摘 要：本文介绍了国内外车用驱动电机技术的发展情况，分析了国内外车用电机控制器和乘用车纯电驱动总成技术进展，对未来新能源汽车驱动电机系统技术发展趋势进行了展望。

关键词：新能源汽车;电机驱动系统;技术分析

经过十年的快速发展，我国新能源汽车2019年首次出现年度负增长。但全球新能源汽车比重大的经济体，包括美国、中国、欧洲，都对于这个产业未来的发展充满信心。高速、高密度、高效、低振动噪音、低成本是新能源驱动电机的重点发展方向。

1 国内外车用驱动电机技术发展情况

1.1 高密度绕组技术

通过采用高密度绕组或者Hairpin绕组结构，可以大幅度降低绕组发热，提高绕组材料的利用率15-20%以上。通用第四代Volt电机采用Hairpin绕组结构，电装为丰田开发了扁导线电机，大众MEB平台明确提出了扁导线绕组结构;采用Hairpin绕组的高速驱动电机，功率密度达到4.0-4.5kW/L以上。

1.2 高效热管理技术

通过采用高密度绕组端部冷却技术、油冷技术、油冷和水冷复合冷却技术，提升驱动电机的换热效率。如特斯拉Model 3采用驱动电机与减速器的集中油冷、电机控制器采用水冷手段;通用Volt、丰田THS IV、上汽EDU二代等均采用扁导线定子，驱动电机定转子集成在变速器内部，与变速器实现集中油冷。

1.3 电机高速化技术

在电驱动总成输出转矩和功率不变约束下，通过提高驱动电机和减速器最高转速，降低电机体积和重量，提高功率密度水平。大众、沃尔沃、克莱斯勒等国外汽车企业通过不断提升电机转速来降低电机体积和重量，大众汽车模块化电驱动平台（MEB平台）电机最高达到16000rpm，沃尔沃与克莱斯勒电机最高转速需求达到14000rpm，特斯拉Model 3驱动电机最高转速达到17900rpm。我国驱动电机功率密度、效率等整体技术提升很快，技术水平与国外同类产品相当，驱动电机重量比功率已达到4.0kW/kg以上，典型国内外电机产品指标对比如表1。

2 国内外车用电机控制器技术进展

2.1 电机控制器本体及电力电子集成封装技术进步

高效、高密度、高EMC性能是新能源汽车电机控制器的重要技术发展方向。通过采用电力电子集成技术，有效减小控制器的重量和体积，提高功率密度，降低制造成本。电力电子封装技术打破了模块封装与控制器集成装配之间界限，采用IGBT定制封装模块有效地提升了电机驱动控制器集成度与功率密度水平。

IGBT芯片双面焊接和系统级封装是当前国外电机控制器主流封装形式。基于功率器件双面焊接与双面冷却技术，近年来国外相继推出了应用于不同车型的电机控制器或集成控制器。丰田连续多年先后推出了集成度与功率不断提升的产品，集成控制器产品功率密度从2007年的11.7kW/L提升至2018年的25kW/L;博世、大陆采用单面冷却结构，也推出了量产的集成DC/DC变换器的电力电子集成控制器产品，功率密度均达到16-25kW/L以上。

在双电机插电式混动和高功率乘用车应用领域，为持续提升车辆电能转化效率和缩短快充时间，动力电池直流电压呈现提升的趋势，从250—450V提升至500—700V。为最大限度提升包括电机控制器在内的电动汽车电力电子装置功率密度，丰田采用了集成Boost电路与双逆变器结构，通过升高直流电压提升了逆变器部分的输出功率与效率。

2017年上海电驱动、上海大郡、中车时代等推出自主开发出的车用IGBT芯片、双面冷却IGBT模块和高功率密度电机控制器。其中，上海電驱动联合上海道之，采用自主IGBT芯片、芯片双面焊接工艺和电力电子功率组件的直焊互连工艺研制出高密度电机控制器，峰值功率密度达到23.1kW/L;上海大郡联合上海道之采用双面水冷结构，输入功率为260kW的电机控制器的功率密度达到23.5kW/L;中车时代电气采用自主IGBT芯片、双面焊接与双面冷却技术、自主IGBT驱动芯片和电力电子集成技术，开发出600A/750V双面散热IGBT模块及组件产品，基于双核MCU（微处理器）芯片开发出功率密度达到20kW/L的电机控制器。我国典型高密度电机控制器样机与国外先进水平对比如表2。

