新能源汽车电驱系统效率提升方法解析
新能源汽车电驱系统效率提升方法解析
新能源汽车是指使用新型能源驱动的汽车，随着环境污染问题日益严重，新能源汽车的发展变得日益重要。新能源车型通过使用电力、氢气和内燃机等多种能源，旨在减少尾气排放和能源消耗。然而，新能源汽车的发展也面临着续航里程短、电池成本高、充电设施不完善等挑战。因此，提升新能源汽车的驱动效率成为当前汽车产业的重要发展方向。
新能源汽车的电驱系统技术发展趋势包括电机扁线化、油冷化、高速化迭代升级，以及轮边和轮毂电机的关注度提升。特别是扁线电机，因其高功率密度、轻量化和小型化的优势，成为提升新能源汽车驱动效率的重要手段。工信部和发改委提出规划，要在2025年实现乘用车功率密度大于4kW/kg，而当前行业平均功率大约在3.2-3.3kW/kg左右。
驱动电机效率提升
电机是新能源汽车驱动系统的核心部件，其效率直接影响整个驱动系统的性能。电机的损耗主要包括铁损、铜损和机械损耗。其中，铁损和铜损占比较大。降低铜损的方法包括采用扁铜线代替圆形铜线，以降低每一相的电阻；降低电机铜线高出铁芯的高度，减少每相电阻；控制逆变器输出波形的谐波含量，减少铜损耗。降低铁损的方法则包括选用迟滞损耗低的硅钢片，以及通过设计优化减少磁滞损耗和涡流损耗。
要想提高电机效率，简单来说就要降低电机的损耗，而电机损耗主要分为铁损，铜损，机械损耗。以永磁同步电机为例，如下图是永磁同步电机损耗随着电机速度的关系图，从图中可以看出可以看到在铁损和机械损耗占比是比较大的逐渐加大，随着速度增长，铁损上升幅度较大。对于电机来说机械损耗以及很难再降低了，下面着重讲讲降低铜损和铁耗。
图1 损耗随电机转速变化图
如何降低铜损？
电机铜损耗由流经铜绕组的电流发热产生，在不考虑集肤效应的前提下，铜耗公式如下：
其中I与m一般是确认的，降低铜耗一般就是降低每一相的电阻。
首先，导线横截面面积越大，电阻越小，因此采用扁铜线代替圆形可以降低铜损。扁线电机是将定子绕组中的传统圆柱形漆包铜线替换为加工成发卡状的矩形漆包铜扁线。这种技术可以更好地填充圆线电机中的大量空隙，提高槽满率和功率密度。相较于圆线电机，扁线电机的槽满率更高，填充铜量可增加20-30%，有望提升20-30%的功率。同时，定子铁芯和端部尺寸得以减小，使得电机尺寸也得以缩小。此外，扁线电机的铜耗相对较低，电机效率得以提升。根据上汽绿芯频道的评估，在WLTC工况/全转速的情况下，扁线电机比传统圆线电机的转换效率高1.12%/2.02%；在市区工况（低速大扭矩）下，两者效率值相差达到10%
其次，电机铜线高出铁芯高度是对性能没有帮助，但是会增加每相电阻，因此降低H的高度能降低铜损。因此对比扁铜线方案I-pin和H-pin，H-pin的铜损相对较低。
图2 电机绕组高出铁芯高度示意图
以上是不考虑集肤效应的情况，那考虑集肤效应呢？当电流交变频率过高时， 粗铜导线容易产生集肤效应，即电流集中在导体表面。集肤效应将使电流流经导体的截面积减小，电阻增大，产生更多铜损耗。
因此电流频率越高，铜损就越大，新能源汽车永磁同步电机输入的三相交流电经逆变器形成，如果逆变器输出电流波形的谐波成分越多，则产生更多的铜损耗。因此控制逆变器输出波形的谐波含量也可以降低铜耗。
如何降低铁损？
铁损主要针对硅钢片和永磁体，分为两个部分，磁滞损耗和涡流损耗。
降低硅钢片损耗：硅钢片损耗主要时磁滞损耗和涡流损耗两种，其公式如下：
其中Ph为磁滞损耗，Pe为涡流损耗，对应的Kh为磁滞损耗系数，Ke为涡流损耗系数。
在电机设计确定后，Bmax是一定的，f和电机转速和电流谐波含量相关（可见控制器好坏很大程度也在影响电机损耗）。因此降低磁滞损耗系数Kh和涡流损耗系数Ke成为降低损耗的主要途径。
Kh是根据硅钢片生产厂商所提供的实测铁损耗曲线用最小二乘法求得，如下图，因此选用迟滞损耗低的铁芯是降低铁损重要途径。
图3 铁芯损耗系数
Ke公式如下，以以下公式可知，硅钢片越薄则涡流损耗系数越小，涡流损耗越低：
降低永磁体损耗：永磁体损耗主要是涡流损耗，硅钢片通过减少单片厚度减小涡流密度，同样永磁体也可以通过分段来达到降低涡流损耗目的。相对而言永磁体损耗在整个损耗占比是十分小的，大概是总体铁耗十分之一。
