1 新能源汽车专有技术研究范围和内容

新能源汽车是在传统汽车产业链基础上进行延伸，结构上与传统汽车的最大区别在于动力系统，增加了电池、电机、电控系统等组件。

基础部件材料研究：包括动力电池材料研究、单体电池、电池模块、电池系统以及结构轻量化材料。

汽车动力系统研究：包括电化学动力系统、高温电力电子研究和混合动力发动机系统研究，具体包括电机设计、逆变器和充电装置研究。

网联车辆信息研究：汽车电子方面、车辆智能化研究和交通网联研究。

电子控制与智能技术：包括电空调、电子制动、电子转向、智能安全辅助和智能驾驶以及智能制造（制造信息化与车身轻量化）。

新能源技术：包含低碳与可再生能源、氢电基础设施和能源互联网。

电机控制器（MCU）：接收来自整车控制器的指令，将动力电池直流电流进行逆变控制，形成三项交流电进行电机转矩转速控制，并检测电机及控制器状态进行敀障诊断。

整车控制器（VCU）：将驾驶员意图通过加速踏板信号转换为动力系统的需求信号，对整车能量进行管理，对各系统进行监控并及时反馈信息和报警等。

2 关于功率密度

在功率密度方面，美国能源部的报告要求驱动系统（电机+电控）的峰值功率密度在2020年达到5kw/L，2025年大幅提升到33kw/L，分解到电控是100kw/L，分解到驱动电机是50KW/L。

注：美国认为体积涉及到汽车的有效空间利用和乘客体验，从商业层面上讲，功率体积比的概念要比功率重量比更重要。

橡树岭实验室就在2017年开发出一款电机产品，这款电机是铁氧体永磁同步电机，转子采用双层SPOKE结构，经过测试这款峰值功率为103kw的电机，转矩密度比prius2010提高了10%，最高转速提高了20%。

如果以9000rpm 103kw的峰值工况工况计算，该电机功率密度达到10.3kw/L，成本降低到4.4＄kw，其采用的核心创新点就是无稀土技术和自动优化算法。

橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）是美国能源部所属的一个大型国家实验室，成立于1943年，最初是作为美国曼哈顿计划的一部分，以生产和分离铀和钚为主要目的建造的，原称克林顿实验室。

2000年4月以后由田纳西大学和Battelle纪念研究所共同管理。他们的使命是攻克美国当下面临的最严峻的科学难题，并且开发新技术，为人类创造更加美好的生活。

3 新能源汽车对驱动电机的要求

车用驱动电机是电动汽车动力系统的核心关键部件，其性能的优劣直接影响到车辆的整车性能。

我国自主开发的永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机已经实现了与国内整车企业的中小批量配套，产品的功率范围覆盖200kW以下整车的动力需求。

与此同时，以美国、欧洲和日本为主的提供新能源汽车驱动系统的企业发展迅猛，在降低电机生产成本、改善电机效率及电机和发动机一体化设计等方面取得了长足进展，产业链逐步完善，配套能力不断提高。

1. 低速大扭矩 For quick start and capability to climb steep hill
2. 高速宽恒功率 For high speed cruise and overpass capability at high speed
3. 高功率密度 high power density
4. 节能高效 Energy saving

4 车用驱动电机与工业电机对比

与一般工业用电机不同，用于汽车的驱动电机应具有调速范围宽、起动转矩大、后备功率高、效率高的特性，此外，还要求可靠性高、耐高温及耐潮、结构简单、成本低、维护简单、适合大规模生产等。

4.1 封装尺寸方面

• 工业电机：空间几乎不受限制，可用标准封装配套各种应用场景
• 车用电机：布置空间有限必须根据具体产品进行特殊设计

4.2 工作环境方面

• 工业电机：环境温度适中（-20℃～+40℃），静止应用，震动较小
• 车用电机：温度变化大（-40℃～+105℃），震动剧烈

4.3 可靠性要求

• 工业电机：要求较高的可靠性，以保证生产效率
• 车用电机：要求很高的安全性以保证乘客安全

4.4 冷却方式

• 工业电机：通常为风冷，体积大
• 车用电机：通常为水冷，体积小

4.5 控制性能

• 工业电机：多为变频调速控制，动态性能较差
• 车用电机：需要精确的力矩控制，要求动态性能好

4.6 功率密度

• 工业电机：较低，一般1kw/kg以下
• 车用电机：较高，一般3kw/kg以上

▲BMW i3 Electric Drive unit

4.7 成本方面

对于峰值功率100kw的驱动系统，2020年系统成本要求8美元/kw，分解到电机是3.3美元/kw，电控2.7美元/kw；2025年系统成本要求6美元/kw。

BMWi3 2016版本的驱动系统技术指标有一定进步，其电机的功率密度达到9.2kw/L，电控的功率密度达到18.5kw/L，超过2020年目标水平，但未达到2025年水平，其成本数据也未公布

