新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)關鍵技術創(chuàng)新發(fā)展趨勢

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/程文智） 在新能源汽車的BOM成本中，電池組的成本是最高的，其次就是電驅(qū)動系統(tǒng)的成本了，電驅(qū)動系統(tǒng)的成本包括電機與電控，電控部分包含了以功率半導體為主的逆變器成本。

那么作為新能源汽車中第二重要的部件，它的需求是什么，產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀如何，關鍵技術有哪些，有什么發(fā)展趨勢呢？

我國車用驅(qū)動電機技術需求

在不久前的一個汽車論壇上，來自上海電驅(qū)動有限公司的車輛事業(yè)集團首席技術官張舟云談到了國內(nèi)驅(qū)動電機技術的主要有六大需求。

一是低速時高轉(zhuǎn)矩、高速時恒功率，具有寬調(diào)速范圍。也就是說車輛起步的時候能夠有高轉(zhuǎn)矩，高速運行時能夠進行恒功率輸出，電機的調(diào)速范圍能達到1：3到1：4以上；

二是高效率，即采用稀土永磁和電磁設計優(yōu)化，使驅(qū)動電機最高效率可以達到97%以上，電機超過85%的高效率區(qū)達到85%以上；

三是高密度、小型輕量化、集成化。即采用液冷結構、高電磁負荷、高性能磁鋼、高轉(zhuǎn)速等技術，實現(xiàn)電機小型輕量化和高密度化，并要求實現(xiàn)電傳動系統(tǒng)集成、電力電子集成；

四是可靠性、耐久性、免維護、可回收。由于車用電機處于振動大、沖擊大、灰塵多、溫度變化大的環(huán)境下運行，這就必然要求電機系統(tǒng)具有耐沖擊、長壽命、免維護，以及可回收利用。

五是低振動噪聲、電磁兼容與低成本。電動汽車NVH（振動噪聲）和EMC/EMI技術是整車研發(fā)水平的重要衡量指標，電機成本的高低是決定電動汽車能否產(chǎn)業(yè)化的重要因素。這也是電機電控系統(tǒng)供應商的挑戰(zhàn)所在，既要保證產(chǎn)品的低成本，還需要持續(xù)保持產(chǎn)品的性能不降低，還要持續(xù)投入新技術的研發(fā)。

六是智能化、自診斷與高安全性。這要求電機在運行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)檢測、自我診斷與故障預警及分即處理能力，還要具備高功能安全等級。

我國電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

在張舟云看來，驅(qū)動電機方面，我國驅(qū)動電機在功率密度、最高效率、峰值轉(zhuǎn)速、繞組制造工藝、冷卻散熱技術等方面與國外相當；多家驅(qū)動電機企業(yè)產(chǎn)能達到數(shù)十萬套級以上，部分產(chǎn)品批量出口歐美，比如精進電機就有些產(chǎn)品出口到了歐美國家。

在電力電子方面，五年前確實跟國際廠商之間有不少差距，但在最近五年，我國的車用電力電子控制器產(chǎn)品發(fā)展迅速，已經(jīng)很接近國際廠商的水準了。我國的自主IGBT芯片、雙面冷卻IGBT模塊封裝、高功率密度電機控制器水平接近國外同類產(chǎn)品；碳化硅器件、全碳化硅控制器已經(jīng)開始研發(fā)，自主封裝碳化硅模塊實現(xiàn)了量產(chǎn)。據(jù)比亞迪半導體有限公司芯片研發(fā)總監(jiān)吳海平介紹，比亞迪在去年就推出了第三代SiC MOSFET模塊，采用了超聲波焊接和納米銀燒結技術，該產(chǎn)品已經(jīng)在比亞迪最新的漢上得到是使用。其第四代SiC+雙面散熱型的SiC產(chǎn)品也正在研發(fā)當中。

