一、新能源汽車電驅動系統(tǒng)效率提升策略

01#電機篇

相同設計：800V平臺下，電機最大效率與400V差不多，電控效率會下降一些。今天重點講下提高電驅效率的方法，先講講電機。

相同設計：800V平臺下，電機最大效率與400V差不多，電控效率會下降一些。今天重點講下提高電驅效率的方法，先講講電機。

要想提高電機效率，就要降低電機的損耗，電機損耗大致分為鐵損，銅損，機械損耗。如下圖是永磁同步電機損耗隨著電機速度的關系圖，從圖中可以看出可以看到在鐵損和機械損耗占比是比較大的逐漸加大，隨著速度增長，鐵損上升幅度較大。對于電機來說機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 損耗隨電機轉速變化圖

1、如何降低銅損？

電機銅損耗由流經銅繞組的電流發(fā)熱產生，在不考慮集膚效應的前提下，銅耗公式如下：

其中I與m一般是確認的，降低銅耗一般就是降低每一相的電阻。

首先，導線橫截面面積越大，電阻越小，因此采用扁銅線代替圓形可以降低銅損。

其次，電機銅線高出鐵芯高度是對性能沒有幫助，但是會增加每相電阻，因此降低H的高度能降低銅損。因此對比扁銅線方案I-pin和H-pin，H-pin的銅損相對較低。

圖2 電機繞組高出鐵芯高度示意圖

以上是不考慮集膚效應的情況，那考慮集膚效應呢？當電流交變頻率過高時， 粗銅導線容易產生集膚效應，即電流集中在導體表面。集膚效應將使電流流經導體的截面積減小，電阻增大，產生更多銅損耗。

以上總結，電流頻率越高，銅損就越大，車用永磁同步電機輸入的三相交流電經逆變器形成，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？

鐵損主要針對硅鋼片和永磁體，分為兩個部分，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，對應的Kh為磁滯損耗系數(shù)，Ke為渦流損耗系數(shù)。

在電機設計確定后，Bmax是一定的，f和電機轉速和電流諧波含量相關（可見控制器好壞很大程度也在影響電機損耗）。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)硅鋼片生產廠商所提供的實測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，硅鋼片通過減少單片厚度減小渦流密度，同樣永磁體也可以通過分段來達到降低渦流損耗目的。相對而言永磁體損耗在整個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

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

02#

電控篇

相比于電機來說電控的效率是非常高的，損耗來源也無非是IGBT和二極管這種發(fā)熱相對較大的電子元器件。

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

1、控制器損耗的組成

電驅動系統(tǒng)損耗關系如下圖，電控的損耗包括：IGBT 開關損耗，IGBT 導通損耗，二極管穩(wěn)態(tài)損耗，二極管反向恢復損耗。

IGBT 開關損耗：

IGBT 導通損耗：

二極管穩(wěn)態(tài)損耗：

二極管反向恢復損耗：

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

fs為IGBT開關頻率，ic 為導通電流；

tj 為結溫；

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為二極管恢復電流峰值；

tR 為反向恢復時間；

UCE(PK)為二極管恢復時兩端的峰值電壓。

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標定處于同一水平。（電機標定參數(shù)會影響到控制策略，同時影響整個電驅的效率）。

對上一節(jié)進行分析可知，低的直流母線電壓和開關頻率可降低逆變器損耗，但是直流母線電壓Udc是跟著整車平臺走的，不能變的；峰值電流iL是電機方案下來后確定的。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。下面是基于這兩個參數(shù)提供的提高效率的方法。

低速下降頻：低速在電機低速運轉時，三相電流頻率不高，此時可以采用 IGBT降頻的方式來提高電控在低速下的效率，當然這點也需要綜合電驅NVH表現(xiàn)。

使用開關損耗更低的SIC：目前隨著整車平臺電壓提高，IGBT的開關損耗會進一步加大，因此目前更低導通損耗的SIC在高壓平臺上應用的越來越廣，目前車規(guī)級SIC的國產化也是如火如荼的進行，相信隨著SIC價格下降以及相關工藝（銀燒結）成熟，SIC的應用會越來越廣。

小結

總的來說，在電機標定水平，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。

結尾再次強調一點：在談論電驅效率時候不能簡單分解電機和電控，因為電控在很大程度上是影響電機效率的，因此如果電驅效率達不到要求，更應該從電控中找原因，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。