新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢

曲亞飛　毛紅生

摘 要：近年來，新能源汽車市場競爭愈發(fā)激烈。電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)乎整車的制造成本，影響整車性能。因此，新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)成為業(yè)內(nèi)研究熱點。文章通過研究新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)組成、市場規(guī)模、供貨模式，得出當前產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。分析電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)并研究其發(fā)展趨勢，對新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)企業(yè)的發(fā)展有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 電驅(qū)動系統(tǒng) 現(xiàn)狀 趨勢

1 引言

隨著經(jīng)濟與科技的發(fā)展，我國汽車銷量連年攀升。燃油汽車的增多加重了環(huán)境污染和能源消耗問題。為解決尾氣排放和石油資源依賴等問題，國家大力發(fā)展新能源汽車。新能源汽車企業(yè)發(fā)展迅速，逐漸形成了比亞迪、蔚來、小鵬汽車、理想汽車等品牌。隨著越來越多的企業(yè)進入，市場競爭日益激烈，相關(guān)企業(yè)只有降低生產(chǎn)成本，提高整車性能才能在大環(huán)境中獲得一席之地。作為制約新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵部件之一的電驅(qū)動系統(tǒng)，因其生產(chǎn)成本占整車生產(chǎn)成本的比例高，且直接影響整車性能，成為業(yè)內(nèi)研究的重點。本文對新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢作了分析，有利于個人和相關(guān)企業(yè)更好地了解電驅(qū)動系統(tǒng)。

2 新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 電驅(qū)動系統(tǒng)的組成、作用及工作原理

新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)是新能源汽車的關(guān)鍵部件[1]，包括：驅(qū)動電機、驅(qū)動電機控制器、變速器；能夠適應高溫、高濕、振動的復雜工作環(huán)境，提供電力轉(zhuǎn)換的同時實現(xiàn)對驅(qū)動電機的控制，最終通過精密機械零部件對外傳輸動力。對新能源汽車整車使用性能的動力性、操縱穩(wěn)定性、舒適性、經(jīng)濟性及安全性等性能指標有較大影響。新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理是把動力電池的電能轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動車輪的機械能。具體是電機控制器通過半導體功率器件的逆變作用把動力電池的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，輸入到電機三相輸入端，控制電機工作狀態(tài)，使其按需求的方向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩工作。電機轉(zhuǎn)動帶動減速器減速、增加輸出轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了從電能到機械能的轉(zhuǎn)變。

2.2 市場規(guī)模

近幾年新能源汽車銷量逐年攀升，尤其是在2020年至2022年，銷量更是呈爆發(fā)式增長。能源汽車發(fā)展的核心部件的電驅(qū)動系統(tǒng)也隨著新能源汽車的銷量增加而迎來了高速增長。2022年全年新能源乘用車電機累計搭載量為578萬套，同比增長77.6%。電控累計搭載量為576萬套，同比增長77%。三合一及多合一系統(tǒng)出貨量達到355.5萬套，同比增長98%，占總配套量的62%。其中多合一出貨量達到41.4萬套，占總配套量達到7%，開始初具規(guī)模。在新能源汽車的整車造車成本中，電驅(qū)動系統(tǒng)的成本占據(jù)很大的份額，是僅次于電池的核心部件。隨著新能源汽車的高速發(fā)展，電驅(qū)動系統(tǒng)未來有望達到千億規(guī)模。

2.3 供貨模式

隨著新能源汽車銷量的不斷增加，電驅(qū)動系統(tǒng)的市場規(guī)模逐年增大，技術(shù)革新的速度增加了企業(yè)的研發(fā)投入和生產(chǎn)成本。目前電驅(qū)動系統(tǒng)的供貨模式主要是車廠自供和第三方供貨[2]。對于布局新能源汽車領(lǐng)域較早的汽車企業(yè)，如：比亞迪、特斯拉等企業(yè)，通過建立車企的電驅(qū)動系統(tǒng)研發(fā)單位和配套生產(chǎn)廠，逐漸形成規(guī)模，以降低生產(chǎn)成本，增加市場競爭力。對于一些傳統(tǒng)的汽車企業(yè)，因其主要布局的是燃油汽車領(lǐng)域，短時間內(nèi)往新能源汽車領(lǐng)域進軍，會面臨很多技術(shù)難題，電動化進程需要循序漸進。因此，此類車企往往會選擇第三方供貨。第三方供貨商一直深耕電驅(qū)動系統(tǒng)這個領(lǐng)域，對技術(shù)和發(fā)展趨勢有更好的把握，推出的產(chǎn)品逐漸占據(jù)一定的市場份額。

3 新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電機高速化

隨著消費者對新能源汽車整車性能的要求越來越高，搭載普通的永磁同步電機的新能源汽車已經(jīng)無法滿足人們的用車體驗。企業(yè)為順應市場發(fā)展，對永磁同步電機進行高速化研發(fā)[3]，且已經(jīng)取得成功。目前，普遍認為高速永磁同步電機的轉(zhuǎn)子速度高于10000r/min，部分企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出最高轉(zhuǎn)速為20000r/min的永磁同步電機。