目前Tesla的Model3也使用了SiC逆變器，張舟云認為現(xiàn)在的SiC逆變器價格還是偏貴的，但隨著越來越多的車企使用，價格應該會降下來。他預計未來兩三年會有越來越多的車企采用SiC產(chǎn)品。

在產(chǎn)業(yè)鏈方面，我國建立了電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，在關鍵材料和關鍵器件方面形成了自主的技術與產(chǎn)品，實現(xiàn)國產(chǎn)化替代和批量應用。

電驅(qū)動系統(tǒng)集成是發(fā)展趨勢

在新能源技術應用過程中，驅(qū)動電機、電機控制器和減速器深度集成的電驅(qū)動一體化總成是新能源汽車領域的主要技術方向。目前，國外以博世、大陸汽車、麥格納、吉凱恩、博格華納、采埃孚等為代表的電驅(qū)動系統(tǒng)集成商推出了電驅(qū)動一體化總程產(chǎn)品。我國起步與國外基本同步，比如上海電驅(qū)動、精進電動、巨一、匯川、比亞迪、上汽變速器等均推出了三合一電驅(qū)動總成系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速達到13000~16000rpm，長安逸動EV460、比亞迪元EV360、廣汽Aion S已批量上市，精進電動的三合一電驅(qū)動總成實現(xiàn)出口。

集成化帶來的優(yōu)勢是十分明顯的，不僅能夠減小系統(tǒng)體積與質(zhì)量，提升整車布置便利性，增加車內(nèi)乘坐空間；系統(tǒng)間的能量損耗也有望進一步降低，整體效率大幅提升；而且由于殼體、連接件的省略，系統(tǒng)成本與價格將會顯著下降；此外，也有利于模塊化標準供貨，縮短研發(fā)周期與匹配周期。

當然，集成化也是有一些弊端的，比如前期研發(fā)與匹配費用將會增加；NVH、可靠性、散熱等技術指標挑戰(zhàn)難度提升，對研發(fā)能力要求更高；而標準化供貨也意味著定制化空間有限，車企需要做出更多妥協(xié)。

不過，整體來看，集成化電驅(qū)動/電控系統(tǒng)是利大于弊的，已經(jīng)成為了新能源汽車技術發(fā)展趨勢。

目前，電驅(qū)動系統(tǒng)的集成以三合一技術路線為主流，即將電機、電控（逆變器）與減速器集成為電驅(qū)橋，常見于插電混動和純電動車上。電控系統(tǒng)的集成則傾向多合一模塊，通常將變壓器、車載充電機、加熱器、功率分流模塊等進行集成，甚至會將VCU(整車控制器)、MCU等包含在內(nèi)。國內(nèi)的北汽新能源、長安新能源、中車時代等開發(fā)了多種形式的多合一總成，其中北汽EMD（E-Motion Drive）3.0動力總成系統(tǒng)為代表的純電多合一動力總成已經(jīng)搭載在EU5系列車型上了。

隨著未來純電動車型的進一步滲透，集成化新能源模塊的應用將愈加廣泛。尤其是三合一的電驅(qū)動，由于其體積小、重量輕、成本低等核心優(yōu)勢，在合資車企和自主品牌未來的純電平臺車型上均將成為標配。

比如在2020年北京國際車展上，精進電動展示了其全新一代的三合一電驅(qū)動總成（EDM）實現(xiàn)了高度的集成化和輕量化，各個子總成也都達到了國際領先的技術水準。精進電動在電機和減速器上都采用了公司獨到的“無泵油水復合冷卻”技術，不但實現(xiàn)了高強度的冷卻，也避免了油泵帶來的效率損耗；結合高效電機和減速器的設計，該總成達到了行業(yè)突出的連續(xù)功率水平。

華為則展示了其多合一電驅(qū)動系統(tǒng)DriveONE，據(jù)華為展臺技術人員介紹，這是業(yè)內(nèi)首款超融合動力域解決方案，該系統(tǒng)通過電機、MCU、PDU、OBC、DCDC、減速器、BCU七大部件的高度集成，不僅實現(xiàn)了機械部件和功率部件的深度融合，還將智能化帶入到電驅(qū)動系統(tǒng)中，實現(xiàn)了端云協(xié)同與控制歸一。