碳化硅器件因具有高温、高效和高频特性，率先在车用电机控制器实现应用，进一步提升了电机控制器功率密度和效率。日本丰田、日立、电产推出全SiC PCU，其中日本丰田带载SiC PCU的样车在工况下较带载IGBT PCU损耗降低30%。法国Yole公司预测2018年后碳化硅器件将开始应用于电动汽车大功率电机驱动和大功率充电领域，特斯拉（Tesla）在2018年推出的Model 3即量产采用SiC器件。SiC电机控制器由24个SiC功率模块组成，安装在针翅式散热器上，采用激光焊接的工艺将SiC MOSFET与铜母线相连，大大提升了连接的可靠性。

我国中车、电工所推出了1200V/400A Pinfin封装结构SiC模块，在封装结构和焊接材料封面取得进展。中科院电工所、比亚迪、精进电动等研制了SiC电机控制器样机。电工所团队提出了“以系统集成指导元器件封装”的设计理念，开发了用于85kW全SiC车用驱动控制器的关键器件/组件，如全SiC功率模块、复合功能薄膜电容器、耐高温聚酰亚胺基薄膜材料、超紧凑SiC控制器用主控板等。该控制器在常温入水口水温、580Vdc母线条件下实现输出功率85kW，最高效率98.6%，功率密度37.1kW/L。同时，基于群体优化算法的滤波器设计方法，设计了适配85kW全SiC车用驱动控制器的EMC滤波器，在控制器峰值功率工作状态下，高压输入端口传导干扰电压满足CISPR 25等级三的限值要求。

2.2 IGBT器件及封装技术进步

目前，国外各大知名IGBT器件供应商，如英飞凌（Infineon）、富士（Fuji）、三菱（Mitsubishi）、瑞萨（Renesas）相继推出了车用IGBT芯片，精细沟槽栅技术成为主流技术。通过适当调整沟槽宽度与间距提高发射区近表面层的载流子浓度，即可增强电子注入能力，降低导通损耗，优化关断损耗和导通损耗间折中关系。随着沟槽技术的日臻成熟，沟槽精细化对于电动汽车用中低压IGBT芯片整体性能的提升起到了关键性的作用。

在IGBT芯片集成方面，典型包括逆导型IGBT和集成型IGBT芯片。逆导型IGBT是在同一芯片上集成了IGBT和续流二极管。较之安装尺寸相同的IGBT模块，采用逆导型IGBT芯片的模块电流密度提高了33%。以富士为代表，采用RC-IGBT技术（逆导型IGBT）推出了集成芯片电流和结温检测的IGBT芯片和集成高效冷却结构的封装模块，大幅度提升芯片电流能力;英飞凌采用银浆烧结和高效导热基板技术，提升芯片电流能力达到30%以上。

表3为车用模块用功率芯片互联技术情况。铝绑定线技术仍是车用IGBT模块内使用范围最广的功率互联技术。为了提高模块的功率循环寿命，缓和异质材料间热膨胀系数不匹配的问题，推出了具有热特性更好的铜绑定线技术与连接面积更广的带式绑定线技术。三菱公司使用铜直接端子绑定技术（DLB：Direct Lead Bonding）代替传统的铝绑定线技术，综合了铜绑定线技术与带式绑定技术的优点，利用铜材料的优异热特性，增大硅片接触面积，使得功率接触部的热电应力分布均匀，降低硅片峰值温度。

我国如斯达、比亚迪、中车株洲所等国内器件已经开始在新能源汽车领域开始大批量替代进口，实现规模化应用，具有一定的产业基础。IGBT封装技术方向是更高功率密度和更高效率，双面焊接与单面/双面冷却是主流封装工艺技术;我国如嘉兴斯达、中车时代电动、深圳比亚迪等在IGBT功率模块封装、控制器系统级工程化集成能力提升很快，部分自主IGBT模块已经实现量产。我国IGBT车用标准模块封装如HP1、HP2、HPDrive等国内已攻克相关封装设计及工艺技术，在封装性能及可靠性方面接近国际先进水平。

3 乘用车纯电驱动总成技术进展

驱动电机、电机控制器与减速器深度集成的电驱动一体化总成是乘用车领域现阶段发展的主要技术目标，国外以大陆、麦格纳、吉凯恩、博世、采埃孚、日本电产等为代表的电驱动系统集成商推出了电驱动一体化总成产品，成为乘用车驱动系统主要应用类型。

3.1 美国代表车型Model 3电驱动总成

Model 3三合一集成电驱动系统采用平行轴T型结构。电机类型选用永磁同步电机，相比Model S 采用的异步电机，效率大幅提升，与Model S相比，电池到车轮的驱动系统效率提高了6%。冷却设计上，电机和减速器采用油冷，逆变器采用水冷，提升电机性能，兼顾电池加热，提升了车辆适应冬季的性能。电机与减速器共用壳体深度集成，最高转速可达到17900r/min。采用分立式SiC功率模块，额定电压370V，最大输出电流达到400Arms，器件低损耗，续航能力获得提升。采用SiC器件使得电驱材料成本上升，但整车效率和技术先进性提高，整车成本方面获得均衡。Model3三合一电驱动总成重量90kg，峰值功率165kW，三合一总成功率密度达到1.83kW/kg。