3.2 扁線電機開始使用

扁線電機與傳統(tǒng)電機相比，具有更高的槽滿率和更低的直流銅損[4]。此外，在散熱性和熱傳導等方面也優(yōu)于傳統(tǒng)電機。因此，業(yè)內(nèi)普遍認為扁線電機的應用能夠有效提高電機的功率密度。扁線電機的制造工藝復雜，對生產(chǎn)設備和銅線的要求高，且存在一定的技術(shù)門檻。近幾年，隨著企業(yè)研發(fā)和工藝水平的提高，扁線電機被越來越多的車企選擇，如圖1所示為英博爾扁線電機。

3.3 電驅(qū)集成化

系統(tǒng)集成化設計可以使整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，體積更小，質(zhì)量更輕，能夠有效降低生產(chǎn)成本，提升系統(tǒng)功率密度。目前，主流的做法是將電機、控制器以及減速器進行深度集成形成三合一電驅(qū)動系統(tǒng)[5]。經(jīng)過不斷的發(fā)展，三合一電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)水平顯著提高，越來越多的企業(yè)采用這一技術(shù)方案，如圖2所示是精進電動三合一電驅(qū)動系統(tǒng)。

4 相關(guān)企業(yè)電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)介紹

4.1 比亞迪汽車

比亞迪汽車是我國汽車行業(yè)起步較早的汽車品牌，隨著國家大力發(fā)展新能源汽車，在數(shù)年間逐漸成為我國新能源汽車領(lǐng)域?qū)嵙π酆竦钠髽I(yè)。憑借著20多年的技術(shù)積累，在電驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)與應用方面，比亞迪汽車已經(jīng)掌握了成熟的驅(qū)動電機、電機控制器等核心技術(shù)，并成功應用于生產(chǎn)的新能源汽車。比亞迪汽車在電驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)方面經(jīng)歷了三個階段，分別是e平臺1.0、e平臺2.0、e平臺3.0。e平臺1.0時期是分立式電驅(qū)動系統(tǒng)，電機和減速器二者共用殼體。e平臺2.0時期電控、電機和減速器三者集成，電機電控系統(tǒng)設計，高效率全局優(yōu)化。e平臺3.0時期電驅(qū)動系統(tǒng)八合一，包括電控、電機、減速器、OBC、DC-DC、PDU、VCU和BMC八合一，電磁場、結(jié)構(gòu)、傳動等多因素耦合設計，應用在海豚、元PLUS車型上。比亞迪電驅(qū)動系統(tǒng)e平臺3.0具有高效能的熱管理系統(tǒng)，主控及驅(qū)動芯片集成化，采用智能控制，扭矩響應時間縮短90%。公司旗下車型元Plus搭載了八合一動力總成，系統(tǒng)綜合效率高達89%，相同功率下體積減小20%，重量降低15%，功率密度和效率都處于全球頂尖水平。

4.2 精進電動

精進電動在北京擁有一個具有國際先進水平的新能源汽車電機研發(fā)、生產(chǎn)制造中心。公司在驅(qū)動電機、汽車傳動、電力電子、軟件控制和系統(tǒng)集成方面擁有先進、全面的技術(shù)研發(fā)實力。精進電動自2015年起嘗試進行電機和減速器深度集成的一體化設計，并于2017年實現(xiàn)了“二合一總成”的批量應用。2019推出適用于新能源乘用車及輕型商用車的三合一純電驅(qū)動系統(tǒng)，將OD220平臺電機、高速兩級減速器、高功率密度電機控制器三大件深度集成，整個系統(tǒng)的總重約95kg，降低了振動噪音，成本得到了有效控制。精進電動最新一代三合一電驅(qū)動系統(tǒng)包含一臺高效扁線電機，一臺高功率密度控制器（集成電子駐車模塊）和一個高扭矩、低噪音減速器。該產(chǎn)品具備高度集成化和輕量化優(yōu)勢，采用8層扁線電機、無泵油水復合冷卻、內(nèi)置聲學包等技術(shù)，可應用于各種乘用車、SUV和輕型商用車車型。該產(chǎn)品的峰值功率超過200kW，輸出扭矩超過4000Nm，輪端轉(zhuǎn)速達到1700轉(zhuǎn)/分，冷卻、降噪指標達到了全球領(lǐng)先水平。

