一、新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率提升策略

01#電機(jī)篇

相同設(shè)計(jì)：800V平臺(tái)下，電機(jī)最大效率與400V差不多，電控效率會(huì)下降一些。今天重點(diǎn)講下提高電驅(qū)效率的方法，先講講電機(jī)。

相同設(shè)計(jì)：800V平臺(tái)下，電機(jī)最大效率與400V差不多，電控效率會(huì)下降一些。今天重點(diǎn)講下提高電驅(qū)效率的方法，先講講電機(jī)。

要想提高電機(jī)效率，就要降低電機(jī)的損耗，電機(jī)損耗大致分為鐵損，銅損，機(jī)械損耗。如下圖是永磁同步電機(jī)損耗隨著電機(jī)速度的關(guān)系圖，從圖中可以看出可以看到在鐵損和機(jī)械損耗占比是比較大的逐漸加大，隨著速度增長(zhǎng)，鐵損上升幅度較大。對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)機(jī)械損耗以及很難再降低了，下面著重講講降低銅損和鐵耗。

圖1 損耗隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化圖

1、如何降低銅損？

電機(jī)銅損耗由流經(jīng)銅繞組的電流發(fā)熱產(chǎn)生，在不考慮集膚效應(yīng)的前提下，銅耗公式如下：

其中I與m一般是確認(rèn)的，降低銅耗一般就是降低每一相的電阻。

首先，導(dǎo)線橫截面面積越大，電阻越小，因此采用扁銅線代替圓形可以降低銅損。

其次，電機(jī)銅線高出鐵芯高度是對(duì)性能沒(méi)有幫助，但是會(huì)增加每相電阻，因此降低H的高度能降低銅損。因此對(duì)比扁銅線方案I-pin和H-pin，H-pin的銅損相對(duì)較低。

圖2 電機(jī)繞組高出鐵芯高度示意圖

以上是不考慮集膚效應(yīng)的情況，那考慮集膚效應(yīng)呢？當(dāng)電流交變頻率過(guò)高時(shí)， 粗銅導(dǎo)線容易產(chǎn)生集膚效應(yīng)，即電流集中在導(dǎo)體表面。集膚效應(yīng)將使電流流經(jīng)導(dǎo)體的截面積減小，電阻增大，產(chǎn)生更多銅損耗。

以上總結(jié)，電流頻率越高，銅損就越大，車用永磁同步電機(jī)輸入的三相交流電經(jīng)逆變器形成，如果逆變器輸出電流波形的諧波成分越多，則產(chǎn)生更多的銅損耗。因此控制逆變器輸出波形的諧波含量也可以降低銅耗。

2、如何降低鐵損？

鐵損主要針對(duì)硅鋼片和永磁體，分為兩個(gè)部分，磁滯損耗和渦流損耗。

降低硅鋼片損耗：硅鋼片損耗主要時(shí)磁滯損耗和渦流損耗兩種，其公式如下：

其中Ph為磁滯損耗，Pe為渦流損耗，對(duì)應(yīng)的Kh為磁滯損耗系數(shù)，Ke為渦流損耗系數(shù)。

在電機(jī)設(shè)計(jì)確定后，Bmax是一定的，f和電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流諧波含量相關(guān)（可見(jiàn)控制器好壞很大程度也在影響電機(jī)損耗）。因此降低磁滯損耗系數(shù)Kh和渦流損耗系數(shù)Ke成為降低損耗的主要途徑。

Kh是根據(jù)硅鋼片生產(chǎn)廠商所提供的實(shí)測(cè)鐵損耗曲線用最小二乘法求得，如下圖，因此選用遲滯損耗低的鐵芯是降低鐵損重要途徑。

圖3 鐵芯損耗系數(shù)

Ke公式如下，以以下公式可知，硅鋼片越薄則渦流損耗系數(shù)越小，渦流損耗越低：

降低永磁體損耗：永磁體損耗主要是渦流損耗，硅鋼片通過(guò)減少單片厚度減小渦流密度，同樣永磁體也可以通過(guò)分段來(lái)達(dá)到降低渦流損耗目的。相對(duì)而言永磁體損耗在整個(gè)損耗占比是十分小的，大概是總體鐵耗十分之一。

圖4 分段式磁鋼示意圖

小結(jié)

