2016年10月14日科技部高新司發(fā)布《“新能源汽車”試點(diǎn)專項(xiàng)2017年度項(xiàng)目申報(bào)指南建議》，要求2017年重點(diǎn)項(xiàng)目，乘用車電機(jī)峰值功率密度≥4kW/kg(≥30秒),連續(xù)功率密度≥2.5kW/kg,電機(jī)最高效率≥96%,裝車應(yīng)用不低于25000臺;商用車電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩密度≥20Nm/kg(≥60秒),連續(xù)轉(zhuǎn)矩密度≥11Nm/kg,電機(jī)最高效率≥96%,裝車應(yīng)用不低于5000臺。因此，技術(shù)指標(biāo)的提高，從而影響著驅(qū)動電機(jī)技術(shù)路線的方向，推動驅(qū)動電機(jī)相關(guān)技術(shù)的升級。

永磁同步電機(jī)成主流，是否是未來趨勢？

據(jù)了解，永磁同步電機(jī)應(yīng)用越來越多，電壓等級不斷提高，轉(zhuǎn)速也越來越高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2017年第一批推薦目錄中，有150款車型搭載了永磁同步電機(jī)，占比81%；搭載交流異步電機(jī)的車型有33款車型，占比18%；未知2款車型。

由此可以看出，大部分車型選擇永磁同步電機(jī)。雖然特斯拉采用的是異步電機(jī)，行業(yè)人士認(rèn)為主要是出于成本因素和實(shí)際平均效率因素考慮，據(jù)悉，特斯拉Model3將會采用永磁同步電機(jī)。可以說永磁同步電機(jī)將會是大勢所趨！根據(jù)信息采集，目前國外知名的車企，如寶馬的ActiveHybrid與i3，豐田PruisIV與Leaf，特斯拉Model3，本田CivicHybrid，雪佛蘭Volt等都采用永磁同步電機(jī)。某證券所的資料顯示，如下表：

從表格上看，開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)勢較為明顯，開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制簡單、出力大，可靠性高，成本低，起動制動性能好，運(yùn)行效率高。但為什么其沒有被廣泛應(yīng)用在電動汽車上？主要因素在于1.脈動因素而導(dǎo)致的成本增加；2.脈動轉(zhuǎn)矩造成噪音；3.非線性嚴(yán)重。4.正在不斷探索和開發(fā)中。

從表格中看出，永磁同步電機(jī)功率密度高，可靠性高，功率因數(shù)高，較高的轉(zhuǎn)速范圍，調(diào)速控制性能好，具有較寬的調(diào)速范圍。永磁同步電機(jī)沒有勵(lì)磁損耗和散熱問題，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，體積比同功率的異步電機(jī)小15%以上。

而永磁同步電機(jī)比交流異步電機(jī)的優(yōu)勢在于：（1）效率高，更加省電；（2）功率因數(shù)高；（3）電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單靈活；（4）可靠性高；（5）體積小，功率密度大；（6）起動力矩大、噪音小、溫升低。如下如所示：

不過，永磁同步電機(jī)也有它的缺點(diǎn)，和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等，需要更多維護(hù)，給應(yīng)用帶來不便的缺點(diǎn)。相對于異步電動機(jī)而言，永磁同步電機(jī)則比較簡單，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好，但存在最大轉(zhuǎn)矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉(zhuǎn)速受限制，功率較小，成本高和起動困難等缺點(diǎn)。

SiC第三代寬禁帶功率器件成趨勢

SiC應(yīng)用于車用電驅(qū)動系統(tǒng)，其良好的高溫（結(jié)溫250℃以上）和高頻特性（開關(guān)頻率可達(dá)100kHz）有望為車用變流器帶來革命性變化?！丁靶履茉雌嚒痹圏c(diǎn)專項(xiàng)2017年度項(xiàng)目申報(bào)指南建議》資料顯示，對SiC第三代寬禁帶功率器有特別的要求，要求“寬禁帶電力電子模塊電流≥400A,電壓≥750V;電機(jī)控制器峰值功率密度≥30kW/L,匹配電機(jī)額定功率40-80kW,最高效率≥98.5%;產(chǎn)品裝車應(yīng)用不低于1000套。”

功率器件有四大類，即逆變器、轉(zhuǎn)換器(整流器)、直流斬波器DC/DC轉(zhuǎn)換器、矩陣轉(zhuǎn)換器。而功率器件最為重要的指標(biāo)是損耗，如碳化硅功率模塊與采用硅基IGBT的功率模塊相比，可將開關(guān)損失降低85%。

目前，國內(nèi)外半導(dǎo)體材料主要有Si（硅）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAS）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等。以Si為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體功率電子器件的發(fā)展已經(jīng)接近材料的極限，在摩爾定律的規(guī)律下已經(jīng)走過了50多年，不能滿足器件應(yīng)用不斷發(fā)展的要求，尋找新的半導(dǎo)體材料替代硅已經(jīng)成了近些年半導(dǎo)體發(fā)展的方向之一。而有著更高禁帶寬度的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料開始逐漸走向研究與應(yīng)用，最為前沿且成熟的技術(shù)就是SiC與GaN。

