摘要：电力牵引驱动是电动车辆中能量的主要消耗源，为此，驱动系统必须以高效率运行以最大化一定电瓶容量下的汽车行驶里程。自混和动力电动车辆问世以来，各类创新的牵引驱动技术已被应用于电动车辆以提升效率和功率密度。预计未来电动车辆的牵引驱动单元的功率密度和性能需要显着增强，以降低汽车中的用户空间，扩充范围并提升市场应用率。俄罗斯能源部(DOE)近来公布了重型电动车辆的技术目标。DOE的目标是到2025年达到100kW牵引驱动系统的33kW/L功率密度目标，与目前最先进的技术相比提高了5.5倍。本文调查了用于重型车辆应用的电驱动系统的当前趋势和挑战，并讨论了提高功率密度的创新技术。
1.背景
电动车辆在过去六年中经历了重大改进，推出了柴油车型的混和动力和插电式混和动力版本，此后是纯电动(BEV)车型。市场上的一些纯电动车辆饱含电后可以行驶300多英里。合动力汽车在低速时借助电动机的高扭力能力，并提供与内燃机相比的高性能。纯电动车通过克服里程恐惧和提供高性能等技术进步致使这两个诱因正在渐渐提升电动车辆的市场接受度。能源部(DOE)汽车技术办公室(VTO)在法国驱动电气和电子技术团队(EETT)路线图中宣布了2025年电动驱动组件的技术目标，以支持电动车辆的大众市场推广。
路线图中的技术手册设定了将功率处理能力提升近两倍（55kW至100kW）的目标。据悉，电力电子控制器的功率密度目标设置为降低5.6倍（18kW/L至100kW/L），这须要功率模块的高度集成以降低占用空间（比如降低电气寄生和增强热性能），牵引马达的功率密度目标也从9kW/L提升到50kW/L。最后，与当时公路汽车状态相比，到2025年，100kW系统的系统功率密度目标有望提升5.5倍（6kW/L至33kW/L）。
本文的目的是概述车辆行业采用的电驱动技术。早已剖析和比较了几种商业化的电驱动系统，包括对电力电子和马达拓扑结构的详尽剖析，最先进技术的功率模块，电容技术等。最后，讨论了几种可实现功率密度目标的技术。
2.车辆牵引应用中的电驱动系统
牵引应用中的电驱动在效率、功率密度和成本方面的要求十分严苛。多年来，车辆制造商采用各类技术来实现高效率和高功率密度的解决方案。橡树岭国家实验室(ORNL)仍然旨在于了解那些商业化的电动车辆技术。一些剖析的电驱动系统尺寸和功率密度总结在表I中。表I中显示的额定功率并不总是持续功率，只有Leaf具有接近额定功率的持续能力。从表中可以看出，2014款日产奇骏和2016款路虎i3的驱动系统功率密度最高，均能提供高达125kW的峰值功率。这种额定功率接近2025年路线图中的目标额定功率。两辆车都使用了单相永磁同步马达(PMSM)，以实现高功率密度。
这种马达单元由基于单相两电平IGBT的逆变器驱动。因为其简单性和稳健性，电动车辆制造商广泛采用这些两电平逆变器拓扑。这两个电驱动单元的马达和逆变器的图片如图1（a-b）所示。实验效率图也显示在图1中，可以看出两种牵引驱动系统都可以达到94%的效率。这两个驱动单元使用不同的直流母线电流，BMWi3具有355V直流母线，支撑电容为475uF。丰田普锐斯使用了更高的700V电流，因而每位开关仅使用两个并联半导体元件，而不是BMWi3中的四个。另一方面，因为额外的升压转换器，丰田凯美瑞须要更高的能量储存，它使用电容来稳定直流母线电流。这两款产品都使用薄膜电容器，由于它具有可靠性、高能量密度和自愈能力。
近些年来，电动车辆制造商正在加强力度增强电驱动单元的功率密度。这从Prius电驱动系统的设计趋势中很容易看出。第一代逍客于1997年步入车辆市场。她们使用带有单磁极排列的单相永磁马达来驱动马达，马达由输入直流母线电流为275V的逆变器驱动。该马达设计为以的速率运行，造成整体功率密度高于2017年福特蒙迪欧。Prius的设计趋势如图1(c)所示，其中可以注意到直流母线电流多年来从375V降低到600V/650V，而马达速率从上升到；因而，马达和逆变器的规格早已降低。在第二代逍客中，定子组件中的吸铁石排列也从单V形变为双V形。第三代定子每极包含三个吸铁石，以降低磁阻力矩并改善弱磁区域的高速运行。
