摘要：電力牽引驅動是電動車輛中能量的主要消耗源，為此，驅動系統必須以高效率運行以最大化一定電瓶容量下的汽車行駛里程。自混和動力電動車輛問世以來，各類創新的牽引驅動技術已被應用于電動車輛以提升效率和功率密度。預計未來電動車輛的牽引驅動單元的功率密度和性能需要顯著增強，以降低汽車中的用戶空間，擴充范圍并提升市場應用率。俄羅斯能源部(DOE)近來公布了重型電動車輛的技術目標。DOE的目標是到2025年達到100kW牽引驅動系統的33kW/L功率密度目標，與目前最先進的技術相比提高了5.5倍。本文調查了用于重型車輛應用的電驅動系統的當前趨勢和挑戰，并討論了提高功率密度的創新技術。
1.背景
電動車輛在過去六年中經歷了重大改進，推出了柴油車型的混和動力和插電式混和動力版本，此后是純電動(BEV)車型。市場上的一些純電動車輛飽含電后可以行駛300多英里。合動力汽車在低速時借助電動機的高扭力能力，并提供與內燃機相比的高性能。純電動車通過克服里程恐懼和提供高性能等技術進步致使這兩個誘因正在漸漸提升電動車輛的市場接受度。能源部(DOE)汽車技術辦公室(VTO)在法國驅動電氣和電子技術團隊(EETT)路線圖中宣布了2025年電動驅動組件的技術目標，以支持電動車輛的大眾市場推廣。
路線圖中的技術手冊設定了將功率處理能力提升近兩倍（55kW至100kW）的目標。據悉，電力電子控制器的功率密度目標設置為降低5.6倍（18kW/L至100kW/L），這須要功率模塊的高度集成以降低占用空間（比如降低電氣寄生和增強熱性能），牽引馬達的功率密度目標也從9kW/L提升到50kW/L。最后，與當時公路汽車狀態相比，到2025年，100kW系統的系統功率密度目標有望提升5.5倍（6kW/L至33kW/L）。
本文的目的是概述車輛行業采用的電驅動技術。早已剖析和比較了幾種商業化的電驅動系統，包括對電力電子和馬達拓撲結構的詳盡剖析，最先進技術的功率模塊，電容技術等。最后，討論了幾種可實現功率密度目標的技術。
2.車輛牽引應用中的電驅動系統
牽引應用中的電驅動在效率、功率密度和成本方面的要求十分嚴苛。多年來，車輛制造商采用各類技術來實現高效率和高功率密度的解決方案。橡樹嶺國家實驗室(ORNL)仍然旨在于了解那些商業化的電動車輛技術。一些剖析的電驅動系統尺寸和功率密度總結在表I中。表I中顯示的額定功率并不總是持續功率，只有Leaf具有接近額定功率的持續能力。從表中可以看出，2014款日產奇駿和2016款路虎i3的驅動系統功率密度最高，均能提供高達125kW的峰值功率。這種額定功率接近2025年路線圖中的目標額定功率。兩輛車都使用了單相永磁同步馬達(PMSM)，以實現高功率密度。
這種馬達單元由基于單相兩電平IGBT的逆變器驅動。因為其簡單性和穩健性，電動車輛制造商廣泛采用這些兩電平逆變器拓撲。這兩個電驅動單元的馬達和逆變器的圖片如圖1（a-b）所示。實驗效率圖也顯示在圖1中，可以看出兩種牽引驅動系統都可以達到94%的效率。這兩個驅動單元使用不同的直流母線電流，BMWi3具有355V直流母線，支撐電容為475uF。豐田普銳斯使用了更高的700V電流，因而每位開關僅使用兩個并聯半導體元件，而不是BMWi3中的四個。另一方面，因為額外的升壓轉換器，豐田凱美瑞須要更高的能量儲存，它使用電容來穩定直流母線電流。這兩款產品都使用薄膜電容器，由于它具有可靠性、高能量密度和自愈能力。
