電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢研究

孟慶思，陳川，李宏偉

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 中汽數(shù)據(jù)有限公司，天津 300300）

電驅(qū)系統(tǒng)（電機、電控、變速器等）是新能源汽車的核心部件。發(fā)展初期，電驅(qū)動相比較成本高昂的動力電池在政策、企業(yè)和市場端受關(guān)注度普遍較低。但隨著補貼政策的逐步推出，產(chǎn)品進一步市場化，新能源汽車的動力性和能耗水平也成為衡量整車的重要指標(biāo)，電驅(qū)動技術(shù)越來越受到行業(yè)的普遍重視。

1 市場現(xiàn)狀

1.1 總體市場分析

作為市場的新入局者，新能源乘用車整體受政策和外界環(huán)境影響較大。從市場走勢來看，2017年和2018年產(chǎn)量同比均實現(xiàn)大幅增長，2018年單年產(chǎn)量突破百萬。2019年新能源汽車補貼退坡導(dǎo)致下半年市場表現(xiàn)不及預(yù)期，全年僅實現(xiàn)同比1.54%的微增。由于新冠狀肺炎疫情的影響，2020年1-5月新能源乘用車產(chǎn)量同比降低46.51%。電驅(qū)系統(tǒng)配套情況與新能源汽車市場同步發(fā)展態(tài)勢。

圖1 2017-2020年1-5月新能源乘用車產(chǎn)量走勢

1.2 電驅(qū)市場及供貨關(guān)系

我國電驅(qū)系統(tǒng)供應(yīng)鏈體系逐步建立，發(fā)展較為完善，多家自主企業(yè)具備獨立的研發(fā)和生產(chǎn)能力。2020年1-5月電機配套量前三的乘用車企業(yè)分別是比亞迪、特斯拉和蔚來，市場占比累計達到38%。

圖2 2017-2020年新能源乘用車產(chǎn)量走勢

從電機供應(yīng)模式來看，主要分為自產(chǎn)自銷、第三方供貨以及合資公司供貨三種模式。自產(chǎn)自銷的典型代表企業(yè)是比亞迪、特斯拉和蔚來，此類企業(yè)的特征有三，分別是先天具備電動化基因，資金實力較強且產(chǎn)品市場占有率較高。先天的基因注定此類企業(yè)是顛覆性的，在關(guān)鍵動力部件的布局上也較為完善；資金實力，有足夠的資本進行研發(fā)和投機建廠；高占有率有利于形成規(guī)模效應(yīng)，降低零部件的成本。其次是以第三方電機企業(yè)供應(yīng)為主，主要以華晨寶馬、廣汽等傳統(tǒng)企業(yè)為主，此類企業(yè)的特點是以傳統(tǒng)車為主，電動化過程是循序漸進逐步過渡式的，短期內(nèi)采用第三方企業(yè)產(chǎn)品就可以滿足需求。第三類以合資公司供貨的代表就是一汽大眾和上汽大眾。

圖3 電機供應(yīng)模式和關(guān)系

除了電機之外，電機控制器的供應(yīng)模式和市場格局與電機基本相似。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 永磁電機市場占比逐年提升

永磁同步電機和交流異步電機是電動車應(yīng)用最廣的兩種電機。永磁同步電機具有功率密度高；效率高；能耗低，高啟動轉(zhuǎn)矩、啟動時間較短等優(yōu)勢，但缺點在于成本高，高溫引發(fā)退磁現(xiàn)象等[1-2]。

從近幾年配套乘用車不同類型電機市場占比走勢來看，永磁同步電機市場占比提升明顯，從2017年的70.97%提升到了2019年的96.52%；2020年1-5月也達到95%以上。永磁同步電機成為絕對主力。市場的變化與近幾年電動汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系，前期小微型車在市場占主導(dǎo)，為了降低成本小微型車多配備交流異步電機；而隨著扶優(yōu)扶強政策的切換，緊湊型及以上車型開始占主導(dǎo)，為保證整車動力性，配套永磁同步電機的車型也越來越多。

圖4 2017-2020年1-5月新能源乘用車產(chǎn)量走勢

2.2 電機功率密度仍有較大提升空間

圖5 不同級別純電動轎車電機功率－質(zhì)量分布

圖6 不同級別純電動SUV電機功率－質(zhì)量分布

電機功率是衡量電機技術(shù)水平的重要指標(biāo)，圖5、圖6分別是不同級別純電動轎車和SUV配套電機的功率－質(zhì)量散點圖。從圖中可以看出，純電動轎車中微型轎車電機功率主要分布在25-50kW，質(zhì)量集中在20-40kg之間；緊湊型車功率主要分布在100-150kW，質(zhì)量40-60kg之間；中型車車型數(shù)量比較少，電機功率分布較散。對于純電動SUV，緊湊型和中型SUV質(zhì)量主要分布在50-60kg之間，中型車電機功率普遍略高在150kW上下。從散點分布看，配套轎車絕大多數(shù)電機均位于斜線下方，功率/質(zhì)量偏低。

2.3 扁導(dǎo)線電機得到進一步應(yīng)用

扁導(dǎo)線電機具有槽滿率高，低直流銅損，散熱性和熱傳導(dǎo)更好等優(yōu)勢，被認為是提升電機功率密度的有效手段。同時，扁導(dǎo)線繞組電機存在工藝復(fù)雜、趨膚效應(yīng)大、銅線要求高和設(shè)備要求高等特點，技術(shù)門檻相對較高。早在2007年，雪佛蘭Vlot采用雷米生產(chǎn)的扁導(dǎo)線電機技術(shù)，2015年豐田普銳斯采用電裝生產(chǎn)的扁導(dǎo)線電機。我國扁導(dǎo)線技術(shù)起步較晚，2017年上汽研發(fā)成功并應(yīng)用在熱門車型ERX5、Ei5等；2020年蜂巢開發(fā)的小型扁導(dǎo)線電機在歐拉R1上進行了裝配。精進電動研制了扁導(dǎo)線繞組乘用車電機樣機，功率密度達到4.4kW/kg以上。