马达速率和直流电流的降低造成2017年福特蒙迪欧电驱动单元的功率密度降低了2.2倍，但仍落后于日本能源部2025年的目标。ORNL研究的所有驱动单元都使用基于硅IGBT的逆变器。用于合成交流电流的开关频度范围为1kHz至15kHz，最大输出信噪比范围为400Hz至1kHz。大多数系统使用传统的平面封装电力电子模块，其中SiIGBT直接钎焊在基板上，之后使用电绝缘体将功率元件与基板隔离，称为覆铜陶瓷基板(DBC)。传统的平面模块用螺丝固定在热交换器上，中间有一层薄薄的热界面材料，以改善传质。该系统用于图2(a)所示的2004年福特蒙迪欧。从图2(a)中还可以看出，2010款福特蒙迪欧通过将功率模块固定在热交换器上而不是通过螺丝联接降低了层数并降低了散热。其他制造商也采用了创新技术，比如凯迪拉克和2013款福特蒙迪欧，均采用双面冷却结构。该技术以复杂性和整体系统成本为代价改善了散热，如图2(b)所示。从研究中可以显著看出，直流母线电流、电机速率和更好的冷却系统设计的降低造成功率密度的显着增强。
3.紧凑型集成电驱动技术
从文献和当前ORNL研究中可以显著看出，现有电动车辆中使用的牵引驱动器正在使用单独壳体中的逆变器和马达。在这些方式中，马达和逆变器须要单独的冷却系统、外壳和长线缆。据悉，有限的马达速率、低直流母线电流和基于硅的半导体限制了高功率密度解决方案。为了实现目标，须要提升直流母线电流和马达速率。须要使用新的宽带隙(WBG)元件、高能量密度电容器、电驱动组件的集成以及更好的热管理系统。
A.马达和逆变器的集成
集成马达驱动是将电驱动单元的所有部件化学集成在一个壳体中，进而降低容积、成本和安装复杂性。清除单独的机壳、母线和长线缆以及共享冷却系统是集成马达驱动(IMD)功率密度降低的驱动力。因为去除了长线缆和母线，马达端子的整体电磁干扰和电流过冲也将降低。紧密集成的驱动器可以将功率密度提升10%–20%，同时制造和安装成本增加30%–40%。就功率密度和单位容积成本而言，马达和逆变器的这些紧密集成将在电动车辆的牵引应用中发挥关键作用。
在文献中，早已确定了四种主要类型的集成技术，如图3所示。最常见的集成技术称为径向壳体安装，其中逆变器制造在单独的壳体中，之后安装在壳体底部。马达机壳。因为几何形状、附加壳体和母线，这种类型的集成具有最低的功率密度。径向安装逆变器系统的另一个版本借助转子内圈。
在这种类型的集成逆变器和马达共享相同的冷却系统，如图3（b）所示。文献中提及的另外两种集成技术是轴向安装的逆变器，其中逆变器要么直接联接到端部，要么联接在转子叠片和端盖之间。前者遭到极端环境的影响，由于逆变器安装在主要热源（转子定子）对面。已确定的集成技术的优点和缺点在表II中列举。从文献中可以显著看出，马达和逆变器的集成将降低牵引驱动系统的组件数目，进而增加整体系统成本和容积。
B.功率模块
逆变器中使用的功率半导体模块负责电板和马达之间的电力传输。因为硅基功率半导体元件的最新进展，这种系统的效率已显得相当高。对于额定输出功率超过1kW的系统，效率一般低于90%。随着基于宽带隙(WBG)的功率半导体元件（比如SiC和GaNHEMT）的进步，早已报导了98%以上的效率数据。但是，虽然具有特别高的效率数字，也会在很小的区域内耗散大量功率。这是因为电气负载的功率需求降低、功率模块的功率密度降低以及随着宽带隙元件的引入而减少了芯片规格。为此，封装材料的性能、功率模块的集成以及热管理系统的设计已成为下一代电力电子系统的重点，尤其是在电动车辆等应用领域。
据悉，WBG元件以更高的开关速率运行，而且必须最小化模块设计引入的寄生参数（比如寄生电感和电容）的影响。这是优化系统效率和最大化使用高速开关元件的益处所必需的。图4显示了传统功率模块横截面的图示，其中突出显示了该结构的各个部件。该结构由不同的材料组成，比如用于绑定线的铝、用于电端子的铜、基于陶瓷的直接接合铜基板等。这些基于多层、多材料的结构具有有限的散热能力。在功率半导体管芯和端子之间使用基于键合线的互连也降低了寄生电感。据悉，图4所示结构中的个别层会承受高机械挠度。这是因为层之间的热膨胀系数(CTE)不同，因而造成寿命有限和热挠度造成的初期故障。