廣汽新能源則發(fā)布了高性能兩擋雙電機“四合一”集成電驅(qū)，實現(xiàn)了雙電機、控制器和兩擋減速器深度集成。據(jù)介紹，接下來埃安系列車型將搭載該項新技術，屆時百公里加速用時縮短至2秒?yún)^(qū)間，刷新“中國最快的車”的加速記錄。

電驅(qū)動系統(tǒng)關鍵創(chuàng)新技術

具體來說，電驅(qū)動系統(tǒng)的關鍵技術包括驅(qū)動電機、電力電子器件、高速減變速器等。

在高密度驅(qū)動電機方面，大眾、沃爾沃、克萊斯勒等驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速在不斷提升，最高達到了16000rpm，Tesla的Model 3電機達到了17900rpm。從繞組結構上看，發(fā)卡式繞組/扁導線繞組成為了明確的技術方向之一，目前通用、豐田和本田等企業(yè)在此類電機方面有投入，扁導線電機的電機功率密度可達到3.8~4.6kW/L。此外由于稀土材料的稀缺性，業(yè)內(nèi)企業(yè)普遍在追求不用稀土或者少用稀土的電機產(chǎn)品。

在高密度電機控制器方面，芯片雙面焊接和系統(tǒng)級封裝是當前國外電機控制器主流封裝形式，比如電裝、博世、大陸等集成控制器功率密度已經(jīng)達到了16~25kW/L。在雙電機插電式混動和高功率乘用車應用領域，直流電壓正呈現(xiàn)出從250V~450V提升到500V~800V的提升趨勢中。

在電力電子器件方面，除了現(xiàn)在常用的IGBT和MOSFET功率器件外，最近最受關注的莫過于SiC器件在汽車上的使用。SiC器件的高溫、高效和高頻特性是實現(xiàn)電機控制器功率密度和效率持續(xù)提升的關鍵要素。目前豐田、日立和電產(chǎn)推出了全SiC PCU。豐田帶載SiC PCU載工況下較IGBT PCU損耗降低了30%。Tesla采用標準的SiC器件并聯(lián)方式，研制的大電流全SiC電機控制器已經(jīng)在整車上開始使用了。據(jù)張舟云透露，我國中科院電工所、比亞迪、中車和精進電動等也研制了SiC電機控制器樣機。其中，電工所的控制器功率密度達到了37.1kW/L@85℃。

在高速減速器方面，博格華納、吉凱恩、麥格納等開發(fā)出了14000~18000rpm的高速減速器。我國上汽變速器、重慶青山、比亞迪等自主減速器產(chǎn)品級最高轉(zhuǎn)速在12000~14000rpm之間，其中有廠商正在開發(fā)16000rpm減速器產(chǎn)品。好消息是，我國正持續(xù)在軸承、齒輪等配套關鍵零部件方面加快開發(fā)，并強化電機和減速器的深度集成。

張舟云分享說，電驅(qū)動系統(tǒng)的關鍵創(chuàng)新技術還包括NVH性能的提升和EMC/EMI的優(yōu)化。

結語

總的來說，電驅(qū)動一體化總成是新能源汽車的發(fā)展方向，我們還需要再深度耦合集成設計、高速減速器，以及軸承、齒輪等關鍵零部件開發(fā)方面持續(xù)投入，研發(fā)出更多技術創(chuàng)新，性能優(yōu)異，又成本可控的產(chǎn)品。因為汽車產(chǎn)業(yè)其實對成本要求也是很高，企業(yè)如何在既保證低成本的情況下，制造出客戶性能要求的產(chǎn)品來至關重要。

經(jīng)過這些年的發(fā)展，其實我國的電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)取得了長足發(fā)展，國產(chǎn)化替代比例在逐漸上升中。

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