李全，暴杰，趙慧超，劉曉錄，趙晶

車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及其技術(shù)要求

李全1,2，暴杰1,2，趙慧超1,2，劉曉錄1,2，趙晶1,2

（1.中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130013）

車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、傳動(dòng)裝置的分離型式到輕度物理集成再到深度功能集成。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐步向體積小、重量輕、剛度強(qiáng)、成本低、效率高、功率密度高、電磁兼容性好等多重優(yōu)勢(shì)方向發(fā)展，通過“機(jī)?電?磁?熱”集成設(shè)計(jì)滿足更高的整車車速和續(xù)駛里程，提升NVH指標(biāo)需求。結(jié)合先進(jìn)材料工藝，各項(xiàng)精細(xì)化設(shè)計(jì)、制造裝備水平提升更好地實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)，主要在高轉(zhuǎn)速多檔傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（減/變速器）開發(fā)、功率密度提升、驅(qū)動(dòng)效率提升、NVH指標(biāo)及EMC能力等級(jí)提升、功能安全提升、平臺(tái)化模塊化設(shè)計(jì)方面集中發(fā)力。

電驅(qū)動(dòng)；高功率密度；高效率；高轉(zhuǎn)速；低成本；集成化；模塊化

引言

車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、傳動(dòng)裝置、電子駐車控制單元等組成。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換，一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁場(chǎng)，另一種是由永磁體來產(chǎn)生磁場(chǎng)[1]。國內(nèi)新能源汽車配套電機(jī)以交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)為主，由于永磁同步電機(jī)具有功率密度高、體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)更高、恒功率調(diào)速范圍寬、且振動(dòng)噪音小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為主流技術(shù)方案。電機(jī)控制器是通過對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的PWM控制技術(shù)[2]，將電池直流電壓轉(zhuǎn)化為電機(jī)所需的幅值、頻率可調(diào)的三相對(duì)稱交流電壓，其中功率電子器件的升級(jí)與性能提升為其核心，當(dāng)前技術(shù)路線逐步由傳統(tǒng)SI基IGBT向SIC基MOSFET發(fā)展，且具有耐高壓、耐高頻、耐高溫等優(yōu)勢(shì)。傳動(dòng)裝置是通過多級(jí)單擋減速或多級(jí)多檔減速優(yōu)化電機(jī)側(cè)到輪端的動(dòng)能轉(zhuǎn)換過程，滿足整車輪端轉(zhuǎn)速及扭矩需求，且未來逐步向高速化方向發(fā)展，并強(qiáng)化電機(jī)和減速器的深度集成。電子駐車控制單元是通過電子控制方式使執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)停車制動(dòng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿集成棘輪棘爪結(jié)構(gòu)，同時(shí)將根據(jù)整車不同的駐車控制策略及技術(shù)方案進(jìn)行選配。

車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常采用鋁合金輕量化殼體材質(zhì)，通過“機(jī)-電-磁-熱”集成向高速、高效、低噪聲方向發(fā)展，滿足更高車速和續(xù)駛里程要求，但集成化也有諸多難點(diǎn)，如更強(qiáng)的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性、以及EMC和NVH改善等方面。由于多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通用性比較差，不便于適配多樣化的整車平臺(tái)，因此如果單一車型產(chǎn)量有限，則會(huì)導(dǎo)致采購制造成本上升，抵消共用元器件帶來的降本效果。未來的一體化電驅(qū)系統(tǒng)將以電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器集成為主要發(fā)展方向，且發(fā)展到一定階段后將與多合一集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、分布式輪轂/輪邊電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并存。

1 發(fā)展形勢(shì)及宏觀環(huán)境分析

如今我國的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈從上到下的深度貫穿式發(fā)展，國內(nèi)自主研發(fā)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如功率密度、系統(tǒng)效率等指標(biāo)均位居國際前列，但與國際領(lǐng)先產(chǎn)品尚有部分差距，技術(shù)層面體現(xiàn)在，關(guān)鍵技術(shù)尚未完全成熟，產(chǎn)品可靠性、安全性、一致性、穩(wěn)定性等尚不能完全滿足用戶日益提高的整車品質(zhì)追求。產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈建設(shè)層面，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)層級(jí)國產(chǎn)自給率較高，但內(nèi)部核心零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝及其設(shè)備的獲得與實(shí)現(xiàn)重度依賴國外資源，優(yōu)勢(shì)供應(yīng)商集中分布在美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)，自給率極低，尚未完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，進(jìn)口替代的空間巨大。