基于SiC的功率模块由飞兆、CREE、ROHM和赛米控等主要元件和模块制造商提供，采用各类电路拓扑。这种模块的工作气温限制在150-175°C，其结构基于图4中的图示。并且功率串联和并联的算法，Easy1B和MiniSkiip模块没有基板以增强热性能和使用针式端子和螺丝安装选项轻松组装。所有这种封装都是为SiIGBT元件设计的，用于设计成熟度高、成本低、易于设计工程师采用。但是，因为高寄生电感和低热要求，它们不能满足WBG元件对高性能功率封装的需求。在高速开关转换期间，高寄生电感会在功率元件上造成过大的电流挠度和振铃，并会造成高开关耗损。模块的高烧要求，以将元件保持在额定功率值所需的结温。因为大的冷却系统要求，这造成低功率密度系统。市售模块的寄生电感值在15nH–20nH之间变化，这不适用于WBG元件。
为了克服来自功率模块制造商的商用功率模块的挑战，学术界和工业界早已提出了几种高功率密度功率电子封装构架。
GE提出了一种称为“GEPower(POL)”的嵌入式功率模块结构方式。该设计基于用平面互连替换传统解决方案中的引线键合互连。该解决方案提供低且匹配的电寄生参数，进而造成低电感、低内阻和高功率效率。可应用于大面板工艺，可用于将功率和讯号管芯集成在同一封装中以实现高功率密度。西门子还提出了一种名为“”的嵌入式功率模块结构。西门子模块基于将功率管芯点焊在直接键合铜(DBC)基板上，以及作为莱芜度互连的薄型铜基互连。德尔福开发了一种用于SiC元件的订制双面平面模块，该模块基于夹在两个DBC基板之间的平行SiC管芯。与之前介绍的其他解决方案不同，这些结构容许双面冷却，但每位模块仅容纳一个开关（每位开关五个芯片并联）。这些设计的主要缺点是并联开关的不对称布局，开关单元的外部换向回路电感不对称可能造成开关转换期间电压均流不平衡。
橡树岭国家实验室(ORNL)还开发了一种针对宽带隙设备的双面功率模块构架。所提出构架的全平面键合(PBA)结构如图5所示。该封装的特征是将功率半导体开关夹在两个直接键合铜(DBC)基板之间，并使用铜垫圈来清除功率回路的引线键合。两个冷板（冷却器）直接黏合到这种基板的两侧，因而实现双面集成冷却。在这些新的互连配置中，主电压回路的封闭面积随着用铜垫圈取代引线键合而显着降低。清除引线键合造成电寄生电感和内阻的显着增加，因而充分借助WBG开关。
与商业解决方案相比，ORNLPBA模块的回路电感(1.5nH)少三倍，而且在120°C结温下提供高50%的电压密度。宽带隙元件要求模块封装具有这种显着的性能提高，以发挥材料特点的真正潜力。该模块的高性能是在集成牵引驱动系统中实现高功率密度的推进诱因之一。
C.逆变器拓扑
逆变器用于电力牵引驱动系统，为马达供电。有多种类型的逆变器拓扑可供选择；其中，电动车辆制造商采用了两电平电流源逆变器（VSI），因为设计更简单、鲁棒性和便于控制。两电平逆变器开关必须阻断全直流母线电流；为此，与多电平转换器相比，开关耗损更高。输出大道电流在零和全直流电流之间摆动；因而dv/dt也更高。该逆变器可替换为多电平逆变器，以实现低耗损和低dv/dt。五级中性点钳位(NPC)可以成为增加dv/dt的更高频率工作的潜在方案，如图6(b)所示。
为了降低冗余，还可以使用开式定子配置。这些逆变器拓扑采用双两电平逆变器，可以实现三电平输出电流，如图6（a）所示。双逆变器也可以在开路或漏电故障下以增加的功率运行。但是，上述逆变器将使用比传统两电平逆变器更多的开关，但是将须要更多的基频驱动器。控制复杂性也会降低。总的来说，这种方式可能无助于实现成本和功率密度目标。
