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浅析新能源汽车中电机驱动
浅析新能源汽车中电机驱动

电机驱动控制器作为新能源汽车中连接电池与电机的电能转换单元,是电机驱动及控制系统的核心。其中高性能功率半导体器件、智能门极驱动技术以及器件级集成设计方法的应用,将有助于实现高功率密度、低损耗、高效率电机控制器设计;同时,高性能、高可靠电机控制器产品,还要求具有高标准电磁兼容性(EMC)、功能安全和可靠性设计。

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我国地大物博,但是人均资源较匮乏、石化能源大量依赖进口、单位 GDP 能耗高,因此发展高效率的、基于电驱动技术的新能源汽车对我国能源安全具有重要的战略意义。同时,我国车用内燃机技术和西方发达国家一线厂商仍存在较大的差距,在未来 10 年内将难以实现赶超。考虑到我国当前电驱动技术和西方发达国家整体差距不大,因而大力发展基于电驱动技术的新能源汽车将是我国车企赶超西方一线车企、实现弯道超车的重要机遇。未来的 5 至 10 年,新能源汽车将进入黄金发展期,我国作为世界上最大的汽车市场,将面临新一轮产业界洗牌。

对新能源汽车而言,电池技术、电机技术、电机控制器技术被称为新能源汽车关键三电技术。在当前电池技术未能取得突破的前提下,提高电机驱动系统的效率、功率密度、安全性与可靠性成为新能源汽车电机驱动系统的主要研究方向,也是我国政府和企业进行政策制定和未来发展规划的重点对象。

  二、驱动控制器关键技术

  电机驱动控制器作为新能源汽车中连接电池与电机的电能转换单元,是电机驱动及控制系统的核心。其中高性能功率半导体器件、智能门极驱动技术以及器件级集成设计方法的应用,将有助于实现高功率密度、低损耗、高效率电机控制器设计;同时,高性能、高可靠电机控制器产品,还要求具有高标准电磁兼容性(EMC)、功能安全和可靠性设计。

  (一)功率半导体器件技术

  电机控制器的发展以功率半导体器件为主线,正从硅基绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、传统单面冷却封装技术,向宽禁带半导体(如 SiC、GaN 等)、定制化模块封装、双面冷却集成等方向发展。同时,得益于成熟的技术迭代,以及相比于宽禁带半导体器件更低的成本,硅基 IGBT 仍然是当前与未来较长时间内电机控制器产品的主要选择。

  在硅基 IGBT 芯片技术上,英飞凌科技公司针对新能源汽车市场高功率密度需求,已研发出 EDT2芯片技术,实现了 750V/270A IGBT 芯片量产,富士集团等日本厂商也都相继研发出了高功率密度 IGBT芯片技术,并已批量应用于汽车 IGBT 模块产品。此外,与硅基器件(如 IGBT、MOSFET 等)相比,SiC 器件属于第三代半导体材料功率器件,具有高热导率、耐高温、禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子漂移速率大等优势,结温耐受可以达到 225 ℃甚至更高,远高于当前硅基 IGBT 175 ℃的最高应用结温。SiC 器件开关速度更快,可应用于更高的开关频率,更适用于高速电机的控制。同时,相比硅基 IGBT,SiC 器件的开关损耗和导通损耗均大幅降低,有助于降低整车百千米耗电量,提升整车续航里程 。但是当前 SiC 器件成本仍远高于硅基IGBT,这成为阻碍 SiC 器件推广的重要因素。

  同时,铜线键合、芯片倒装、银烧结、瞬态液相焊接等新型封装技术可以提高 IGBT 功率模块的载流密度与寿命,因此也成为当前的研究热点。目前,电装、德尔福、英飞凌、株洲中车时代电气股份有限公司等已研制出基于双面冷却的 IGBT 模块与电机控制器产品,部分已随整车产品获得批量应用。基于硅基 IGBT 的电机控制器设计在未来相当长一段时间内仍将为市场的主流选择,硅基 IGBT器件芯片与功率模块封装技术将在不断的优化迭代中获得提升。

  (二)智能门极驱动技术

  门极驱动技术是电机控制器中高压功率半导体器件和低压控制电路的纽带,是驱动功率半导体器件的关键。IGBT 门极驱动除具有基本的隔离、驱动和保护功能外,还需结合 IGBT 自身特性,精确地控制开通和关断过程,使 IGBT 在损耗和电磁干扰(EMI)之间取得最佳的折衷 。

  智能门极驱动的两大主要特点分别为:主动门极控制和监控诊断功能。主动门极控制是根据工作运行环境和工况,对 IGBT 开关过程进行主动精细化最优控制的一种方法。主动门极控制技术是当前 IGBT应用领域的研究热点,其基本思路是把 IGBT 开通过程和关断过程分别划分为几个不同的阶段,针对某一问题只需对相应的阶段进行独立的门极调控,对其他参数产生很小的(甚至不产生)负面影响 。

  综上所述,智能门极驱动的应用,将有助于充分发挥功率半导体器件性能,如降低损耗、提升电压利用率等,并实现功率半导体器件的健康状态在线评估,满足电机控制器高安全性、高可靠性设计的目标。

  (三)功率组件的集成设计

  国际上典型的电机控制器产品为适应新能源汽车高功率密度、长寿命与高可靠性的要求,大多数的功率半导体模块封装均为定向设计 ,功率半导体器件与其他电子部件之间的界限日趋融合,基于器件的集成设计已成为新能源汽车电机控制器发展的新趋势。

  器件级集成设计技术主要分为物理集成与需求集成设计。物理集成设计是通过研究电机各个器件之间物理结构的集成设计方法,实现寄生参数、散热、机械强度等的平衡优化,实现机、电、热、磁等的最优设计,最终达到电机控制器高功率密度、高可靠性的设计目标。需求集成设计技术是指将整车和电驱动系统需求向前延伸至 IGBT 芯片设计、功率模块封装领域,根据整车设计与性能需求,建立以整车需求为导向,由系统向核心零部件自上而下的优化设计方法。其所带来的优势将是整车续航里程的增加或电池容量需求的降低。

  (四)其他关键技术

  除上文所述三大关键技术以外,还有下述几个关键技术需要在未来的新能源汽车产业引起重视。

  (1)EMC 与可靠性设计也是实现新能源汽车电机控制器产业化的关键技术。EMC 与可靠性设计是评价电力电子产品的关键指标。进行更有效的EMC 设计是业内一直在追寻的目标。其中,基于有限元分析的方法建立“元件 – 部件 – 控制器”的EMC 高频仿真模型,研究失效机理,并结合试验验证,最终实现电磁兼容的正向设计,将逐渐成为主流的技术路线。

  (2)汽车功能安全设计可以消除或显著降低由电子与电气系统的功能异常而引起的各类整车安全风险。当前电机控制器功能安全需求多为 ASIL C等级,但在未来,电机控制器功能安全需求或将提升为 ASIL D 级,这需要复杂度更高、冗余性更强、可靠性指标更高的电机控制器产品设计 。

  (3)电机控制器产品的可靠性设计。电机控制器作为新能源汽车的核心驱动单元,其可靠性指标直接影响着整车的驾乘体验与市场口碑。德国和美国汽车电子厂商联合提出了鲁棒性验证(RV)方法 ,该方法已经被英飞凌科技公司、博世集团广泛应用于半导体分立器件的可靠性设计分析,对于诸如电机控制器等的复杂系统,其适用性与有效性还在进一步探索中


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