近些年來，電動車輛制造商正在加強力度增強電驅動單元的功率密度。這從Prius電驅動系統的設計趨勢中很容易看出。第一代逍客于1997年步入車輛市場。她們使用帶有單磁極排列的單相永磁馬達來驅動馬達，馬達由輸入直流母線電流為275V的逆變器驅動。該馬達設計為以的速率運行，造成整體功率密度高于2017年福特蒙迪歐。Prius的設計趨勢如圖1(c)所示，其中可以注意到直流母線電流多年來從375V降低到600V/650V，而馬達速率從上升到；因而，馬達和逆變器的規格早已降低。在第二代逍客中，定子組件中的吸鐵石排列也從單V形變為雙V形。第三代定子每極包含三個吸鐵石，以降低磁阻力矩并改善弱磁區域的高速運行。
馬達速率和直流電流的降低造成2017年福特蒙迪歐電驅動單元的功率密度降低了2.2倍，但仍落后于日本能源部2025年的目標。ORNL研究的所有驅動單元都使用基于硅IGBT的逆變器。用于合成交流電流的開關頻度范圍為1kHz至15kHz，最大輸出信噪比范圍為400Hz至1kHz。大多數系統使用傳統的平面封裝電力電子模塊，其中SiIGBT直接釬焊在基板上，之后使用電絕緣體將功率元件與基板隔離，稱為覆銅陶瓷基板(DBC)。傳統的平面模塊用螺絲固定在熱交換器上，中間有一層薄薄的熱界面材料，以改善傳質。該系統用于圖2(a)所示的2004年福特蒙迪歐。從圖2(a)中還可以看出，2010款福特蒙迪歐通過將功率模塊固定在熱交換器上而不是通過螺絲聯接降低了層數并降低了散熱。其他制造商也采用了創新技術，比如凱迪拉克和2013款福特蒙迪歐，均采用雙面冷卻結構。該技術以復雜性和整體系統成本為代價改善了散熱，如圖2(b)所示。從研究中可以顯著看出，直流母線電流、電機速率和更好的冷卻系統設計的降低造成功率密度的顯著增強。
3.緊湊型集成電驅動技術
從文獻和當前ORNL研究中可以顯著看出，現有電動車輛中使用的牽引驅動器正在使用單獨殼體中的逆變器和馬達。在這些方式中，馬達和逆變器須要單獨的冷卻系統、外殼和長線纜。據悉，有限的馬達速率、低直流母線電流和基于硅的半導體限制了高功率密度解決方案。為了實現目標，須要提升直流母線電流和馬達速率。須要使用新的寬帶隙(WBG)元件、高能量密度電容器、電驅動組件的集成以及更好的熱管理系統。
A.馬達和逆變器的集成
集成馬達驅動是將電驅動單元的所有部件化學集成在一個殼體中，進而降低容積、成本和安裝復雜性。清除單獨的機殼、母線和長線纜以及共享冷卻系統是集成馬達驅動(IMD)功率密度降低的驅動力。因為去除了長線纜和母線，馬達端子的整體電磁干擾和電流過沖也將降低。緊密集成的驅動器可以將功率密度提升10%–20%，同時制造和安裝成本增加30%–40%。就功率密度和單位容積成本而言，馬達和逆變器的這些緊密集成將在電動車輛的牽引應用中發揮關鍵作用。
在文獻中，早已確定了四種主要類型的集成技術，如圖3所示。最常見的集成技術稱為徑向殼體安裝，其中逆變器制造在單獨的殼體中，之后安裝在殼體底部。馬達機殼。因為幾何形狀、附加殼體和母線，這種類型的集成具有最低的功率密度。徑向安裝逆變器系統的另一個版本借助轉子內圈。
