郭少杰 王軍雷 夏天 呂惠

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

主題詞：新能源汽車 驅(qū)動電機 冷卻技術(shù) 專利分析

1 引言

目前新能源汽車驅(qū)動電機主要以直接驅(qū)動式為主，輪邊電機和輪轂電機存在較多技術(shù)難題，極少量產(chǎn)。直接驅(qū)動式電機又以直流電機、永磁同步電機、交流異步電機和磁阻電機為主，其中，直流電機在早期電動車輛中應(yīng)用較多，但其機械機構(gòu)較為復(fù)雜、過載能力差、轉(zhuǎn)速低、維修成本高且電磁干擾嚴重，已基本被淘汰；開關(guān)磁阻電機是近些年出現(xiàn)的一種新型電機，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、質(zhì)量輕、成本低、效率高且易于維修，非常適合車輛用驅(qū)動電機，但目前正在技術(shù)研究之中，基本不存在車輛量產(chǎn)應(yīng)用[1-3]。

當前驅(qū)動電機主要以永磁同步和交流異步為主，永磁同步電機由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、功率密度高、運行效率高，特別是在低速區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩大等特點，成為新能源汽車驅(qū)動電機的首選[4]。同時，交流異步電機也是新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)先選擇之一，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單可靠，材料與制造成本較低，低速區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩較大，且弱磁方便，具有很寬的恒功運行范圍[5-6]。以交流異步電機為例，電機結(jié)構(gòu)一般由軸承蓋、端蓋、接線盒、定子、轉(zhuǎn)子、軸承、冷卻系統(tǒng)、傳感器和罩殼部分構(gòu)成。當前對驅(qū)動電機系統(tǒng)的改進主要圍繞在定子、轉(zhuǎn)子和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，以提高驅(qū)動電機的功率密度、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩這3個核心參數(shù)[7-8]。

2 驅(qū)動電機各核心技術(shù)專利申請趨勢分析

本文使用的專利檢索數(shù)據(jù)庫為中國汽車技術(shù)研究中心有限公司自主研發(fā)的全球汽車專利數(shù)據(jù)庫，收錄了全球104個國家6 387萬余條汽車及相關(guān)領(lǐng)域的專利。專利選取范圍以申請日為入口，自2000年1月1日起，截至2019年9月31日。

對驅(qū)動電機定子、轉(zhuǎn)子和冷卻系統(tǒng)這3項核心技術(shù)進行專利申請趨勢分析，如圖1所示。轉(zhuǎn)子和定子領(lǐng)域的專利申請量在2000年至2011年期間整體處于快速發(fā)展階段，專利申請量在2001、2005和2008年雖有小幅回落，但隨后仍然保持增長勢頭；自2012年起轉(zhuǎn)子和定子技術(shù)進入技術(shù)成熟期，專利申請量上下波動，并有所下滑。對于冷卻系統(tǒng)來說，雖然2000年至2016年之間冷卻系統(tǒng)的專利申請量低于轉(zhuǎn)子和定子相關(guān)專利申請量，但在2014年至2017年這幾年間，冷卻系統(tǒng)的專利申請量則一直保持增長狀態(tài)，并且在2017年時冷卻系統(tǒng)的專利申請量超過了轉(zhuǎn)子和定子的專利申請量，說明全球范圍近年來對驅(qū)動電機冷卻系統(tǒng)研究的關(guān)注度更高。

圖1 驅(qū)動電機分技術(shù)領(lǐng)域全球申請量趨勢

3 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利分析

3.1 專利申請趨勢分析

截止至2019年9月31日，驅(qū)動電機冷卻技術(shù)相關(guān)專利申請全球2 451件，其中在中國申請1 078件，驅(qū)動電機冷卻技術(shù)在全球和中國范圍專利申請量趨勢如圖2所示。

圖2 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)全球和中國范圍專利申請量趨勢

從圖2中可以看出，受專利18個月公開期的影響，部分專利數(shù)據(jù)并未公開，2018～2019年專利申請量有所下滑。從全球?qū)＠暾埛植紒砜?，雖然存在部分年份專利申請量有所下降的情況，但是驅(qū)動電機冷卻技術(shù)相關(guān)專利申請整體處于增長狀態(tài)。驅(qū)動電機冷卻技術(shù)換代升級速度較快，自然冷卻、風(fēng)冷、水冷、油冷技術(shù)升級帶來驅(qū)動電機冷卻技術(shù)相關(guān)專利申請量的持續(xù)增長。

