新能源汽车电驱动系统关键技术创新发展趋势

 
电子发烧友网报道（文/程文智） 在新能源汽车的BOM成本中，电池组的成本是最高的，其次就是电驱动系统的成本了，电驱动系统的成本包括电机与电控，电控部分包含了以功率半导体为主的逆变器成本。
 
那么作为新能源汽车中第二重要的部件，它的需求是什么，产业现状如何，关键技术有哪些，有什么发展趋势呢？
 

我国车用驱动电机技术需求

 
在不久前的一个汽车论坛上，来自上海电驱动有限公司的车辆事业集团首席技术官张舟云谈到了国内驱动电机技术的主要有六大需求。
 
一是低速时高转矩、高速时恒功率，具有宽调速范围。也就是说车辆起步的时候能够有高转矩，高速运行时能够进行恒功率输出，电机的调速范围能达到1：3到1：4以上；

二是高效率，即采用稀土永磁和电磁设计优化，使驱动电机最高效率可以达到97%以上，电机超过85%的高效率区达到85%以上；

三是高密度、小型轻量化、集成化。即采用液冷结构、高电磁负荷、高性能磁钢、高转速等技术，实现电机小型轻量化和高密度化，并要求实现电传动系统集成、电力电子集成；

四是可靠性、耐久性、免维护、可回收。由于车用电机处于振动大、冲击大、灰尘多、温度变化大的环境下运行，这就必然要求电机系统具有耐冲击、长寿命、免维护，以及可回收利用。

五是低振动噪声、电磁兼容与低成本。电动汽车NVH（振动噪声）和EMC/EMI技术是整车研发水平的重要衡量指标，电机成本的高低是决定电动汽车能否产业化的重要因素。这也是电机电控系统供应商的挑战所在，既要保证产品的低成本，还需要持续保持产品的性能不降低，还要持续投入新技术的研发。

六是智能化、自诊断与高安全性。这要求电机在运行过程中能够实现状态检测、自我诊断与故障预警及分即处理能力，还要具备高功能安全等级。
 

我国电驱动系统产业现状

在张舟云看来，驱动电机方面，我国驱动电机在功率密度、最高效率、峰值转速、绕组制造工艺、冷却散热技术等方面与国外相当；多家驱动电机企业产能达到数十万套级以上，部分产品批量出口欧美，比如精进电机就有些产品出口到了欧美国家。
 
在电力电子方面，五年前确实跟国际厂商之间有不少差距，但在最近五年，我国的车用电力电子控制器产品发展迅速，已经很接近国际厂商的水准了。我国的自主IGBT芯片、双面冷却IGBT模块封装、高功率密度电机控制器水平接近国外同类产品；碳化硅器件、全碳化硅控制器已经开始研发，自主封装碳化硅模块实现了量产。据比亚迪半导体有限公司芯片研发总监吴海平介绍，比亚迪在去年就推出了第三代SiC MOSFET模块，采用了超声波焊接和纳米银烧结技术，该产品已经在比亚迪最新的汉上得到是使用。其第四代SiC+双面散热型的SiC产品也正在研发当中。
 
目前Tesla的Model3也使用了SiC逆变器，张舟云认为现在的SiC逆变器价格还是偏贵的，但随着越来越多的车企使用，价格应该会降下来。他预计未来两三年会有越来越多的车企采用SiC产品。
 
在产业链方面，我国建立了电动汽车电驱动系统全产业链技术创新战略联盟，在关键材料和关键器件方面形成了自主的技术与产品，实现国产化替代和批量应用。

 

电驱动系统集成是发展趋势

在新能源技术应用过程中，驱动电机、电机控制器和减速器深度集成的电驱动一体化总成是新能源汽车领域的主要技术方向。目前，国外以博世、大陆汽车、麦格纳、吉凯恩、博格华纳、采埃孚等为代表的电驱动系统集成商推出了电驱动一体化总程产品。我国起步与国外基本同步，比如上海电驱动、精进电动、巨一、汇川、比亚迪、上汽变速器等均推出了三合一电驱动总成系统，最高转速达到13000~16000rpm，长安逸动EV460、比亚迪元EV360、广汽Aion S已批量上市，精进电动的三合一电驱动总成实现出口。
 

 
集成化带来的优势是十分明显的，不仅能够减小系统体积与质量，提升整车布置便利性，增加车内乘坐空间；系统间的能量损耗也有望进一步降低，整体效率大幅提升；而且由于壳体、连接件的省略，系统成本与价格将会显著下降；此外，也有利于模块化标准供货，缩短研发周期与匹配周期。
 
当然，集成化也是有一些弊端的，比如前期研发与匹配费用将会增加；NVH、可靠性、散热等技术指标挑战难度提升，对研发能力要求更高；而标准化供货也意味着定制化空间有限，车企需要做出更多妥协。
 
