钢利用最好的是V型，但其反电动势更高。U型介于前面两者之间。

定子侧，绕组的设计在分布式和集中式，捆线式和发卡式之间。
分布式绕组能提供正弦磁通，分为单层和双层。相对于集中绕组，分布式绕组能提供更大的凸极转矩和更小的谐波。但集中绕组的端部更短，槽满率更高，而且能实现模块化。
相对于传统的捆线式绕组，发卡式绕组具有更高的槽满率，功率密度，过载能力和散热能力。劣势就是在高速段，绕组的交流导电损耗更高（绕线相对较粗，肌肤效应，导致高频下电阻大），导致电机功率在高速段迅速下降。
市场上主流的每极每相槽q为2，也即三相电机，8极，48槽。
电机主流的散热方式是强制液冷，也即通过电机的外水套，将绕组和铁芯的热量通过传导的方式带走。主要的问题是绕组端部的热阻较大，散热不充分。

3. 控制器

本节主要介绍控制器重点器件的发展、特点以及设计挑战。

3.1 功率器件

如上图所示，相对于传统的硅基器件，宽禁带器件（SiC, GaN）具有更高的击穿电压和更低的导通电阻，能提高系统的功率密度。

3.2 器件封装

传统电机控制器，对冷却液的入口温度要求是不高于65℃，通常都是单独或优先供冷却液。宽禁带器件由于更耐高温，所以其冷却回路可以和电机等共用，更有利于集成。
当前主流的功率模块封装，还是利用硅基IGBT的封装外壳。这样做虽然成本更低，技术更成熟，但较高的杂散电感和热阻并不利于宽禁带器件性能发挥，所以需要设计更适用于宽禁带器件的封装模块。

上图是一种三明治平面结构的封装，功率器件在中间，上下层为基板（DBC），实现了双面水冷。传统的绑定线用铜片替代，降低了杂散电感和导通电阻。
相对于硅基IGBT，SiC MOSFET对短路保护的要求更严格，因为其短路电流更大，热容更小，短路后升温更快。需要设计一种响应速度更快、抗扰能力更强的短路退饱和电路。

3.3 直流电容

行业现在主流都是薄膜电容，但其容值低，最高工作温度低（105度），需要进行主动散热。
锆钛酸铅镧陶瓷（PLZT）电容，具有更高的电流纹波和耐高温，是个应用方向。但陶瓷电容不易于做大，所以需要上百个串并联集成。

3.4 分段控制器，降低电容体积

通过绕组并联，实现多重化，降低50%左右直流电容的纹波电流。

3.5 控制器优化设计

3.5.1 换流回路电感最小化

在器件关断时，换流回路中母排的杂散电感产生的尖峰电压，会造成器件的过压失效。随着宽禁带器件的应用，更高的开关频率和更快的开关速率，使得直流母排的杂散问题更突出。

直流母排的电气设计，追求更低的等效电阻和等效电感，这取决于铜排的厚度、宽度、长度以及正负母排之间的叠层距离，并尽量追求尽量追求对称。热设计方面，在最大电流应力下，温升不应超过80K。同时，机械设计需要考虑电流冲击应力和振动。

上图是一种将厚铜排集成到PCB上的技术，在最大化增加叠层面积的同时，能给功率器件、电容、交直流母排的集成带来更大灵活性。在PCB上，可以很方便的增加屏蔽层，就是简单的铺一层铜箔。同时，pcb上也能方便的布置性能更优的陶瓷电容，取代常规的膜电容。

3.5.2 EMI

宽禁带器件更高的开关频率和更快的开关速率，对EMI设计提出了更高的要求。在噪声源头的抑制方法中，有减小环流回路的杂散电感、优化门极驱动和应用变开关频率控制等措施。屏蔽和滤波能在传播途径上抑制噪声，但宽禁带器件的噪声频率更高，滤波器设计需要更有针对性。

4 电机

4.1 先进材料

4.1.1 铜绕组材料

碳纳米管铜绕组能增加绕组的导电能力14%~28%，但现在还无法商业化。

4.1.2 磁钢

现通用的烧结钕铁硼，其中主要的稀土原料为轻稀土氧化镨钕、重稀土氧化镝及氧化铽等。加入镝和铽的原因是为了增强高温下矫顽力和稳定性。重稀土镝和铽由于众所周知的原因，其价格极不稳定，所以主要的设计思路是在不降低性能的前提下，尽量降低或去除重稀土的使用。
降低重稀土的方法是晶界扩散技术（GBD）。将重稀土扩散至磁钢的表面晶界中，而不扩散到磁钢内部晶界。扩散工艺会造成磁钢的拐角或边缘重稀土含量更多，刚好这些地方是易失磁的部位。
目前无重稀土材料在室温下剩磁和重稀土近似，但无重稀土材料的高温性能较差，高温下易失磁。

4.1.3 硅钢片

相比于传统硅钢片，6.5%硅钢片有更低的铁损，用在高频变压器和电感中，但其易脆性限制了在高速电机中大规模应用。
GE发明了一种双相材料，可以在特定区域控制材料的磁导率。这种材料可以在转子的磁桥位置表现为非导磁性，而在其他位置表现为强导磁性。这样既能降低磁桥处的漏磁，又能保持转子结构的完整性。双相材料的缺点就是和M19无取向硅钢片相比，其饱和磁通密度较低（1.56T）。
另外一种叠层材料Hyperco 50， 饱和磁通密度2.4T，0.15mm的屈服强度435Mpa，铁损22W。虽然性能非常适合用于电机的硅钢片，但价格太贵。

4.2 无重稀土设计

4.2.1 Halbach结构的外转子电机

外转子电机转矩密度较高，而且高速下磁钢的离心力自然得到了解决。
转子中间空的部分，还可以考虑放置控制器。

4.2.2 无槽Halbach带嵌入冷却的永磁电机

4.2.3 磁钢分段电机

大概意思就是将磁钢分段，在重要位置用重稀土材料，其他位置用无稀土材料。应该是论文作者的一个专利，属于广告植入。

4.3 宽禁带对电机绝缘影响

宽禁带器件的高dv/dt对电机绕组绝缘的影响主要有两方面。
一是由于电缆和电机的阻抗不匹配，导致电机端部出现两倍额定的尖峰电压。电缆越长或电压上升越快，端部的过压越高。这个问题通常通过将电机和控制器集成，缩短中间电缆的长度来解决。特斯拉的动力系统给出了设计典范。
二是高dv/dt会在电机的绕组和线圈上产生不平衡电压，破坏电机绝缘层。解决这个问题，要么提高电机绝缘，要么串入dv/dt滤波器（后者在汽车应用里想都不要想）。

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