淺析新能源汽車中電機(jī)驅(qū)動(dòng)
我國地大物博，但是人均資源較匱乏、石化能源大量依賴進(jìn)口、單位 GDP 能耗高，因此發(fā)展高效率的、基于電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的新能源汽車對我國能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。同時(shí)，我國車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)和西方發(fā)達(dá)國家一線廠商仍存在較大的差距，在未來 10 年內(nèi)將難以實(shí)現(xiàn)趕超。考慮到我國當(dāng)前電驅(qū)動(dòng)技術(shù)和西方發(fā)達(dá)國家整體差距不大，因而大力發(fā)展基于電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的新能源汽車將是我國車企趕超西方一線車企、實(shí)現(xiàn)彎道超車的重要機(jī)遇。未來的 5 至 10 年，新能源汽車將進(jìn)入黃金發(fā)展期，我國作為世界上最大的汽車市場，將面臨新一輪產(chǎn)業(yè)界洗牌。
對新能源汽車而言，電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、電機(jī)控制器技術(shù)被稱為新能源汽車關(guān)鍵三電技術(shù)。在當(dāng)前電池技術(shù)未能取得突破的前提下，提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率、功率密度、安全性與可靠性成為新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要研究方向，也是我國政府和企業(yè)進(jìn)行政策制定和未來發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)對象。
二、驅(qū)動(dòng)控制器關(guān)鍵技術(shù)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器作為新能源汽車中連接電池與電機(jī)的電能轉(zhuǎn)換單元，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)的核心。其中高性能功率半導(dǎo)體器件、智能門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及器件級集成設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，將有助于實(shí)現(xiàn)高功率密度、低損耗、高效率電機(jī)控制器設(shè)計(jì);同時(shí)，高性能、高可靠電機(jī)控制器產(chǎn)品，還要求具有高標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容性(EMC)、功能安全和可靠性設(shè)計(jì)。
(一)功率半導(dǎo)體器件技術(shù)
電機(jī)控制器的發(fā)展以功率半導(dǎo)體器件為主線，正從硅基絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、傳統(tǒng)單面冷卻封裝技術(shù)，向?qū)捊麕О雽?dǎo)體(如 SiC、GaN 等)、定制化模塊封裝、雙面冷卻集成等方向發(fā)展。同時(shí)，得益于成熟的技術(shù)迭代，以及相比于寬禁帶半導(dǎo)體器件更低的成本，硅基 IGBT 仍然是當(dāng)前與未來較長時(shí)間內(nèi)電機(jī)控制器產(chǎn)品的主要選擇。
在硅基 IGBT 芯片技術(shù)上，英飛凌科技公司針對新能源汽車市場高功率密度需求，已研發(fā)出 EDT2芯片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 750V/270A IGBT 芯片量產(chǎn)，富士集團(tuán)等日本廠商也都相繼研發(fā)出了高功率密度 IGBT芯片技術(shù)，并已批量應(yīng)用于汽車 IGBT 模塊產(chǎn)品。此外，與硅基器件(如 IGBT、MOSFET 等)相比，SiC 器件屬于第三代半導(dǎo)體材料功率器件，具有高熱導(dǎo)率、耐高溫、禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、飽和電子漂移速率大等優(yōu)勢，結(jié)溫耐受可以達(dá)到 225 ℃甚至更高，遠(yuǎn)高于當(dāng)前硅基 IGBT 175 ℃的最高應(yīng)用結(jié)溫。SiC 器件開關(guān)速度更快，可應(yīng)用于更高的開關(guān)頻率，更適用于高速電機(jī)的控制。同時(shí)，相比硅基 IGBT，SiC 器件的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗均大幅降低，有助于降低整車百千米耗電量，提升整車?yán)m(xù)航里程 。但是當(dāng)前 SiC 器件成本仍遠(yuǎn)高于硅基IGBT，這成為阻礙 SiC 器件推廣的重要因素。
同時(shí)，銅線鍵合、芯片倒裝、銀燒結(jié)、瞬態(tài)液相焊接等新型封裝技術(shù)可以提高 IGBT 功率模塊的載流密度與壽命，因此也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。目前，電裝、德爾福、英飛凌、株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司等已研制出基于雙面冷卻的 IGBT 模塊與電機(jī)控制器產(chǎn)品，部分已隨整車產(chǎn)品獲得批量應(yīng)用。基于硅基 IGBT 的電機(jī)控制器設(shè)計(jì)在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)仍將為市場的主流選擇，硅基 IGBT器件芯片與功率模塊封裝技術(shù)將在不斷的優(yōu)化迭代中獲得提升。
(二)智能門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)