中國驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請自2001年起步，雖然起步較晚，但是作為新能源汽車的主要市場，我國驅(qū)動電機冷卻相關(guān)的技術(shù)快速發(fā)展，從圖2中的中國與全球?qū)＠暾埩口厔輰Ρ葋砜?，中國?qū)動電機冷卻技術(shù)相關(guān)專利申請緊跟全球技術(shù)升級節(jié)奏發(fā)展，并且中國專利申請量在全球申請總量中的占比越來越高，至2017年時中國驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請量已經(jīng)達到162件，占2017年全球驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請量282件的57.4%。

3.2 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請地域分布

以專利的目標申請國為入口，進行驅(qū)動電機冷卻技術(shù)地域分布分析，驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利進入國家主要集中在中、美、德、日、歐專局，如表1所示。

表1 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)國家分布情況

具體來看，中國驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請量達到869件，占比47%，我國《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中對驅(qū)動電機功率密度提出較高要求，而提高冷卻系統(tǒng)效率是提高驅(qū)動電機的功率密度的關(guān)鍵之一[9]。

美國和歐洲也是驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利的主要目標申請國，受益于完善的知識產(chǎn)權(quán)保護體系和相對開放的市場環(huán)境，各國企業(yè)均積極在美國和歐洲進行專利布局；日本也是驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利的主要目標申請國，不過經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)日本相關(guān)專利主要是本國申請人（如豐田、本田、日產(chǎn)、電裝等）申請，其他國家進入日本的專利總量較低，日本市場相對封閉。

3.3 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)申請人分析

驅(qū)動電機冷卻技術(shù)全球范圍主要申請人排名如圖3所示，申請量排名前10的企業(yè)依次是豐田、本田、博世、日產(chǎn)、現(xiàn)代、愛信、福特、通用、奧迪和比亞迪，排名前10的申請人專利申請總量相加達到967件，占全球申請總量的52.8%，驅(qū)動電機冷卻技術(shù)的專利申請較為集中。排名前10的申請人中有8名為主機廠，零部件供應(yīng)商僅有博世和愛信2名，驅(qū)動電機冷卻技術(shù)更多掌握在主機廠手中。豐田的專利申請量達到269件，是第2名本田的1.78倍，充分反映豐田對該技術(shù)的重視程度、研發(fā)投入和知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)出能力。國內(nèi)企業(yè)中僅有比亞迪在驅(qū)動電機冷卻技術(shù)上的全球?qū)＠暾埩颗琶?0，位列第10位。

圖3 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)全球范圍主要申請企業(yè)專利申請量排名

驅(qū)動電機冷卻技術(shù)中國范圍主要申請人排名如圖4所示，中國范圍內(nèi)驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請量排名前3的為豐田、本田和比亞迪。博世對于驅(qū)動電機冷卻技術(shù)相關(guān)專利的全球化布局較多，在中國的專利布局有所不足，僅排名第10位。另外可以看出，通用、現(xiàn)代等主機廠雖然推出電動汽車的時間較晚，但一直未放松驅(qū)動電機核心技術(shù)的研究和技術(shù)儲備，一旦準備轉(zhuǎn)型電動化則可以迅速起步。排名前10的國內(nèi)企業(yè)除比亞迪外還包括奇瑞、北汽新能源和長安，國內(nèi)企業(yè)在驅(qū)動電機冷卻技術(shù)上的國內(nèi)專利儲備已經(jīng)具備了與跨國企業(yè)競爭的實力，但專利向外輸出的能力還有所不足，全球?qū)＠暾埩颗琶^為落后。

圖4 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)中國范圍主要企業(yè)申請量排名

3.4 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)發(fā)明人分析

對驅(qū)動電機冷卻技術(shù)全球?qū)＠暾埌l(fā)明人分布情況進行分析，如表3所示。全球排名前10的發(fā)明人中沒有中國申請人，排名第1的發(fā)明人為TAKENAKA MASAYUKI，隸屬于愛信公司，自2003～2008年為愛信公司進行驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請，后期轉(zhuǎn)為對驅(qū)動電機控制及其他核心技術(shù)的研究。

排名第2的發(fā)明人為DEGNER MICHAEL W，隸屬于福特公司，自2011年起至2019年一直致力于驅(qū)動電機冷卻技術(shù)的研究，重點研究方向為驅(qū)動電機水冷技術(shù)領(lǐng)域。并列第2名的發(fā)明人KUTSUNA NARUHIKO與排名第1的發(fā)明人TAKENAKA MASAYUKI屬于愛信公司驅(qū)動電機冷卻技術(shù)的同一個研究團隊，大量專利申請2人作為共同發(fā)明人存在。