以上介紹了降低銅損和鐵耗的方法，其實(shí)就電機(jī)而言能選擇的方法不多，畢竟考慮損耗的同時(shí)還要兼顧性能，因此相對(duì)而言降低控制器輸出的諧波含量對(duì)降低電機(jī)損耗十分重要。

02#

電控篇

相比于電機(jī)來(lái)說(shuō)電控的效率是非常高的，損耗來(lái)源也無(wú)非是IGBT和二極管這種發(fā)熱相對(duì)較大的電子元器件。

其實(shí)也可以這么說(shuō)，相比于效率，電控更加關(guān)注提高控制精度，降低諧波含量以及電驅(qū)安全功能。本篇除了講講提高電機(jī)控制器效率，隨便講解下影響控制器效率的幾個(gè)因素：

1、控制器損耗的組成

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗關(guān)系如下圖，電控的損耗包括：IGBT 開(kāi)關(guān)損耗，IGBT 導(dǎo)通損耗，二極管穩(wěn)態(tài)損耗，二極管反向恢復(fù)損耗。

IGBT 開(kāi)關(guān)損耗：

IGBT 導(dǎo)通損耗：

二極管穩(wěn)態(tài)損耗：

二極管反向恢復(fù)損耗：

式中，Eon 和 Eoff 分為每次開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷能量損耗，這由給定參考電壓的數(shù)據(jù)表提供；

fs為IGBT開(kāi)關(guān)頻率，ic 為導(dǎo)通電流；

tj 為結(jié)溫；

iL 為交流電電流峰值；

Uref 為 IGBT 阻斷狀態(tài)電壓；

iref 為通態(tài)電流；

UCE(SAT)為 IGBT 飽和壓降；

D 為 PWM 波占空比；

δ 為輸出電壓和輸出電流之間的相位差；

UCE 為二極管正向壓降；

iR為二極管恢復(fù)電流峰值；

tR 為反向恢復(fù)時(shí)間；

UCE(PK)為二極管恢復(fù)時(shí)兩端的峰值電壓。

2、影響電控效率的因素

這里講電控效率影響更加偏向硬件，即電控控制策略以及電機(jī)標(biāo)定處于同一水平。（電機(jī)標(biāo)定參數(shù)會(huì)影響到控制策略，同時(shí)影響整個(gè)電驅(qū)的效率）。

對(duì)上一節(jié)進(jìn)行分析可知，低的直流母線電壓和開(kāi)關(guān)頻率可降低逆變器損耗，但是直流母線電壓Udc是跟著整車平臺(tái)走的，不能變的；峰值電流iL是電機(jī)方案下來(lái)后確定的。因此目前提高控制器效率的比較有效的措施是在fs，Eon，Eoff這些參數(shù)下文章。下面是基于這兩個(gè)參數(shù)提供的提高效率的方法。

低速下降頻：低速在電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，三相電流頻率不高，此時(shí)可以采用 IGBT降頻的方式來(lái)提高電控在低速下的效率，當(dāng)然這點(diǎn)也需要綜合電驅(qū)NVH表現(xiàn)。

使用開(kāi)關(guān)損耗更低的SIC：目前隨著整車平臺(tái)電壓提高，IGBT的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)進(jìn)一步加大，因此目前更低導(dǎo)通損耗的SIC在高壓平臺(tái)上應(yīng)用的越來(lái)越廣，目前車規(guī)級(jí)SIC的國(guó)產(chǎn)化也是如火如荼的進(jìn)行，相信隨著SIC價(jià)格下降以及相關(guān)工藝（銀燒結(jié)）成熟，SIC的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。

小結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，在電機(jī)標(biāo)定水平，控制策略一定的情況下，在硬件上優(yōu)化電控效率的方法不多，所以不得不感慨軟件才是電控核心。

結(jié)尾再次強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：在談?wù)撾婒?qū)效率時(shí)候不能簡(jiǎn)單分解電機(jī)和電控，因?yàn)殡娍卦诤艽蟪潭壬鲜怯绊戨姍C(jī)效率的，因此如果電驅(qū)效率達(dá)不到要求，更應(yīng)該從電控中找原因，這也是為什么軟件才是電控核心，畢竟在硬件上挑戰(zhàn)就意味著成本的增加。