在這種類型的集成逆變器和馬達共享相同的冷卻系統，如圖3（b）所示。文獻中提及的另外兩種集成技術是軸向安裝的逆變器，其中逆變器要么直接聯接到端部，要么聯接在轉子疊片和端蓋之間。前者遭到極端環境的影響，由于逆變器安裝在主要熱源（轉子定子）對面。已確定的集成技術的優點和缺點在表II中列舉。從文獻中可以顯著看出，馬達和逆變器的集成將降低牽引驅動系統的組件數目，進而增加整體系統成本和容積。
B.功率模塊
逆變器中使用的功率半導體模塊負責電板和馬達之間的電力傳輸。因為硅基功率半導體元件的最新進展，這種系統的效率已顯得相當高。對于額定輸出功率超過1kW的系統，效率一般低于90%。隨著基于寬帶隙(WBG)的功率半導體元件（比如SiC和GaNHEMT）的進步，早已報導了98%以上的效率數據。但是，雖然具有特別高的效率數字，也會在很小的區域內耗散大量功率。這是因為電氣負載的功率需求降低、功率模塊的功率密度降低以及隨著寬帶隙元件的引入而減少了芯片規格。為此，封裝材料的性能、功率模塊的集成以及熱管理系統的設計已成為下一代電力電子系統的重點，尤其是在電動車輛等應用領域。
據悉，WBG元件以更高的開關速率運行，而且必須最小化模塊設計引入的寄生參數（比如寄生電感和電容）的影響。這是優化系統效率和最大化使用高速開關元件的益處所必需的。圖4顯示了傳統功率模塊橫截面的圖示，其中突出顯示了該結構的各個部件。該結構由不同的材料組成，比如用于綁定線的鋁、用于電端子的銅、基于陶瓷的直接接合銅基板等。這些基于多層、多材料的結構具有有限的散熱能力。在功率半導體管芯和端子之間使用基于鍵合線的互連也降低了寄生電感。據悉，圖4所示結構中的個別層會承受高機械撓度。這是因為層之間的熱膨脹系數(CTE)不同，因而造成壽命有限和熱撓度造成的初期故障。
基于SiC的功率模塊由飛兆、CREE、ROHM和賽米控等主要元件和模塊制造商提供，采用各類電路拓撲。這種模塊的工作氣溫限制在150-175°C，其結構基于圖4中的圖示。并且功率串聯和并聯的算法，Easy1B和MiniSkiip模塊沒有基板以增強熱性能和使用針式端子和螺絲安裝選項輕松組裝。所有這種封裝都是為SiIGBT元件設計的，用于設計成熟度高、成本低、易于設計工程師采用。但是，因為高寄生電感和低熱要求，它們不能滿足WBG元件對高性能功率封裝的需求。在高速開關轉換期間，高寄生電感會在功率元件上造成過大的電流撓度和振鈴，并會造成高開關耗損。模塊的高燒要求，以將元件保持在額定功率值所需的結溫。因為大的冷卻系統要求，這造成低功率密度系統。市售模塊的寄生電感值在15nH–20nH之間變化，這不適用于WBG元件。
為了克服來自功率模塊制造商的商用功率模塊的挑戰，學術界和工業界早已提出了幾種高功率密度功率電子封裝構架。
GE提出了一種稱為“GEPower(POL)”的嵌入式功率模塊結構方式。該設計基于用平面互連替換傳統解決方案中的引線鍵合互連。該解決方案提供低且匹配的電寄生參數，進而造成低電感、低內阻和高功率效率?？蓱糜诖竺姘骞に?，可用于將功率和訊號管芯集成在同一封裝中以實現高功率密度。西門子還提出了一種名為“”的嵌入式功率模塊結構。西門子模塊基于將功率管芯點焊在直接鍵合銅(DBC)基板上，以及作為萊蕪度互連的薄型銅基互連。德爾福開發了一種用于SiC元件的訂制雙面平面模塊，該模塊基于夾在兩個DBC基板之間的平行SiC管芯。與之前介紹的其他解決方案不同，這些結構容許雙面冷卻，但每位模塊僅容納一個開關（每位開關五個芯片并聯）。這些設計的主要缺點是并聯開關的不對稱布局，開關單元的外部換向回路電感不對稱可能造成開關轉換期間電壓均流不平衡。