3.2 欧洲代表车型第四代和第五代电驱动系统

2014年，欧洲代表车型第四代电驱动总成搭载i3量产上市，电机、减速器、功率电子装置轻度物理集成;逆变器、DC/DC、充电机之间深度集成为功率电子装置。第四代电驱动总成驱动电机输出功率达到125kW，电机功率密度达到3.81kW/kg，电驱动总成重量80.5kg。与第四代总成相比较，第五代电驱动总成从轻量化、功率密度提升、成本降低、量产工艺和宽禁带半导体应用等五个方面做了提升。采用模块化架构设计，可适配不同车型的安装空间和功率要求;电机与减速器共用壳体，采用油冷电机设计;采用更紧凑设计、线圈制作更容易（插针绕组）;采用轻质铝合金制外壳电机，电机可扩充多种性能应用，降低了稀土材料应用比例，预计2020年量产。

3.3 日本代表车型E-Axle“三合一”驱动系统

2017年9月日本电产宣布其研发的“三合一”驱动系统E-Axle量产上市，该电驱动系统采用平行轴品型机构，减速器速比11.2，最高输出转速达到1450rpm，最大轴端输出转矩3900Nm。电机输出功率达到150kW，三合一总重量达到83kg，总成功率密度达到1.81kW/kg。同时，采用电机及减速器共油冷设计，通过Splash Cooling和Flow Cooling 二种油冷方式提升功率密度。采用圆导线精密排线高槽满率绕组工艺，缩短了线圈端部，高速涡流损耗低。

3.4 国内代表车企三合一平台

国内代表车企比亚迪推出了e平台电驱动系统采用电机、控制器、变速器高度集成，拥有A+、A、B、C共4个平台化系列产品，使得不同功率的产品可快速开发并适配于不同车型，满足了A00、A0、A、B级等轿车对动力性加速和爬坡的需求。2019年，精进电动发布了适用于新能源乘用车“3000系列深度集成三合一纯电驱动系统”，整个系统的总重约95kg，电机转速16000rpm，最高功率160kW。上海电驱动从2015年开始布局集驱动电机、电机控制器和高速减速器的“三合一”电驱动总成研发，2018年6月实现量产。该总成通过模块化设计形成峰值功率涵盖95—145kW、电机最大输出转矩300Nm、转速最高12800rpm。

4 新能源汽车驱动电机系统技术发展趋势分析

4.1 我国驱动电机功率密度、转速、效率等关键技术指标与国外相当

驱动电机发展以不断提高材料利用率、提升电机品质和降低成本为主要方向。面向新能源汽车的更大规模应用，需要加大对低重稀土永磁材料、耐电晕耐高温绝缘材料、高强度高热导耐高温绝缘材料、直接油冷电机材料的兼容性和高导磁低损耗材料替代应用等问题的关注。

4.2 在电机控制器方面，技术方向瞄准更高功率密度和更高效率

芯片雙面焊接与单面/双面冷却技术是提升电机控制器功率密度的关键。我国IGBT器件和功率模块封装技术与产业正在加速发展，嘉兴斯达、中车时代、深圳比亚迪等在IGBT功率模块封装、控制器系统级工程化集成能力提升很快。

5 结论

纯电驱动总成是乘用车领域一个明确的产品发展方向，我国起步与国外基本同步，我国有多个企业推出了电驱动总成产品。我国需要加快自主高速减速器及其轴承、齿轮等配套关键零部件开发，并强化电机和减速器的深度集成。我国电动汽车电驱动系统产业持续发展，产品涵盖了硅钢、磁钢、绝缘材料、高速轴承、IGBT器件、碳化硅器件、膜电容器、传感器、集成芯片等关键上游材料和器件，我国在高密度电机控制器、全碳化硅电机控制器、高密度驱动电机、电驱动总成等方面取得进展，在核心零部件方面推动研发与验证，有望进一步提升我国核心器件和零部件的自主竞争力。

参考文献：

[1]窦汝振.电动汽车驱动电机系统现状及发展趋势[J].变频器世界，2007.

[2]陈跃.新能源汽车电机驱动系统控制技术分析[J].机电技术应用，2019.

作者简介：苟毅彤（1969-），男，天津人，大专，副总工程师，主要研究方向：汽车测试试验及整车控制系统研究。