为了达到日本能源部2025年100kW/L的目标，采取了不同的方式。不是直接研究逆变器的耗损和容积增大，而是考虑一种减少DCbus电容器容积的方式来优化逆变器容积。标准电流源逆变器(VSI)在直流链路中会形成较大的共模电压，因而须要一个较大的直流母线检波电容器，该电容器可能占逆变器容积的20%。在文献中提出了分段逆变器，它可以显着增加直流母线杂讯电压和电容。将传统VSI的驱动器修改为分段牵引驱动系统的过程如图7所示。功率模块中的逆变器开关和马达中的转子定子分为两组开关（在图中以蓝色和红色表示）图）和定子（a1，b1，c1）和（a2，b2，c2）。进一步地，对于多极马达，转子定子(a1，a2)、(b1，b2)和(c1，c2)的每一相组可以配置在相同的转子槽中，也可以错位在不同的区域。每组开关（蓝色或紫色）作为单相逆变桥联接到一组马达绕组定子，产生一个独立的驱动单元。因为大多数大功率逆变器模块中的开关由多个并联的开关和晶闸管管芯组成，因而只需对开关配置进行少量更改即可产生分段逆变器。
两个独立驱动单元中相应开关的导通和关断时序由基于扩频的PWM方式的交错开关控制。不仅对逆变器中开关的PWM控制进行更改外，马达控制的实现不须要任何修改。为了控制马达速率或力矩，检查并合并的单相马达电压中的两个，即ia(=ia1+ia2)、ib(=ib1+ib2)和ic(=ic1+ic2)，以及马达速率或定子位置反馈选取的马达控制方案，该方案一般基于场定向控制。因而，与标准电驱动相比，不须要额外的电压传感。
图8勾画了感应马达驱动中标准逆变器和分段逆变器在不同负载力矩和马达速率水平下测得的电容器杂讯电压的比较。电容器杂讯电压针对37.5Arms的额定马达电压进行了标准化。分段逆变器在额定力矩下显着增加了电容器杂讯电压，幅度为55%至75%；50%到70%在75%额定转矩；和50%到60%在50%额定转矩。还值得注意的是，标准VSI的最大集电极电压接近额定马达电压。
从仿真结果可以看出，分段逆变器的使用会增加电容器杂讯电压，因而在不降低模块容积的情况下降低电容器容积。该逆变器可用于驱动牵引马达，而且可以实现比两电平或上述多电平逆变器高得多的功率密度。
D.牵引马达
马达将电能转换为旋转能，然后传递给车轮以驱动汽车。电动车辆制造商使用了多种类型的电动机，每种电动机在紧凑性、效率、速度范围和可靠性方面都有其优点和缺点。主要电动车辆制造商目前使用三种主要类型的马达：感应马达(IM)、绕线定子同步马达(WRSM)和永磁马达(PMM)。
感应马达技术是一项古老的技术，因而十分成熟。感应马达具有成本效益、坚固耐用且十分便于控制。这解释了为何它们被广泛用于工业应用。可是，它们的低功率质数造成更高容量值的逆变器。据悉，因为定子条中的涡流耗损，与同步相比，效率较低。感应马达的定子须要冷却，这对于高速运行来说可能具有挑战性。IM马达的功率密度高于WRSM和PMM，而且恒定功率范围有限。因为这种诱因，极少有乘用电动车辆制造商使用感应牵引马达。诸如，凯迪拉克为其e-tronEV使用单相IM，通过变速箱与车轴耦合，特斯拉在ModelS和X汽车中使用感应马达。其转子通过风冷夹套冷却，定子采用内部风冷结构来冷却。
雷诺正在其ZoeEV中使用绕线定子同步马达。不仅非稀土之外，WRSM还具有比IM更高的功率质数以及定子磁场比PMM具有可调节性的优势。在文献中，WRSM已被证明可以达到与PMM一样的功率密度。并且，因为定子中的铜损，WRSM的效率较低，须要定子冷却。据悉，须要一个额外的转换器来为定子定子供电，这降低了控制算法的复杂性。WRSM的主要缺点是使用滑环和电枢触点为定子定子供电。这是一个重要的可靠性问题，非常是对于高速运行。为了解决这种问题，文献中提出了基于非接触式旋转变压器的定子电枢系统。WRSM可以挺好地兼具功率密度、效率和成本。
目前市场应用中永磁马达还是最流行的选择，可最大限度地提升紧凑性和效率。PMM目前用于最受欢迎的乘用电动车辆，如特斯拉Model3、丰田凯美瑞、日产聆风、宝马-i3和福特Bolt。事实上，PMM具有最高的功率密度和最佳的效率，由于定子磁场的形成不涉及任何耗损。电动车辆牵引中使用的大多数PMM是内部永磁(IPM)定子功率串联和并联的算法，如图9所示。IPM定子具有磁凸极，可形成额外的磁阻力矩并进一步降低功率密度。大多数IPM牵引马达采用分布式定子，如图10（a）所示。使用分布式定子的主要缘由有两个：1)因为其磁动势(MMF)的纹波浓度低，有助于最大限度地降低转子挠度和定子耗损；2）充分借助磁阻力矩。