不过，整体来看，集成化电驱动/电控系统是利大于弊的，已经成为了新能源汽车技术发展趋势。
 
目前，电驱动系统的集成以三合一技术路线为主流，即将电机、电控（逆变器）与减速器集成为电驱桥，常见于插电混动和纯电动车上。电控系统的集成则倾向多合一模块，通常将变压器、车载充电机、加热器、功率分流模块等进行集成，甚至会将VCU(整车控制器)、MCU等包含在内。国内的北汽新能源、长安新能源、中车时代等开发了多种形式的多合一总成，其中北汽EMD（E-Motion Drive）3.0动力总成系统为代表的纯电多合一动力总成已经搭载在EU5系列车型上了。
 
随着未来纯电动车型的进一步渗透，集成化新能源模块的应用将愈加广泛。尤其是三合一的电驱动，由于其体积小、重量轻、成本低等核心优势，在合资车企和自主品牌未来的纯电平台车型上均将成为标配。
 
比如在2020年北京国际车展上，精进电动展示了其全新一代的三合一电驱动总成（EDM）实现了高度的集成化和轻量化，各个子总成也都达到了国际领先的技术水准。精进电动在电机和减速器上都采用了公司独到的“无泵油水复合冷却”技术，不但实现了高强度的冷却，也避免了油泵带来的效率损耗；结合高效电机和减速器的设计，该总成达到了行业突出的连续功率水平。
 
华为则展示了其多合一电驱动系统DriveONE，据华为展台技术人员介绍，这是业内首款超融合动力域解决方案，该系统通过电机、MCU、PDU、OBC、DCDC、减速器、BCU七大部件的高度集成，不仅实现了机械部件和功率部件的深度融合，还将智能化带入到电驱动系统中，实现了端云协同与控制归一。
 
广汽新能源则发布了高性能两挡双电机“四合一”集成电驱，实现了双电机、控制器和两挡减速器深度集成。据介绍，接下来埃安系列车型将搭载该项新技术，届时百公里加速用时缩短至2秒区间，刷新“中国最快的车”的加速记录。
 

电驱动系统关键创新技术

 
具体来说，电驱动系统的关键技术包括驱动电机、电力电子器件、高速减变速器等。
 
在高密度驱动电机方面，大众、沃尔沃、克莱斯勒等驱动电机最高转速在不断提升，最高达到了16000rpm，Tesla的Model 3电机达到了17900rpm。从绕组结构上看，发卡式绕组/扁导线绕组成为了明确的技术方向之一，目前通用、丰田和本田等企业在此类电机方面有投入，扁导线电机的电机功率密度可达到3.8~4.6kW/L。此外由于稀土材料的稀缺性，业内企业普遍在追求不用稀土或者少用稀土的电机产品。
 
在高密度电机控制器方面，芯片双面焊接和系统级封装是当前国外电机控制器主流封装形式，比如电装、博世、大陆等集成控制器功率密度已经达到了16~25kW/L。在双电机插电式混动和高功率乘用车应用领域，直流电压正呈现出从250V~450V提升到500V~800V的提升趋势中。
 

 
在电力电子器件方面，除了现在常用的IGBT和MOSFET功率器件外，最近最受关注的莫过于SiC器件在汽车上的使用。SiC器件的高温、高效和高频特性是实现电机控制器功率密度和效率持续提升的关键要素。目前丰田、日立和电产推出了全SiC PCU。丰田带载SiC PCU载工况下较IGBT PCU损耗降低了30%。Tesla采用标准的SiC器件并联方式，研制的大电流全SiC电机控制器已经在整车上开始使用了。据张舟云透露，我国中科院电工所、比亚迪、中车和精进电动等也研制了SiC电机控制器样机。其中，电工所的控制器功率密度达到了37.1kW/L@85℃。
 
在高速减速器方面，博格华纳、吉凯恩、麦格纳等开发出了14000~18000rpm的高速减速器。我国上汽变速器、重庆青山、比亚迪等自主减速器产品级最高转速在12000~14000rpm之间，其中有厂商正在开发16000rpm减速器产品。好消息是，我国正持续在轴承、齿轮等配套关键零部件方面加快开发，并强化电机和减速器的深度集成。
 
张舟云分享说，电驱动系统的关键创新技术还包括NVH性能的提升和EMC/EMI的优化。
 

 

 

结语

总的来说，电驱动一体化总成是新能源汽车的发展方向，我们还需要再深度耦合集成设计、高速减速器，以及轴承、齿轮等关键零部件开发方面持续投入，研发出更多技术创新，性能优异，又成本可控的产品。因为汽车产业其实对成本要求也是很高，企业如何在既保证低成本的情况下，制造出客户性能要求的产品来至关重要。

经过这些年的发展，其实我国的电驱动系统产业链已经取得了长足发展，国产化替代比例在逐渐上升中。

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