4.3 英搏爾

公司主營產(chǎn)品為新能源汽車動力總成、電源總成以及驅(qū)動電機、電機控制器、車載充電機等新能源汽車動力域核心零部件。英博爾產(chǎn)品已開發(fā)四代，從單體零部件到三合一電驅(qū)動、到集成芯三合一、集成芯六合一，專注單管并聯(lián)技術(shù)，加強產(chǎn)品在體積、重量、功率密度及成本方面的優(yōu)勢。研發(fā)出的集成芯六合一總成，該技術(shù)成功實現(xiàn)了高壓配電盒、電機控制器、DC轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電機和車載充電機的高度集成化。具有小型化、重量輕、成本低、模塊化以及整車安裝簡單等優(yōu)勢。為整車廠不同車型提供整車電氣系統(tǒng)集成配套供應技術(shù)服務。合作客戶包括吉利汽車、長安汽車、一汽大眾等企業(yè)。與上一代產(chǎn)品相比，集成芯電驅(qū)動系統(tǒng)體積小30%，重量減輕了10-20%，整套系統(tǒng)成本也下降了10-20%。該產(chǎn)品實現(xiàn)電機與電機控制器同殼體一體化深度集成，重量為67kg，電機端蓋與減速器箱共端蓋，共水道設計，產(chǎn)品Z向高度降低，可實現(xiàn)前、后驅(qū)布置，電機三相繞組多點溫度檢測，可適應低溫工況。

5 新能源電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展趨勢

5.1 冷卻方式向油冷發(fā)展

電驅(qū)動系統(tǒng)的高度集成化，使得散熱問題成了業(yè)內(nèi)亟待解決的技術(shù)難題。目前，冷卻方式可分為風冷、水冷和油冷，水冷是目前主流的冷卻方式。但是，隨著高功率電機的技術(shù)水平不斷提高，傳統(tǒng)的水冷方式漸漸無法滿足電機的冷卻需求。經(jīng)過對產(chǎn)品的更新迭代和實際應用情況的分析，油冷系統(tǒng)因為結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效率高，將成為解決散熱問題的一種優(yōu)良方式。國外特斯拉等高端電動車已經(jīng)開始采用油冷電機技術(shù)，且未來電機向高功率密度發(fā)展是必然趨勢，高冷卻效率是十分必要的。但以目前的技術(shù)水平來說，實現(xiàn)油冷的難點在于合理的油路設計、供油模式、清潔度控制和各零部件之間的兼容性等。

5.2 碳化硅功率器件得到進一步應用

電機控制器是從蓄電池到電動機的能量傳輸與轉(zhuǎn)化的中樞與控制中心，對提高能源利用效率、提高輸出功率的可靠性與穩(wěn)定性起著關(guān)鍵的作用。其核心是功率電子器件的升級和性能提升，目前的技術(shù)路線已經(jīng)逐步由傳統(tǒng)SI基IGBT向SIC基MOSFET發(fā)展，并且還具有耐高壓、耐高頻、耐高溫等優(yōu)點。從產(chǎn)業(yè)鏈布局來看，國際知名功率器件廠商紛紛加大了對SIC MOSFET產(chǎn)品的研發(fā)投入和技術(shù)交流，并與上游材料廠商達成戰(zhàn)略合作關(guān)系，期望占據(jù)更多市場份額，比較典型的企業(yè)如意法、英飛凌等公司；具有獨立生產(chǎn)研發(fā)能力的大型車企也在布局碳化硅功率模塊的相關(guān)產(chǎn)品，如特斯拉、比亞迪。

5.3 電驅(qū)動系統(tǒng)向多合一集成

三合一電驅(qū)動系統(tǒng)性能好，效率更高成為當前的主流產(chǎn)品。為了降低生產(chǎn)成本，提高整車綜合性能，已經(jīng)有企業(yè)開始研發(fā)多合一電驅(qū)動系統(tǒng)的集成技術(shù)。如華為推出的多合一電驅(qū)動系統(tǒng)Drive ONE，該系統(tǒng)極大地優(yōu)化了整車空間，同時借助自身優(yōu)勢整合了多種先進技術(shù)，實現(xiàn)控制歸一和端云協(xié)同。集成后的多合一電驅(qū)動系統(tǒng)體積更小，結(jié)構(gòu)更加緊密，未來，隨著新能源汽車技術(shù)水平的不斷革新，多合一電驅(qū)動系統(tǒng)將會逐漸取代三合一電驅(qū)動系統(tǒng)。

6 結(jié)語

本文針對新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)進行了研究，主要分析了組成、市場規(guī)模及供貨模式，研究重點企業(yè)并分析了電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。隨著新能源汽車電驅(qū)動集成技術(shù)的不斷進步，油冷電機、碳化硅器件的進一步應用，我國新能源汽車的技術(shù)水平將不斷提升，促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)良好發(fā)展。

參考文獻：

[1]高超.新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望研究[J].內(nèi)燃機與配件，2021（17）.

[2]孟慶思，陳川，李宏偉.電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢研究[J].汽車實用技術(shù)，2021，46（09）.

[3]暴杰，胡晶，許重斌，趙慧超.電動汽車800 V電驅(qū)動系統(tǒng)核心技術(shù)綜述[J].汽車文摘，2023（01）：1-9.

[4]李全，暴杰，趙慧超，劉曉錄，趙晶.車用電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢及其技術(shù)要求[J].汽車實用技術(shù)，2021，46（23）：188-192.

[5]李剛.淺談新能源汽車三合一驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)劣勢[J].汽車與配件，2021（11）：44-47.