表3 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)全球?qū)＠暾埌l(fā)明人分布

3.5 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)分布分析

驅(qū)動電機冷卻技術(shù)按類型可以分為自然冷卻、風(fēng)冷、水冷和油冷這4大類。早期采用的自然冷卻技術(shù)，依靠驅(qū)動電機自身的熱傳遞實現(xiàn)散熱，冷卻效率差，電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不能過高，技術(shù)已被淘汰，因此不進行分析；風(fēng)冷技術(shù)通過散熱風(fēng)扇形成風(fēng)路循環(huán)，風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)帶走電動機產(chǎn)生的熱量，冷卻效果較好，且結(jié)構(gòu)簡單且成本低；水冷是通過管道將冷卻液與驅(qū)動電機發(fā)熱機構(gòu)貼合，冷卻效果優(yōu)于風(fēng)冷，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對密閉性要求較高；油冷技術(shù)則用于解決電機內(nèi)部熱源問題，水冷通常是將流道與電機機殼連接，電機內(nèi)部的線圈繞組、軸承的熱量需要層層傳遞到電機機殼后才可以被水冷結(jié)構(gòu)帶走，無法被直接冷卻，導(dǎo)致溫度堆積，形成局部熱點，油冷采用通過不導(dǎo)電的油作為冷卻劑，對繞組和軸承等驅(qū)動電機內(nèi)部組件進行冷卻。由于自然冷卻、風(fēng)冷、水冷和油冷屬于不同的冷卻技術(shù)領(lǐng)域，且相互之間沖突較小，在實際應(yīng)用中經(jīng)常采用2種或2種以上冷卻方法組合的方式來提高驅(qū)動電機的冷卻效率。

根據(jù)驅(qū)動電機冷卻技術(shù)和研發(fā)難點為核心，綜合考慮驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)、檢索可行性、行業(yè)分類習(xí)慣因素，剔除結(jié)構(gòu)相對簡單且研發(fā)關(guān)注較低的部分，最終確定驅(qū)動電機冷卻技術(shù)的技術(shù)分解，并對技術(shù)分布進行統(tǒng)計，如表2所示。

表2 驅(qū)動電機技術(shù)分解表

其中，風(fēng)冷技術(shù)占比15%，風(fēng)冷技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟且技術(shù)改進點較少，因此專利申請量占比不高；水冷技術(shù)是驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請量最多的技術(shù)領(lǐng)域，占比60%，水冷技術(shù)目前發(fā)展較為成熟，且在冷卻效果和成本上具有較好的綜合優(yōu)勢，目前市場上大部分驅(qū)動電機采用水冷技術(shù)進行冷卻；油冷技術(shù)占比24%，油冷技術(shù)為近年來發(fā)展的新技術(shù)，通過油作為冷卻劑可以對驅(qū)動電機內(nèi)部進行冷卻，提高冷卻效率，進而可以進一步提高驅(qū)動電機的功率密度，具有廣闊的發(fā)展前景。

3.6 驅(qū)動電機冷卻技術(shù)路線及核心專利解讀

驅(qū)動電機冷卻技術(shù)目前主流的技術(shù)分支包括風(fēng)冷、水冷和油冷技術(shù)，選擇各技術(shù)分支中具有代表性的核心專利進行解讀，用以說明驅(qū)動電機冷卻的各技術(shù)路線。

風(fēng)冷的核心技術(shù)主要是風(fēng)流流道設(shè)計，例如博世專利WO2018195788A1[10]中提出，開放壞境中，冷卻氣流衰減嚴重，導(dǎo)致電動機氣流通道下游不能被充分散熱，因此有人提出在電動機殼體上設(shè)置圓柱形罩筒避免冷卻氣流衰減，但同時會限制外部自然氣流與散熱翅片的接觸，降低散熱效率。因此WO2018195788A1提出可以在驅(qū)動電機外殼縱向延伸多個散熱翅片，相鄰散熱翅片之間形成縱向延伸的冷卻空氣流道，確保冷卻氣流流過整個冷卻氣流通道，同時散熱翅片可與與外部自然氣流接觸，提高散熱效率。

目前驅(qū)動電機常用的水冷技術(shù)主要以水套冷卻結(jié)構(gòu)為主，例如博世專利EP2404362A1[11]中提出在驅(qū)動電機殼體上具有可流通冷卻劑的通道，殼體包裹定子用以冷卻電機，其中，水冷流道的設(shè)計為水冷結(jié)構(gòu)研究的核心技術(shù)，特定的流道結(jié)構(gòu)（常見的結(jié)構(gòu)有：與冷卻液進出口并聯(lián)的圓周式圍繞電機殼體的圓周流道，與冷卻液進出口串聯(lián)的螺旋式圍繞電機殼體的螺旋流道）、不同流道數(shù)量和流道夾角對水冷技術(shù)冷卻性能影響較大。