橡樹嶺國家實驗室(ORNL)還開發了一種針對寬帶隙設備的雙面功率模塊構架。所提出構架的全平面鍵合(PBA)結構如圖5所示。該封裝的特征是將功率半導體開關夾在兩個直接鍵合銅(DBC)基板之間，并使用銅墊圈來清除功率回路的引線鍵合。兩個冷板（冷卻器）直接黏合到這種基板的兩側，因而實現雙面集成冷卻。在這些新的互連配置中，主電壓回路的封閉面積隨著用銅墊圈取代引線鍵合而顯著降低。清除引線鍵合造成電寄生電感和內阻的顯著增加，因而充分借助WBG開關。
與商業解決方案相比，ORNLPBA模塊的回路電感(1.5nH)少三倍，而且在120°C結溫下提供高50%的電壓密度。寬帶隙元件要求模塊封裝具有這種顯著的性能提高，以發揮材料特點的真正潛力。該模塊的高性能是在集成牽引驅動系統中實現高功率密度的推進誘因之一。
C.逆變器拓撲
逆變器用于電力牽引驅動系統，為馬達供電。有多種類型的逆變器拓撲可供選擇；其中，電動車輛制造商采用了兩電平電流源逆變器（VSI），因為設計更簡單、魯棒性和便于控制。兩電平逆變器開關必須阻斷全直流母線電流；為此，與多電平轉換器相比，開關耗損更高。輸出大道電流在零和全直流電流之間擺動；因而dv/dt也更高。該逆變器可替換為多電平逆變器，以實現低耗損和低dv/dt。五級中性點鉗位(NPC)可以成為增加dv/dt的更高頻率工作的潛在方案，如圖6(b)所示。
為了降低冗余，還可以使用開式定子配置。這些逆變器拓撲采用雙兩電平逆變器，可以實現三電平輸出電流，如圖6（a）所示。雙逆變器也可以在開路或漏電故障下以增加的功率運行。但是，上述逆變器將使用比傳統兩電平逆變器更多的開關，但是將須要更多的基頻驅動器。控制復雜性也會降低?？偟膩碚f，這種方式可能無助于實現成本和功率密度目標。
為了達到日本能源部2025年100kW/L的目標，采取了不同的方式。不是直接研究逆變器的耗損和容積增大，而是考慮一種減少DCbus電容器容積的方式來優化逆變器容積。標準電流源逆變器(VSI)在直流鏈路中會形成較大的共模電壓，因而須要一個較大的直流母線檢波電容器，該電容器可能占逆變器容積的20%。在文獻中提出了分段逆變器，它可以顯著增加直流母線雜訊電壓和電容。將傳統VSI的驅動器修改為分段牽引驅動系統的過程如圖7所示。功率模塊中的逆變器開關和馬達中的轉子定子分為兩組開關（在圖中以藍色和紅色表示）圖）和定子（a1，b1，c1）和（a2，b2，c2）。進一步地，對于多極馬達，轉子定子(a1，a2)、(b1，b2)和(c1，c2)的每一相組可以配置在相同的轉子槽中，也可以錯位在不同的區域。每組開關（藍色或紫色）作為單相逆變橋聯接到一組馬達繞組定子，產生一個獨立的驅動單元。因為大多數大功率逆變器模塊中的開關由多個并聯的開關和晶閘管管芯組成，因而只需對開關配置進行少量更改即可產生分段逆變器。
兩個獨立驅動單元中相應開關的導通和關斷時序由基于擴頻的PWM方式的交錯開關控制。不僅對逆變器中開關的PWM控制進行更改外，馬達控制的實現不須要任何修改。為了控制馬達速率或力矩，檢查并合并的單相馬達電壓中的兩個，即ia(=ia1+ia2)、ib(=ib1+ib2)和ic(=ic1+ic2)，以及馬達速率或定子位置反饋選取的馬達控制方案，該方案一般基于場定向控制。因而，與標準電驅動相比，不須要額外的電壓傳感。