5 车用电机分类和技术特点

目前在用或开发的电动汽车用电动机主要有直流电动机（DCM）、感应电动机（IM）、永磁电动机（PM）、开关磁阻电动机（SRM）四类。

5.1 车用电机类型

按类型的话，驱动电机分为交流电机和直流电机，在直流电机方面，低速电动汽车主要用串励电机和他励电机。

5.2 在交流电机应用方面

1. 异步电机主要用于电动客车牵引电机
2. 开关磁阻电机主要用于混合动力汽车
3. 永磁同步电机主要用于乘用车和商用车的驱动电机

5.3 在电机类型和特点方面

在启动性能、额定运行点峰值效率、高效率运行区占比、重量功率密度等方面，永磁同步电机优于直流电机、异步电机、开关磁阻电机和无刷直流电机。

在恒功率速度范围、转矩稳定性、电机可靠性和NVH方面，永磁同步电机和感应电机不相上下。

6 车用电机的使用要求对电机提出的设计要求

永磁同步电动机（PMSM）系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点，是一种比较理想的电动汽车驱动系统。

6.1 动态性能要求

转速范围宽、转矩过载比大、最高空载反电势限制和最大电流限制

6.2 集成度要求

高持续功率密度、高峰值功率密度

6.3 全局高效要求

低能耗、更大范围内高效率、频繁工作区内高效率，具体方法：确定永磁电机基本设计参数，确定一组最小集合作为设计变量；用性能、效率和功率密度三个设计维度来描述。

6.4 高效区规划

把基于额定工况的电机效率计算优化为基于循环工况的电机平均效率计算，建立永磁电机高效区与电机参数的解析关系，事实上，永磁电机的高效区可以规划，用以提升电动汽车的能量利用率。

6.5 高功率密度设计

损耗分配：合理分配电机各组件损耗，使各部分温升维持在限度以内，建立铁损模型。

6.6 功率密度设计：建立功率密度自动寻优流程。

利用热网络进行温升计算，通过改进的优化计算方法进行以温升为边界、面向效率的优化设计。

6.7 电机降噪方法

6.7.1 电机极槽配合优化：永磁电机低频段的震动噪声由电机极槽等设计参数有关，选择合理的极槽可以降低电机低频噪声。

6.7.2 PWM（脉宽调制）优化：PWM对永磁电机震动噪声的影响主要分布在开关频率及其倍数附近频率，可优化PWM策略，降低电机噪声。

7 车用电控模块

整车控制器相当于汽车的大脑，负责在整车行驶过程中接收来自驾驶员的各项操作指令、病诊断分析整车及部件状态，综合判断，向各个部件控制器发送控制质量，是整车按照驾驶员预期安全行驶。

主要功能：

1. 工况识别；
2. 整车能量管理；
3. 制动能量回收控制功能；
4. 电机转矩控制；
5. 电动辅助部件控制（电动助力转向、电动空调、电动暖风、电动真空泵）；
6. 故障诊断；
7. 系统安全监控等。

7.1 电力电子器件的发展阶段

第一代：晶闸管、GTO、BJT、MOS，时间在90年代及以前

第二代：IGBT，时间在2000年以后

第三代：SiC、GaN，2020年以后

7.2 车用电控器件

7.3 DC/AC变换器

7.3.1 DC-AC变换器也称为逆变器（inverter），即将直流电变换为交流电的电力电子功率变换器（power converter）。

7.3.2 逆变器的类型，依据直流电源的特性不同可以分为：

• 电压型逆变器 Voltage Source Inverter，VSI
• 电流型逆变器 Current Source Inverter，CSI

7.4 车用IGBT模块发展趋势

第一代：引线键合、单面冷却

第二代：平面封装、集成冷却

第三代：集成型双面冷却

把温度传感器和电流传感器功能集成，实现对整个芯片级的管理，同时集成水冷流道的散热结构。

（未完待续）

参考文献：

1. 美国能源部2025电机和电控技术发展规划
2. 《图解汽车构造与原理》化学工业出版社 于海东
3. 中科院温旭辉博士报告和演讲资料
4. 百度文库相关资料