2.4 電機控制器功率密度整體偏低

電機控制器是三電核心部件之一，是能量由電池到電機傳遞轉(zhuǎn)換的樞紐和控制核心，對于提升能量利用效率、輸出動力的可靠性和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的規(guī)劃，2020年控制器比功率實現(xiàn)15kW/L，2030年達到控制器比功率35kW/L。

根據(jù)純電動乘用車電控功率－體積散點圖來看，我國現(xiàn)階段電控功率密度整體偏低，絕大多數(shù)產(chǎn)品位于斜線以下，絕大多數(shù)產(chǎn)品功率密度不足10Wh/L，與技術(shù)路線圖規(guī)劃目標(biāo)存在一定的差距。

圖7 不同級別純電動轎車電控功率－體積分布

2.5 電驅(qū)集成化

目前比較主流的做法是將電機、控制器和減速器深度集成，形成三合一電驅(qū)方案[3]。

系統(tǒng)集成優(yōu)勢明顯，通過共用殼體、連接件等可以有效地減小電驅(qū)動系統(tǒng)的體積、降低系統(tǒng)總質(zhì)量，達到輕量化、節(jié)約成本等目的。電驅(qū)動系統(tǒng)的各個部件通過整合，整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，安裝尺寸和所占體積得到進一步縮減，系統(tǒng)功率密度得到有效提升。通過電驅(qū)系統(tǒng)的集成化實現(xiàn)成本的降低和技術(shù)提升。

但同時挑戰(zhàn)也非常大，在散熱方面需要對系統(tǒng)整體散熱通盤考慮，通過優(yōu)化冷卻系統(tǒng)、介質(zhì)以及流量等關(guān)鍵因素保證各零部件處于正常工作溫度區(qū)間。此外，高轉(zhuǎn)速帶來的NVH的挑戰(zhàn)、冷卻概念和軸承、EMC復(fù)雜性提高，以及跨零部件開發(fā)協(xié)同難度增加等。

表1 主流企業(yè)三合一電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用情況

3 發(fā)展趨勢

未來電驅(qū)系統(tǒng)趨勢主要圍繞“集成化”“高效化”“低成本”等維度發(fā)展。

3.1 電機

電機小型高效化和低成本是未來發(fā)展的重要方向。提升電機效率主要通過降低銅損和鐵損來實現(xiàn)。通過將繞組圓導(dǎo)線改為扁導(dǎo)線提升槽滿率是降低銅損的重要手段，隨著技術(shù)和工藝的不斷成熟，未來扁導(dǎo)線電機會得到更大規(guī)模的應(yīng)用。在降低鐵損方面，一味追求高的轉(zhuǎn)速并不是明智之舉，在提升電機的動力性同時也要兼顧鐵損的降低。

此外，伴隨著新能源汽車市場規(guī)模的不斷增加，低重稀土永磁材料的開發(fā)和應(yīng)用將是降低電機成本的關(guān)鍵手段。

3.2 電控

電控是電驅(qū)系統(tǒng)的“大腦”，核心功率器件SiC MOSTET憑借更高的導(dǎo)熱系數(shù)、高禁帶寬度等優(yōu)異性能有望在未來五到十年逐步替代傳統(tǒng)IGBT。從產(chǎn)業(yè)鏈布局情況來看，材料廠商如美國科銳、日本昭和電工、羅姆等公司紛紛加大SiC產(chǎn)能的布局；功率器件廠商如英飛凌、意法等公司也加大車規(guī)級SiC MOSTET產(chǎn)品的開發(fā)和布局，紛紛同上游材料廠商簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議；OEM廠如特斯拉已經(jīng)率先在Model 3裝配；豐田將2021年混動和氫燃料電池車將全面使用SiC，同時與電裝成立合資公司，布局車載半導(dǎo)體業(yè)務(wù)；我國比亞迪也在比亞迪漢EV進行了搭載，并計劃到2023年，旗下的電動車中實現(xiàn)SiC基車用功率半導(dǎo)體對硅基IGBT的全面替代。

3.3 減速器

電機減速器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)難度小，成本低等，但缺點也很明顯，當(dāng)汽車高速運行，電機轉(zhuǎn)速高，電機能量損失大，電耗大幅提高。通過多擋化設(shè)計以保證電機在不同工況下都能在較高效區(qū)工作，既保證了汽車的動力性，也提升了整車的節(jié)能效果。目前2級減速器已經(jīng)得到應(yīng)用，如寶馬i8采用了吉凱恩開發(fā)的2級減速器，長城P8、長安CS75 PHEV采用了舍弗勒開發(fā)的2級減速器。在純電動車型上，上汽榮威MARVEL X采用了后置雙電機配兩級變速器技術(shù)。隨著電動車體量的增大，對整車能耗水平的逐步加嚴以及多級減速器技術(shù)的不斷成熟，必將得到進一步的應(yīng)用。

4 總結(jié)

電動車市場的發(fā)展帶動電驅(qū)系統(tǒng)從市場規(guī)模到技術(shù)水平雙雙提升，扁導(dǎo)線技術(shù)、SiC功率模塊等前沿技術(shù)已經(jīng)得到 初步的應(yīng)用，在電機、電控的功率密度、成本等方面仍有較大的進步空間；一些關(guān)鍵材料如低損耗硅鋼、低無重稀土磁鋼、高速軸承、高線速度密封件以及功率器件基礎(chǔ)材料仍有待進一步突破和國產(chǎn)化。