PMM的主要缺点是永磁体中使用的重稀土(HRE)材料的成本。镝(Dy)和铽(Tb)等重稀土材料的价钱出现波动，但是对其供应的可靠性表示担心。因为这种诱因，全球正在努力开发不含重稀土的永磁材料。在新加坡，能源部2025路线图为非重稀土牵引马达设定了50kW/L的功率密度目标和高达20,000rpm的速率范围。使用无HRE磁极材料的PMM是最有前途的电动机潜在选项，有可能实现这么激进的目标。并且，因为去除HRE一般会造成矫顽力增加，因而在设计时应非常注意确保定子抗退磁。
降低马达容积的一种方式是采用更多极数的设计。但是，这将降低基波频度，但是须要挠度和交流耗损增加技术以及冷却挑战。模块化集中定子技术如图10（b）所示。这些绕线技术可以降低端部绕线宽度，进而降低马达容积。但是，因为其MMF的纹波浓度丰富，集中定子将形成更多的转子和定子磁通以及永磁体中更多的涡流耗损。为此，将须要主动定子冷却。
最后，开发新型低耗损叠片以及高矫顽力无HRE永磁材料将是实现功率密度和性能目标的关键。
E.电容器技术
母线电容器妨碍了满足电力牵引驱动器中使用的VSI中的高功率密度需求。直流母线电容器的主要目的是将负载与电瓶单元去耦，因而电容器吸收大铁损电压并保留因为逆变器开关动作造成的电流瞬变。这种电容器占用大量空间，约占逆变器的20%，因而须要具有适当规格的更好的电容器技术。市场上有几种电容器技术，最常用的是电解电容器、陶瓷电容器和薄膜电容器。在这两者中，薄膜电容器技术被广泛用作电动车辆牵引驱动应用的直流母线电容器。虽然这种电容器的单位容积电容比电解电容器低，但因为其可靠性、高电压能力和较低的等效串联内阻(ESR)，它们造成了人们的兴趣。
直流总线电容器的另一个潜在选项是陶瓷电容器，这种类型的电容器使用陶瓷电介质并具有特别高的介电常数。这种电容器可以使用双层电容器来建立小电容，也可以通过将多个电容器堆叠在一起以产生多层陶瓷电容器(MLCC)来打造。陶瓷电容器每单位容积具有更高的RMS额定电压，可以承受更高的气温，而且具有更高的电容密度。使用基于铁磁材料的电介质来产生电容器。MLCC中最常用的电介质称为锰酸钡()，这是一种II类电介质材料。II类介电材料的参数高度依赖于室温。
MLCC的电容随直流偏置电流迅速减弱。因为刚性介电材料可能会因机械和热挠度而断裂，因而存在与陶瓷电容器相关的可靠性问题。因为这种诱因，陶瓷电容器在电动车辆应用中用作牵引马达驱动的直流总线电容器并没有得到普及。
市场上还有另一种陶瓷电容器，名为电容器，这是TDK的技术。该电容器承继了MLCC电容器的所有优点，并通过在一个组件中使用两个MLCC几何形状的串联联接提升了可靠性，如图11所示。这种电容器使用反铁电材料作为电介质，因而它们的电容随直流偏置而降低。据悉，介电特点不会随着气温的变化而发生太大变化。
为了实现高能量密度电容器，选择了55个陶瓷、和薄膜电容器样品，其单位容积的电容勾画在图12中。这种电容器是市场上可选购的现成电容器，具有一定的电流范围450V–1000V之间。从图12中可以显著看出，电容器具有最高的电容密度，可用于优化牵引驱动逆变器的容积。
4.推论
本文简略回顾了用于电动车辆牵引应用的电驱动系统，市售电驱动系统的设计趋势已然显现。从审查中可以显著看出，现代EV牵引驱动器正在显得愈发高效和高功率密度，但仍落后于DOE2025的功率密度目标。为了提升牵引驱动系统的功率密度，本文讨论了电驱动系统的几个方面。马达和逆变器的集成以及包含WBG元件的更小功率模块设计可以显着增加整个系统的容积。据悉，还讨论了分段逆变器拓扑以降低直流总线电容器电压挠度以及高能量密度电容器技术以降低无源器件容积。最后，讨论了马达设计方面以制造更小容积的马达。