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年我國新能源汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到124.2萬輛和120.6萬量，其中新能源乘用車和商用車分別占比87.8%和12.2%，作為新能源汽車核心部件的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器，國內(nèi)相關(guān)配套企業(yè)已具備較為充分的國產(chǎn)化配套能力，產(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)初步顯現(xiàn)[3]。

新能源汽車的發(fā)展離不開政策的扶持，更離不開技術(shù)的革新。為實(shí)現(xiàn)新能源汽車制造彎道超車，針對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)面向2035年發(fā)展愿景實(shí)施三步走策略如下圖1所述。

圖1 2035年發(fā)展愿景三步走策略

為實(shí)現(xiàn)2035年發(fā)展愿景，接軌國際先進(jìn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，制定分階段電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)目標(biāo)如下表1所示。

表1 分階段電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)目標(biāo)[3-4]

具體指標(biāo)2025年2030年2035年 系統(tǒng)集成度輕度集成中度集成深度集成 系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速/RPM18 00020 00025 000 系統(tǒng)工況效率/CLTC87%88.5%90% 電機(jī)比功率/（kW/kg）567 系統(tǒng)采購成本/（RMB/kW）706050 系統(tǒng)NVH主觀評(píng)價(jià)7分以上7.5分以上8分以上

整車平臺(tái)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求指標(biāo)主要圍繞高性價(jià)比、小型輕量化、低噪音、高效率、安全智能、模塊化搭載方面，未來提高系統(tǒng)集成度、轉(zhuǎn)速和電壓等級(jí)，新型功率電子、控制平臺(tái)、材料工藝創(chuàng)新升級(jí)、整車系統(tǒng)級(jí)方案創(chuàng)新是主要的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

2 車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)趨勢(shì)及其要求

結(jié)合近3年國內(nèi)外電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，國內(nèi)量產(chǎn)產(chǎn)品在電機(jī)比功率、電驅(qū)最高效率等指標(biāo)與國外同時(shí)期量產(chǎn)產(chǎn)品接近，在重量和轉(zhuǎn)速指標(biāo)上還有一定差距，如下表2和表3所示的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

表2 國外電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[3,5]

對(duì)比維度大陸EMRLGE IPGM寶馬四代博世MEBLeaf 2018Model3 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩/Nm270340250310320416 電機(jī)峰值功率/kW120110125150110165 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速/（r/min）14 0009 22011 40016 00010 50017 900 標(biāo)稱母線電壓/Vdc315350330388340370 電機(jī)比功率/（kW/kg）3.444.033.814.43.624.5 電驅(qū)最高效率/%929292939394 電驅(qū)總重量/kg828380.59290.190 成熟度（SOP時(shí)間）/年201920182014201920182017

表3 國內(nèi)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[3]

對(duì)比維度產(chǎn)品1產(chǎn)品2產(chǎn)品3產(chǎn)品4產(chǎn)品5產(chǎn)品6 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩/Nm320300320300320330 電機(jī)峰值功率/kW140160150145～150150180 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速/（r/min）12 00015 00016 00012 80014 00014 000 標(biāo)稱母線電壓/Vdc350410340350396671 電機(jī)比功率/（kW/kg）4.14.9估4 估4估4.2 電驅(qū)最高效率/%93939392.59293 電驅(qū)總重量/kg82.59094809293 成熟度（SOP時(shí)間）/年201820202020201920192018

通過五個(gè)維度對(duì)同時(shí)期國內(nèi)外量產(chǎn)純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心技術(shù)進(jìn)行深入對(duì)比，如下表4所述。