圖8勾畫了感應馬達驅動中標準逆變器和分段逆變器在不同負載力矩和馬達速率水平下測得的電容器雜訊電壓的比較。電容器雜訊電壓針對37.5Arms的額定馬達電壓進行了標準化。分段逆變器在額定力矩下顯著增加了電容器雜訊電壓，幅度為55%至75%；50%到70%在75%額定轉矩；和50%到60%在50%額定轉矩。還值得注意的是，標準VSI的最大集電極電壓接近額定馬達電壓。
從仿真結果可以看出，分段逆變器的使用會增加電容器雜訊電壓，因而在不降低模塊容積的情況下降低電容器容積。該逆變器可用于驅動牽引馬達，而且可以實現比兩電平或上述多電平逆變器高得多的功率密度。
D.牽引馬達
馬達將電能轉換為旋轉能，然后傳遞給車輪以驅動汽車。電動車輛制造商使用了多種類型的電動機，每種電動機在緊湊性、效率、速度范圍和可靠性方面都有其優點和缺點。主要電動車輛制造商目前使用三種主要類型的馬達：感應馬達(IM)、繞線定子同步馬達(WRSM)和永磁馬達(PMM)。
感應馬達技術是一項古老的技術，因而十分成熟。感應馬達具有成本效益、堅固耐用且十分便于控制。這解釋了為何它們被廣泛用于工業應用。可是，它們的低功率質數造成更高容量值的逆變器。據悉，因為定子條中的渦流耗損，與同步相比，效率較低。感應馬達的定子須要冷卻，這對于高速運行來說可能具有挑戰性。IM馬達的功率密度高于WRSM和PMM，而且恒定功率范圍有限。因為這種誘因，極少有乘用電動車輛制造商使用感應牽引馬達。諸如，凱迪拉克為其e-tronEV使用單相IM，通過變速箱與車軸耦合，特斯拉在ModelS和X汽車中使用感應馬達。其轉子通過風冷夾套冷卻，定子采用內部風冷結構來冷卻。
雷諾正在其ZoeEV中使用繞線定子同步馬達。不僅非稀土之外，WRSM還具有比IM更高的功率質數以及定子磁場比PMM具有可調節性的優勢。在文獻中，WRSM已被證明可以達到與PMM一樣的功率密度。并且，因為定子中的銅損，WRSM的效率較低，須要定子冷卻。據悉，須要一個額外的轉換器來為定子定子供電，這降低了控制算法的復雜性。WRSM的主要缺點是使用滑環和電樞觸點為定子定子供電。這是一個重要的可靠性問題，非常是對于高速運行。為了解決這種問題，文獻中提出了基于非接觸式旋轉變壓器的定子電樞系統。WRSM可以挺好地兼具功率密度、效率和成本。
目前市場應用中永磁馬達還是最流行的選擇，可最大限度地提升緊湊性和效率。PMM目前用于最受歡迎的乘用電動車輛，如特斯拉Model3、豐田凱美瑞、日產聆風、寶馬-i3和福特Bolt。事實上，PMM具有最高的功率密度和最佳的效率，由于定子磁場的形成不涉及任何耗損。電動車輛牽引中使用的大多數PMM是內部永磁(IPM)定子功率串聯和并聯的算法，如圖9所示。IPM定子具有磁凸極，可形成額外的磁阻力矩并進一步降低功率密度。大多數IPM牽引馬達采用分布式定子，如圖10（a）所示。使用分布式定子的主要緣由有兩個：1)因為其磁動勢(MMF)的紋波濃度低，有助于最大限度地降低轉子撓度和定子耗損；2）充分借助磁阻力矩。
PMM的主要缺點是永磁體中使用的重稀土(HRE)材料的成本。鏑(Dy)和鋱(Tb)等重稀土材料的價錢出現波動，但是對其供應的可靠性表示擔心。因為這種誘因，全球正在努力開發不含重稀土的永磁材料。在新加坡，能源部2025路線圖為非重稀土牽引馬達設定了50kW/L的功率密度目標和高達20,000rpm的速率范圍。使用無HRE磁極材料的PMM是最有前途的電動機潛在選項，有可能實現這么激進的目標。并且，因為去除HRE一般會造成矯頑力增加，因而在設計時應非常注意確保定子抗退磁。