門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)是電機(jī)控制器中高壓功率半導(dǎo)體器件和低壓控制電路的紐帶，是驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵。IGBT 門極驅(qū)動(dòng)除具有基本的隔離、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能外，還需結(jié)合 IGBT 自身特性，精確地控制開通和關(guān)斷過程，使 IGBT 在損耗和電磁干擾(EMI)之間取得最佳的折衷 。
智能門極驅(qū)動(dòng)的兩大主要特點(diǎn)分別為：主動(dòng)門極控制和監(jiān)控診斷功能。主動(dòng)門極控制是根據(jù)工作運(yùn)行環(huán)境和工況，對 IGBT 開關(guān)過程進(jìn)行主動(dòng)精細(xì)化最優(yōu)控制的一種方法。主動(dòng)門極控制技術(shù)是當(dāng)前 IGBT應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其基本思路是把 IGBT 開通過程和關(guān)斷過程分別劃分為幾個(gè)不同的階段，針對某一問題只需對相應(yīng)的階段進(jìn)行獨(dú)立的門極調(diào)控，對其他參數(shù)產(chǎn)生很小的(甚至不產(chǎn)生)負(fù)面影響 。
綜上所述，智能門極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，將有助于充分發(fā)揮功率半導(dǎo)體器件性能，如降低損耗、提升電壓利用率等，并實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件的健康狀態(tài)在線評估，滿足電機(jī)控制器高安全性、高可靠性設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
(三)功率組件的集成設(shè)計(jì)
國際上典型的電機(jī)控制器產(chǎn)品為適應(yīng)新能源汽車高功率密度、長壽命與高可靠性的要求，大多數(shù)的功率半導(dǎo)體模塊封裝均為定向設(shè)計(jì) ，功率半導(dǎo)體器件與其他電子部件之間的界限日趨融合，基于器件的集成設(shè)計(jì)已成為新能源汽車電機(jī)控制器發(fā)展的新趨勢。
器件級集成設(shè)計(jì)技術(shù)主要分為物理集成與需求集成設(shè)計(jì)。物理集成設(shè)計(jì)是通過研究電機(jī)各個(gè)器件之間物理結(jié)構(gòu)的集成設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)寄生參數(shù)、散熱、機(jī)械強(qiáng)度等的平衡優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、熱、磁等的最優(yōu)設(shè)計(jì)，最終達(dá)到電機(jī)控制器高功率密度、高可靠性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。需求集成設(shè)計(jì)技術(shù)是指將整車和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求向前延伸至 IGBT 芯片設(shè)計(jì)、功率模塊封裝領(lǐng)域，根據(jù)整車設(shè)計(jì)與性能需求，建立以整車需求為導(dǎo)向，由系統(tǒng)向核心零部件自上而下的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。其所帶來的優(yōu)勢將是整車?yán)m(xù)航里程的增加或電池容量需求的降低。
(四)其他關(guān)鍵技術(shù)
除上文所述三大關(guān)鍵技術(shù)以外，還有下述幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要在未來的新能源汽車產(chǎn)業(yè)引起重視。
(1)EMC 與可靠性設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)新能源汽車電機(jī)控制器產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)。EMC 與可靠性設(shè)計(jì)是評價(jià)電力電子產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)。進(jìn)行更有效的EMC 設(shè)計(jì)是業(yè)內(nèi)一直在追尋的目標(biāo)。其中，基于有限元分析的方法建立“元件 – 部件 – 控制器”的EMC 高頻仿真模型，研究失效機(jī)理，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)電磁兼容的正向設(shè)計(jì)，將逐漸成為主流的技術(shù)路線。
(2)汽車功能安全設(shè)計(jì)可以消除或顯著降低由電子與電氣系統(tǒng)的功能異常而引起的各類整車安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前電機(jī)控制器功能安全需求多為 ASIL C等級，但在未來，電機(jī)控制器功能安全需求或?qū)⑻嵘秊?ASIL D 級，這需要復(fù)雜度更高、冗余性更強(qiáng)、可靠性指標(biāo)更高的電機(jī)控制器產(chǎn)品設(shè)計(jì) 。
(3)電機(jī)控制器產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)。電機(jī)控制器作為新能源汽車的核心驅(qū)動(dòng)單元，其可靠性指標(biāo)直接影響著整車的駕乘體驗(yàn)與市場口碑。德國和美國汽車電子廠商聯(lián)合提出了魯棒性驗(yàn)證(RV)方法 ，該方法已經(jīng)被英飛凌科技公司、博世集團(tuán)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體分立器件的可靠性設(shè)計(jì)分析，對于諸如電機(jī)控制器等的復(fù)雜系統(tǒng)，其適用性與有效性還在進(jìn)一步探索中