面對成本壓力以及減重、控本的需求，設計師們正越來越多地考慮在電動汽車（EV）中集成逆變器與驅動單元。將逆變器直接集成到電機和變速箱中，可減小動力總成的尺寸、重量和布線復雜度，還能優化整個系統的熱管理，并通過簡化車輛裝配流程，潛在地簡化電動汽車制造過程。

牽引逆變器與驅動單元（電機）的集成有時被稱為 “電子軸”（eAxle）或 “動力總成集成”。然而，其在效率和封裝簡化方面的優勢背后，是一系列復雜的工程挑戰 —— 也就是說，要實現這些潛在優勢，需要周密的思考和大量的投入（見表格）。

逆變器-電機集成的熱管理挑戰

集成設計中的一個主要挑戰是熱管理。逆變器和電機都會產生熱量，但它們的冷卻需求和熱量曲線不同。逆變器需要從功率半導體（SiC/GaN）中快速均勻散熱，而電機則較慢且較笨重的部件（繞組、定子）散熱。

一種選擇是使用共享冷卻或雙循環冷卻系統。例如，采用燒結熱界面和浸式冷卻策略，并使用熱隔離屏障以避免單元間交叉加熱。

對于電動汽車集成驅動單元（逆變器、電機，有時還包括變速箱封裝為單一緊湊組件）而言，熱管理可以說是最關鍵的工程考量。熱管理的核心設計要求是：在峰值負載、環境高溫和有限氣流條件下，確保功率電子器件（碳化硅通常≤175°C；硅通常≤125°C）和電機部件（定子繞組通常≤180-200°C）均處于最佳溫度范圍，且長期使用無性能損失或熱疲勞。

另一個主要挑戰是熱密度不匹配。逆變器（尤其是基于SiC的逆變器）產生局部熱點，熱通量高（~100至300 W/cm2），而電機則通過體積散熱，主要來自定子繞組和轉子損耗。因此，任何共享冷卻回路都必須兼容兩種截然不同的熱量曲線，不能偏袒任何一個子系統。

還必須應對相互沖突的冷卻需求。逆變器模塊需要從芯片到冷板之間快速直接傳導冷卻（低熱阻路徑），而電機則受益于大面積暴露或流體冷卻以實現散熱。這可能使得使用雙環路或熱解耦設計變得不可避免。

另一個明顯的挑戰是空間限制。集成通常消除逆變器和電機殼體之間的空間，限制了傳統散熱器、絕緣體或冷卻渠道的空間。這意味著冷卻必須通過創新且緊湊的方法實現，比如嵌入式冷板、熱管，或使用油或制冷劑的直接流體浸沒。

另一個相關挑戰是熱串擾（見圖），其中一個域（例如電機高扭矩時）的熱量會使另一個域（逆變器模塊）溫度升高，即使它們負載較輕。這可以通過熱隔離層、獨立傳感器和主動熱管理邏輯來解決。

電動汽車的瞬態熱負荷變化很大。例如，在急加速或再生制動時，熱負荷會迅速激增。這意味著設計師應使用高熱導率、低熱質量的材料，以及相變材料或高速冷卻回路。

機械封裝與電磁干擾屏蔽

逆變器和電機的共封導致空間限制嚴格，增加了安裝的復雜度。因此，振動隔離變得更加具有挑戰性，并限制了連接器布線的選擇。此外，高速開關設備和電機繞組的近距離增加了電磁干擾（EMI）的風險。

這些挑戰可以通過集成屏蔽和地面策略、先進材料和PCB疊加進行電磁干擾和熱控制，以及在EMI安全區內為直流母線、柵極驅動器和控制板采用緊湊封裝來應對。

將功率模塊直接安裝在電機外殼上進行結構和熱集成，既簡單又堅固。考慮采用低電感型定制母線，在最小空間內承受高電流，以及彈性體支架或其他減震材料以保護敏感的電子組件。

電噪聲與寄生參數

逆變器中高dv/dt開關可能耦合電機繞組，導致共模電流、絕緣應力，甚至軸承劣化。此外，反相器和電機的集成有可能加劇寄生電感和電容耦合。

然而，這些挑戰部分可以通過使用具有受控開關配置文件的SiC或GaN器件來解決;采用屏蔽電纜布線、正確接地和共模扼流圈;并仔細設計逆變器和電機繞組拓撲的布局。還可考慮采用多層屏蔽策略，在外殼上采用導電涂層，并在開關部件周圍使用內部金屬隔板或法拉第籠。

在可能的情況下，優化PCB布局以最小化高頻電流環并最大化回程路徑對稱性。控制線和反饋線采用差分信號，并使用雙屏蔽電纜處理解析器和傳感器信號。

在靠近I/O端口和RC緩沖器（電阻器，用于減輕開關斷開時電感負載引起的電壓尖峰和振鈴）附近集成濾波器（如共模扼流圈和EMI濾波器）或柵極電阻也很有幫助，以減緩開關邊緣。

最后，盡量建立單點接地參考，避免星形或等勢鍵結設計的接地環。

控制復雜度

除了前述變頻與電機共存的諸多挑戰外，緊密集成也表明電機控制與電力電子技術的協同優化需求。這是因為這些系統更難獨立調試或調試。此外，熱狀態、扭矩需求和開關極限之間的動態相互作用必須實時管理。

模型預測控制（MPC）和自適應算法可以幫助克服這些挑戰，實時數字孿生或AI輔助調優也能發揮作用。

制造、可維修性與可靠性

電機與逆變器的結合意味著組件設計必須嚴格控制公差，尤其是熱界面和電磁干擾界面，更不用說裝配過程本身可能具有的挑戰性。同樣，現場維護可能會變得更加困難，因此實際的解決方案是更換整個單元，然后在維修站或工廠進行修復。

需要注意的是，逆變器功率電子器件和電機部件的失效模式和應力分布不同，整個單元的性能受限于其 “最薄弱” 的元件。

這些挑戰可以通過應用模塊化設計理念來解決，即部分子組件（如功率模塊或 PCB）仍可更換。

使用退化監測傳感器（振動、溫度、電壓等）以及預測性維護和故障隔離技術，也有助于使這兩個系統的集成更成功。