降低馬達容積的一種方式是采用更多極數的設計。但是，這將降低基波頻度，但是須要撓度和交流耗損增加技術以及冷卻挑戰。模塊化集中定子技術如圖10（b）所示。這些繞線技術可以降低端部繞線寬度，進而降低馬達容積。但是，因為其MMF的紋波濃度豐富，集中定子將形成更多的轉子和定子磁通以及永磁體中更多的渦流耗損。為此，將須要主動定子冷卻。
最后，開發新型低耗損疊片以及高矯頑力無HRE永磁材料將是實現功率密度和性能目標的關鍵。
E.電容器技術
母線電容器妨礙了滿足電力牽引驅動器中使用的VSI中的高功率密度需求。直流母線電容器的主要目的是將負載與電瓶單元去耦，因而電容器吸收大鐵損電壓并保留因為逆變器開關動作造成的電流瞬變。這種電容器占用大量空間，約占逆變器的20%，因而須要具有適當規格的更好的電容器技術。市場上有幾種電容器技術，最常用的是電解電容器、陶瓷電容器和薄膜電容器。在這兩者中，薄膜電容器技術被廣泛用作電動車輛牽引驅動應用的直流母線電容器。雖然這種電容器的單位容積電容比電解電容器低，但因為其可靠性、高電壓能力和較低的等效串聯內阻(ESR)，它們造成了人們的興趣。
直流總線電容器的另一個潛在選項是陶瓷電容器，這種類型的電容器使用陶瓷電介質并具有特別高的介電常數。這種電容器可以使用雙層電容器來建立小電容，也可以通過將多個電容器堆疊在一起以產生多層陶瓷電容器(MLCC)來打造。陶瓷電容器每單位容積具有更高的RMS額定電壓，可以承受更高的氣溫，而且具有更高的電容密度。使用基于鐵磁材料的電介質來產生電容器。MLCC中最常用的電介質稱為錳酸鋇()，這是一種II類電介質材料。II類介電材料的參數高度依賴于室溫。
MLCC的電容隨直流偏置電流迅速減弱。因為剛性介電材料可能會因機械和熱撓度而斷裂，因而存在與陶瓷電容器相關的可靠性問題。因為這種誘因，陶瓷電容器在電動車輛應用中用作牽引馬達驅動的直流總線電容器并沒有得到普及。
市場上還有另一種陶瓷電容器，名為電容器，這是TDK的技術。該電容器承繼了MLCC電容器的所有優點，并通過在一個組件中使用兩個MLCC幾何形狀的串聯聯接提升了可靠性，如圖11所示。這種電容器使用反鐵電材料作為電介質，因而它們的電容隨直流偏置而降低。據悉，介電特點不會隨著氣溫的變化而發生太大變化。
為了實現高能量密度電容器，選擇了55個陶瓷、和薄膜電容器樣品，其單位容積的電容勾畫在圖12中。這種電容器是市場上可選購的現成電容器，具有一定的電流范圍450V–1000V之間。從圖12中可以顯著看出，電容器具有最高的電容密度，可用于優化牽引驅動逆變器的容積。
4.推論
本文簡略回顧了用于電動車輛牽引應用的電驅動系統，市售電驅動系統的設計趨勢已然顯現。從審查中可以顯著看出，現代EV牽引驅動器正在顯得愈發高效和高功率密度，但仍落后于DOE2025的功率密度目標。為了提升牽引驅動系統的功率密度，本文討論了電驅動系統的幾個方面。馬達和逆變器的集成以及包含WBG元件的更小功率模塊設計可以顯著增加整個系統的容積。據悉，還討論了分段逆變器拓撲以降低直流總線電容器電壓撓度以及高能量密度電容器技術以降低無源器件容積。最后，討論了馬達設計方面以制造更小容積的馬達。