表4 國內(nèi)外電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心技術(shù)對(duì)比

對(duì)比維度對(duì)比分析國內(nèi)產(chǎn)品國外產(chǎn)品 系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)集成深度接近，需與整車協(xié)同攻關(guān)實(shí)現(xiàn)底盤電動(dòng)化深度融合êêêêêê 高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)開發(fā)特斯拉最高轉(zhuǎn)速已達(dá)到17 900 r/min，國內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)商品化規(guī)模應(yīng)用êêêêê 功率密度提升國產(chǎn)最新量產(chǎn)或在研電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)比功率均達(dá)4 kW/kg以上，處于國際先進(jìn)êêêêêê 驅(qū)動(dòng)效率提升特斯拉SiC分立器件市場(chǎng)化，系統(tǒng)最高效率高達(dá)94%左右，高于國產(chǎn)系統(tǒng)1%êêêêê 平臺(tái)化與模塊化國產(chǎn)通用性、擴(kuò)展性設(shè)計(jì)略弱，規(guī)模效應(yīng)不足，核心零部件無國產(chǎn)替代資源，成本控制有差距êêêêê

2.1 系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)未來更深層次的集成將集中在熱管理系統(tǒng)的策略、算法集成、大規(guī)模電路拓?fù)浼梢约岸喙δ芙Y(jié)構(gòu)及裝配工藝集成方面，且逐步由三合一向多合一方向發(fā)展，典型如華為多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)DriveONE是業(yè)內(nèi)首款超融合動(dòng)力域解決方案。該系統(tǒng)通過電機(jī)控制器（MCU）、電機(jī)、減速器、車載充電機(jī)（OBC）、電壓變換器（DC/DC）、電源分配單元（PDU）及電池管理系統(tǒng)主控單元（BCU）七大部件的高度集成，不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械部件和功率部件的深度融合，同時(shí)借助傳統(tǒng)業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)，將電力電子技術(shù)、智能化技術(shù)、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)端云協(xié)同與控制歸一。七合一動(dòng)力總成極大優(yōu)化整車空間，減少接口連接部件，官方發(fā)布功率密度達(dá)到2.1 kW/kg?？v觀國外產(chǎn)品，將高壓模塊與電機(jī)控制器集成，在寶馬四代等產(chǎn)品已進(jìn)行市場(chǎng)化應(yīng)用，未來國產(chǎn)集成方案需要接受市場(chǎng)的檢驗(yàn)。

2.2 高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)開發(fā)

提高轉(zhuǎn)速，降低轉(zhuǎn)矩需求，是開發(fā)體積更小、功率密度更高的電機(jī)的另一可行技術(shù)途徑。隨著轉(zhuǎn)速的提高對(duì)傳動(dòng)部件性能以及旋轉(zhuǎn)件強(qiáng)度要求更高，主要集中在高速軸承、高速油封、高強(qiáng)度硅鋼以及磁鋼注塑工藝、動(dòng)平衡工藝等。

當(dāng)前SKF公司已開發(fā)適用于新能源領(lǐng)域高轉(zhuǎn)速系列軸承，其最高轉(zhuǎn)速能夠滿足18 000 r/min，并在特斯拉Model 3等電驅(qū)系統(tǒng)量產(chǎn)應(yīng)用。高轉(zhuǎn)速意味著更高的線速度，對(duì)關(guān)鍵動(dòng)密封件如油封等部件的要求也更加苛刻，NOK等公司已有相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證。為滿足高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子強(qiáng)度要求，寶鋼、首鋼相繼推出高強(qiáng)度無取向硅鋼，優(yōu)化材料工藝匹配產(chǎn)品性能。在裝配工藝方面，內(nèi)置式永磁體的固定設(shè)計(jì)也要考慮高轉(zhuǎn)速影響，主流的永磁體固定工藝包含注塑工藝、灌膠工藝、過盈壓裝工藝等，其中過盈壓裝工藝對(duì)零部件尺寸精度、生產(chǎn)一致性和設(shè)備能力要求較高，現(xiàn)行業(yè)主流采用注塑工藝，同時(shí)為滿足高轉(zhuǎn)速要求需要考慮注塑材料力學(xué)特性。隨著轉(zhuǎn)速提高轉(zhuǎn)子總成相對(duì)初始裝配位置在高轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)偏移，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、壽命降低等故障，其自身動(dòng)平衡已不滿足高等級(jí)要求。因此高轉(zhuǎn)速電機(jī)在動(dòng)平衡工序之前需要增加一道去應(yīng)力工序，滿足高轉(zhuǎn)速下動(dòng)平衡精度要求，去應(yīng)力方法主要包含溫度法、轉(zhuǎn)速法。