SiC肖特基二極管已經(jīng)有10年以上歷史，但SiCMOSFET、SiCJFET和SiCBJT近年才出現(xiàn)，GaN功率器件更是剛剛才在市場上出現(xiàn)。因此，相比而言，GaN要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要十幾年時(shí)間，甚至更長時(shí)間，而SiC實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化近在咫尺。

相對于Si而言，第三代半導(dǎo)體材料SiC與CaN的優(yōu)點(diǎn)更明顯，主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）從上表格可以看出，SiC與CaN帶隙都大于3.0eV,是Si的3倍左右。SiC與CaN器件禁帶寬度大于Si，大大降低了器件的泄漏電流，使其具有抗輻照的特性。

（2）SiC與CaN的工作溫度要大于Si，理論上SiC工作溫度可達(dá)到600℃，在高溫場合的優(yōu)勢明顯。

（3）從表格可以看出，絕緣擊穿場強(qiáng)度大，SiC擊穿場強(qiáng)度達(dá)到2MV/cm及以上，CaN擊穿場強(qiáng)度更高，為3.3MV/cm，是Si的十倍。這樣大大提高了功率器件的耐壓容量、工作頻率及電流密度，同時(shí)也大大降低了器件的導(dǎo)通損耗。

（4）從表格可以看出，SiC還由于有較高的飽和遷移速度和較低的介電系數(shù)，是Si的2倍，使得SiC器件具有好的高頻特性。

（5）從表格可以看出，SiC的熱導(dǎo)性為4.5W/cmK，要高于Si的熱導(dǎo)率，散熱性較好，提高SiC功率器件的功率密度和集成度。

根據(jù)藍(lán)皮書文摘，SiC器件應(yīng)用將呈現(xiàn)如下趨勢，一是提高開關(guān)頻率和母線電壓，一方面降低系統(tǒng)對電容、電感等無源器件的要求，另一方面允許電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，減小電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)控制器成本的進(jìn)一步壓縮；二是，提高功率器件的結(jié)溫，便于利用高溫冷卻液，或者應(yīng)用風(fēng)冷散熱方法，在降低散熱系統(tǒng)成本的同時(shí)，提升控制器功率密度；三是改進(jìn)芯片特性使之接近理論極限并提高成品率，減小芯片成本；四是改進(jìn)電磁兼容性能，對SiC器件引起的電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法進(jìn)行深入研究。

驅(qū)動系統(tǒng)集成化成未來趨勢

驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展，越來越朝著低成本、輕量化、小型化、高效率、集成化方向發(fā)展。而集成化為小型輕量化、低成本與高效率的最快實(shí)現(xiàn)成為可能。通常驅(qū)動系統(tǒng)集成化包括兩大類，按照藍(lán)皮書的歸類為機(jī)電集成與電力電子集成兩類。

藍(lán)皮書記載，機(jī)電集成主要包括電機(jī)與發(fā)動機(jī)總成或電機(jī)與變速箱的集成，其特點(diǎn)是通過高效/高速電機(jī)與高效傳動的集成，以提升驅(qū)動系統(tǒng)效率、功率密度，以降低成本。電力電子集成方面，主要基于ICBT器件、電容、高效散熱技術(shù)（如雙面冷卻）的高功率密度電力電子集成技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)車載電力電子系統(tǒng)的功率密度倍增，降低成本；電機(jī)控制器與車載充電機(jī)有機(jī)拓補(bǔ)集成，可實(shí)現(xiàn)大功率快速充電。同時(shí)，以數(shù)字控制為基礎(chǔ)，功能安全設(shè)計(jì)為目標(biāo)、電磁兼容為約束的高可靠性、多拓補(bǔ)組合的車載電力電子集成技術(shù)，向著滿足ISO26262的汽車工業(yè)產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。

隨著電機(jī)技術(shù)與控制技術(shù)的不斷升級，輪轂電機(jī)也廣泛應(yīng)用在電動汽車上。輪轂電機(jī)很早就被應(yīng)用在汽車上，如日本TEPCO公司1991年上市的IZA純電動汽車采用輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動。輪轂電機(jī)通過把電機(jī)集成在輪轂內(nèi)，高度集成化，其布置方便、動力控制靈活、易于實(shí)現(xiàn)制動和能量回收、能夠節(jié)省車身控制、車身設(shè)計(jì)自由度高、簡化傳動系統(tǒng)等優(yōu)勢，將是驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，DSP電動機(jī)控制芯片日益成熟，基于CAN總線的全數(shù)字控制系統(tǒng)成為電動汽車控制系統(tǒng)硬件組成的重要模式，電機(jī)控制系統(tǒng)集成技術(shù)也不斷成熟。而驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)將會朝著小型化、輕量化、易于產(chǎn)業(yè)化、高容量、高效節(jié)能、響應(yīng)迅速、調(diào)速性能好、可靠性高等發(fā)展。

總體而言，電動汽車電機(jī)技術(shù)未來將會重點(diǎn)發(fā)展永磁輪轂電機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)，尤其是永磁輪轂電機(jī)，并且結(jié)合第三代寬禁帶功率器件和電控系統(tǒng)同步發(fā)展。未來電動汽車電機(jī)將會朝著高效化、小型化、輕量化、集成化發(fā)展，價(jià)格更低，性能更高！