新能源电机的四个关键问题解析

永磁同步电机反电势E和转子磁链ψ的数学关系，即：

E=ψ*ω (V)

在永磁同步电机磁场定向控制中，电压方程如下：

上式中 ψ_f 即为转子磁链ψ。

在永磁同步电机高转速运行时可忽略定子绕组和d、q轴电感压降。对表贴式转子结构永磁同步电机来说，在不弱磁时Id=0；对内嵌式转子结构永磁同步电机来说，在不弱磁时忽略Id在q轴的分量，则以上电压方程可等效为下式：

上式和永磁同步电机反电势E的计算公式一致，即在不弱磁时当永磁同步电机反电势等于参考电压时，电机转速达到最大。根据SVPWM电压空间矢量合成示意图可知（如下图），在线性调试区参考电压最大值为正六边形内切圆，对应的相电压幅值为Udc/√3。

则在永磁同步电机实际控制中，知道转子磁链ψ和母线电压值Udc即可估算出在不弱磁情况下的电机最高转速，计算公式如下:

ω=Udc/√3/ψ

但在实际应用中，一般通过反电势系数Ke来计算此值。

我们知道了趋肤效应是导线自感所导致的一种现象，那两条导线之间的互感会导致传输线什么样的现象？

答案是：邻近效应。

▶  信号路径上电流与回流路径上电流的方向是相反的，回路电感=自感-互感。

▶  在高频电流中信号路径与回流路径中的电流分布靠的越近，它们所构成的回路面积就越小（互感越大），从而传输线回路电感就越小。

电流分布总是趋于低阻抗的路径流动，如果是直流电流呢？那么电感就毫无作用（Z = jωL = 0），所以此时电阻占据主要作用，所以电流就会按照最小电阻的路径来流动（电流平均布满整根导线，实现最低电阻）。

在永磁同步电机FOC中反电势系数Ke是一个很重要的参数，其为电机特性参数，可以反映电机本身的磁性特征。当一台永磁同步电机设计完成后，其磁性就已经确定了，即电机的反电势系数Ke就固定了。

实际上，表征永磁同步电机磁性特征有更直接的参数，即转子磁链ψ，在一台电机中，此值也是固定值。既然Ke和ψ都是固定值，那两者是不是存在一定关系？本文演示2个参数公式推导过程。

以上面展示的反电势测试波形图为例，线电压峰值为Up，频率为f，电机极对数为p，则：

E=ψ*ω (V)

上式中：

E：相反电势（V）；

ψ：转子磁链（Wb）；

ω：转子电角速度（rad/s）。

仍以上图为例，线电压（线反电势）峰值为Up，频率为f，则：

其中：

E=Up/√3 (V)

ω = 2pif (rad/s)

由以上计算公式可知，永磁同步电机转子磁链ψ和反电势系数Ke均可以由线反电势幅值Up和电机运行频率 f计算得到。因为电机转速越高其线反电势幅值Up和频率f越大，两者之比为固定值，也从侧面验证了转子磁链ψ和反电势系数Ke是固定值。

在探讨SiC时，我们不可避免地会将其与IGBT进行比较。

IGBT是一种双极型器件，适用于中高压和中低频的应用，而SiC则是一种宽禁带半导体材料，能够实现高耐压和高速的单极型MOSFET。与IGBT相比，SiC MOSFET在导通电阻、芯片面积、开关损耗、开关速度和工作温度等方面均表现出优势。尽管如此，IGBT在工艺成熟度、成本、封装选择和兼容性等方面仍具有竞争力。早在2018年特斯拉将碳化硅应用到其Model 3车型中，新能源车中一直使用的功率器件是IGBT。彼时，IGBT是新能源车电控系统的核心组成部分，被誉为新能源车的“心脏”。但随着特斯拉用48颗碳化硅芯片取代原有的84颗IGBT后，碳化硅在新能源车中的应用加速，随着800V高压的到来，IGBT在新能源车中的核心地位开始被动摇。

随着800V平台的到来（以实现在功率相同的情况下，通过抬高电池电压，减少流过的电流，减少发热损耗，以提高汽车的续航里程。），高压作为碳化硅的主要特点，在实施过程中也面临着很多挑战。800V高压在实施的过程中，需要注意以下潜在安全风险：

首先，电压提升至800V对于汽车“三电”系统的安全性也带来了很多挑战，空调压缩机、DCDC直流变换器、OBC车载充电机等各项应用场景必须能满足在800V高电压平台上的安全工作。

其次，随着电压的提升，平台的绝缘问题也需要加强，否则会发生漏电的情况。

最后，由于高电压是通过很多电池串联实现的，在高压及大电流工作环境下如何保证电池的安全，如何合理计算电池整体的续航里程并保证电池的使用寿命也需要更多关注。

但是，碳化硅作为新技术，从零到一的阶段需要一段时间的磨合期。虽然，特斯拉在2018年便在新能源汽车中采用了碳化硅，但实际上“这是一个非常大胆且冒险的操作”。此前，多方预测显示，碳化硅技术将于2025年左右才能达到上车标准，而特斯拉却将这一时间大大提前。

尽管距离碳化硅上车已经历4年，但如今达到车规级标准的碳化硅没有多少，且仍需要一定时间磨合才可大规模达到车规级标准。另外，成本的制约使碳化硅技术往往只能用在出货量较小的高端车型中。虽然碳化硅本身价格相比较于硅IGBT相对便宜，但是新材料、新技术往往需要更多的宣传力度，这部分额外成本也会增加碳化硅新能源汽车自身的成本。相比较于常规车型而言，高端车型有议价优势，因此高端车型中采用碳化硅的比例会更高。

其次，碳化硅新能源汽车属于新技术，在前期的发展过程中需要有磨合期，在这过程中会出现一些问题。而高端车型体量较小，若出现问题进行召回损失也比较小。以上两点原因也导致了现阶段碳化硅在新能源汽车领域难以大规模普及，短时间内也难以完全替代IGBT。

事实上，新能源到底是碳化硅还是IGBT，二者却不是“你死我活”的竞争状态。未来，二者在新能源汽车市场中的合作关系远远大于竞争关系。

本文综合自：ServoMan、牧神原地 、碳化硅技术研究等

来源：RIO电驱动