值得注意的是，在水冷時，可以輔助填充導(dǎo)熱樹脂輔助驅(qū)動電機冷卻，例如日產(chǎn)專利JP2000014086A[12]中提出定子組件填充有熱傳遞效率良好的樹脂部分，樹脂外側(cè)作為水冷技術(shù)冷卻流道結(jié)合，通過樹脂降低內(nèi)部熱阻，進一步提高水冷技術(shù)的散熱效率。水冷與風(fēng)冷結(jié)合也是趨勢之一，例如北汽新能源專利CN205960887U[13]中提出，通過傳感器實時監(jiān)測水冷系統(tǒng)中冷卻液溫度，當冷卻液溫度較高時，液壓驅(qū)動散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，帶走水冷系統(tǒng)多余的熱量。

驅(qū)動電機油冷技術(shù)主要目的在于帶走驅(qū)動電機內(nèi)部線圈的熱量。傳統(tǒng)的空冷系統(tǒng)和外部水套冷卻系統(tǒng)無法直接接觸到驅(qū)動電機內(nèi)部的線圈結(jié)構(gòu)，冷卻效果較差。利用油具有不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁、非易燃、導(dǎo)熱好的特性，可以通過油對驅(qū)動電機內(nèi)部的繞組進行直接冷卻。油冷技術(shù)按領(lǐng)域可以分為定子冷卻和轉(zhuǎn)子冷卻，其中，轉(zhuǎn)子冷卻目前常用的是油冷軸技術(shù)，以及例如通用專利US7579725B2[14]提出具有內(nèi)腔和外腔的空心軸套，冷卻油從轉(zhuǎn)子軸內(nèi)腔的冷卻油通道流過，流到底部后改變流道進入外腔，并在外腔直接與轉(zhuǎn)子接觸，油在流過外腔時會帶走轉(zhuǎn)子的熱量。定子冷卻目前常用的技術(shù)有浸油冷卻和繞組噴淋冷卻，浸油冷卻指定子完全浸油，冷卻效率高但密封設(shè)計復(fù)雜；繞組噴淋冷卻指將油引入噴油環(huán)，把油噴到定子繞組表面來冷卻繞組，但存在無法完全覆蓋定子，導(dǎo)致冷卻不均勻的問題。豐田專利US20070278869A1[15]中提出在定子芯上側(cè)設(shè)置噴油口，定子芯下側(cè)設(shè)置排油口，通過蓋子構(gòu)成封閉式冷卻油流道，使得定子部分與冷卻油接觸，并設(shè)置流量控制單元，可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機的狀態(tài)來改變填充在冷卻流道中的流體線圈的浸沒水平。

當前，新能源汽車對驅(qū)動電機的功率密度參數(shù)要求日趨嚴格，對驅(qū)動電機冷卻效率的要求也越來越高，冷卻效率較高的油冷技術(shù)及多種冷卻技術(shù)結(jié)合應(yīng)用已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。

4 結(jié)論

目前，驅(qū)動電機冷卻技術(shù)已經(jīng)成為驅(qū)動電機各技術(shù)領(lǐng)域中專利申請量增長最快的技術(shù)領(lǐng)域，處于快速發(fā)展階段，并且中國已經(jīng)成為驅(qū)動電機冷卻技術(shù)最大的專利申請目標國，占比47%。

而從申請人看，驅(qū)動電機冷卻技術(shù)主要掌握在跨國主機廠和Tier1手中，國內(nèi)企業(yè)中僅比亞迪專利申請量位列全球第10位，另外奇瑞、北汽新能源和長安在國內(nèi)具有較多的驅(qū)動電機冷卻技術(shù)專利申請。國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該更加重視驅(qū)動電機冷卻技術(shù)在全球的專利布局，以防在“走出去”的時候受到知識產(chǎn)權(quán)的制約。綜合發(fā)明人分析，專利申請量排名前10的發(fā)明人中不存在中國發(fā)明人，還有待追趕。

驅(qū)動電機冷卻技術(shù)目前主要以風(fēng)冷、水冷和油冷技術(shù)為研發(fā)熱點，從專利上看，風(fēng)冷和水冷技術(shù)中流道的設(shè)計均十分重要，水冷技術(shù)出現(xiàn)與樹脂散熱和風(fēng)冷技術(shù)結(jié)合的發(fā)展趨勢，油冷技術(shù)雖然冷卻效果好，但結(jié)構(gòu)明顯更加復(fù)雜，多種冷卻技術(shù)之間有效結(jié)合來提高冷卻效率已成為重要的發(fā)展趨勢。