图4 分段式磁钢示意图
小结
以上介绍了电机降低铜损和铁耗的方法，其实就电机而言能选择的方法不多，毕竟考虑损耗的同时还要兼顾性能，因此相对而言降低控制器输出的谐波含量对降低电机损耗十分重要。
电控效率提升
电控系统对电机效率也有重要影响。随着整车平台电压的提高，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的开关损耗会进一步加大。因此，一个是降低IGBT的损耗，另外就是采用更低导通损耗的SIC（碳化硅）在高压平台上应用越来越广。此外，通过优化电控系统的控制策略，如低速下降频、使用开关损耗更低的SIC等，也可以提高电控系统的效率。
其实也可以这么说，相比于效率，电控更加关注提高控制精度，降低谐波含量以及电驱安全功能。接下来我们来共同了解一下影响驱动电机控制器效率的几个因素：
控制器损耗的组成
电驱动系统损耗关系如下图，电控的损耗包括：IGBT 开关损耗，IGBT 导通损耗，二极管稳态损耗，二极管反向恢复损耗。
影响电控效率的因素
电控效率影响更加偏向硬件，即电控控制策略以及电机标定处于同一水平。（电机标定参数会影响到控制策略，同时影响整个电驱的效率）。
低的直流母线电压和开关频率可降低逆变器损耗，但是直流母线电压Udc是跟着整车平台走的，不能变的；峰值电流iL是电机方案下来后确定的。因此目前提高控制器效率的比较有效的措施是在fs，Eon，Eoff这些参数下。下面是基于这两个参数提供的提高效率的方法。
低速下降频：低速在电机低速运转时，三相电流频率不高，此时可以采用 IGBT降频的方式来提高电控在低速下的效率，当然这点也需要综合电驱NVH表现。
使用开关损耗更低的SIC：随着整车平台电压的提高，IGBT的开关损耗会进一步加大。因此，采用更低导通损耗的SIC器件在高压平台上应用越来越广。SIC器件具有更高的击穿电压、更低的导通电阻和更高的热导率，可以显著提高电控系统的效率。此外，SIC器件还具有更好的耐高温性能和抗辐射性能，适用于恶劣的工作环境。
优化控制策略：通过优化电控系统的控制策略，如低速下降频、采用先进的控制算法等，也可以提高电控系统的效率。例如，在低速运转时，可以采用IGBT降频的方式来提高电控在低速下的效率。同时，通过优化控制算法，可以减少电机的谐波损耗和电磁噪声，提高整车的NVH性能。
小结
总的来说，在电机标定水平，控制策略一定的情况下，在硬件上优化电控效率的方法不多，所以不得不感慨软件才是电控核心。
驱动系统整体优化
除了单独优化以外，驱动电机和驱动电控整体优化主要包含三个方面：高度集成化、智能能量管理以及采用双电机方案。
高度集成化
通过高度集成化，可以减少驱动系统的重量和体积，提高整体效率。例如，长安深蓝SL03采用的“七合一”深度融合超集电驱系统，将电机、电控和减速器等多个部件高度集成在一起，实现了重量降低10%、体积降低5%、效率提升4.9%、功率密度提升37%的优异性能。
智能能量管理
智能能量管理是通过实时监测和预测车辆的行驶状态，动态调整驱动系统的工作状态，以实现能量的最优分配和利用。例如，长安深蓝SL03搭载的原力智能增程系统，可以根据实时路况和导航信息，提前识别拥堵路段、爬坡路段、下坡路段等路况，从而控制增程器始终处于高效经济区域工作，保持电池始终处于极佳电量状态。这种智能能量管理策略可以显著提高驱动系统的效率，降低能耗。
采用双电机方案
双电机方案可以避免大功率单电机和逆变器的问题，并可通过合理使用策略提升动力系统的效率。根据某公司测试结果，相同总输出功率下双电机方案比单电机方案在城市/市郊路况下百公里电耗减少1%/3%。双电机方案还可以实现更灵活的动力分配和更高效的能量回收，进一步提高驱动系统的效率。
结论与展望
新能源汽车的驱动效率提升是当前汽车产业的重要发展方向。通过电机优化、电控优化和驱动系统整体优化等措施，可以有效提高新能源汽车的驱动效率。未来，随着科技的不断进步和新能源汽车市场的快速发展，新能源汽车的驱动效率将得到进一步提升。各种创新技术的应用和不断优化的设计理念将极大地推动新能源汽车行业的发展，为环保出行和可持续发展贡献力量。同时，政府政策的支持和消费者的认可也将推动新能源汽车市场的不断扩大和发展。