2.3 功率密度提升

高功率密度永磁電機(jī)主要對(duì)電磁結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過合理的極槽比設(shè)計(jì)、齒槽關(guān)鍵尺寸優(yōu)化和多層磁鋼布置，優(yōu)化氣隙波形，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，增加磁阻轉(zhuǎn)矩，使得相同材料用量的前提下，輸出轉(zhuǎn)矩提升10%～15%，同時(shí)定子總成采用扁線成型繞組工藝相比較普通的銅線繞組電機(jī)，同等功率下，體積更小，同等體積下，槽滿率提升，功率密度提升。扁線與扁線之間、扁線與鐵芯之間接觸面積增大，提高熱傳導(dǎo)效率，扁線電機(jī)工序復(fù)雜，精度要求高，大規(guī)模普及依賴專業(yè)的高端設(shè)備，制約其國產(chǎn)化；系列化設(shè)計(jì)難于實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)柔性化不足。未來隨著轉(zhuǎn)速的提升，扁線繞組逐步向多層方案進(jìn)行延展以此來降低集膚效應(yīng)的影響。圓導(dǎo)線精密排線技術(shù)能夠獲得傳統(tǒng)圓導(dǎo)線與扁導(dǎo)線之間的平衡，也是提高功率密度的可行工藝。

目前國內(nèi)新能源汽車普遍采用水冷電機(jī)，能滿足絕大部分應(yīng)用場(chǎng)景需求。國外特斯拉等高端電動(dòng)乘用車已開始采用油冷電機(jī)技術(shù)，并且要實(shí)現(xiàn)超高功率密度電機(jī)的開發(fā)，高冷卻效率是其必要條件。因此油冷直接冷卻（輔以外殼液冷熱交換）是必然選擇。隨著電機(jī)與減速器的深度集成，油冷電機(jī)技術(shù)水到渠成。其難點(diǎn)在于：冷卻油路設(shè)計(jì)、油材料兼容性、供油方式和高壓油泵設(shè)計(jì)、清潔度控制、零部件協(xié)同設(shè)計(jì)等。在成本控制上，需要尋找到電機(jī)功率與零部件成本的平衡點(diǎn)，低功率電機(jī)水冷還是主流方式，高功率電機(jī)逐步向油冷過渡。當(dāng)前國內(nèi)部分企業(yè)也做了大量的專利布局，例如精進(jìn)電動(dòng)的油水混合電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[6]，實(shí)現(xiàn)了減速器與電機(jī)總成內(nèi)部共用油路冷卻及電機(jī)殼體水冷換熱等功能。

2.4 驅(qū)動(dòng)效率提升

高效率是電動(dòng)汽車節(jié)能環(huán)保標(biāo)簽的本質(zhì)屬性，從技術(shù)層面分析，提高效率需要對(duì)電機(jī)、逆變器損耗及系統(tǒng)集成和制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，電機(jī)損耗包含銅損、硅鋼磁滯損耗、硅鋼及磁鋼渦流損耗和機(jī)械損耗，逆變器損耗包含開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。

針對(duì)電機(jī)損耗，通過磁鋼分段技術(shù)、超薄硅鋼、非晶材料、軟磁復(fù)合材料應(yīng)用可以有效降低渦流損耗；通過空載氣隙磁場(chǎng)及反電勢(shì)正弦優(yōu)化降低磁滯損耗；通過高速高壓化、超導(dǎo)銅線應(yīng)用以及多層方導(dǎo)線技術(shù)降低銅損；采用低損耗軸承降低機(jī)械損耗。針對(duì)逆變器損耗，通過全域變載頻技術(shù)或碳化硅功率器件降低開關(guān)損耗；通過驅(qū)動(dòng)升壓技術(shù)降低導(dǎo)通損耗等。同時(shí)在系統(tǒng)集成優(yōu)化方面要面向整車工況定向匹配，通過小型輕量化集成設(shè)計(jì)、升壓器調(diào)壓穩(wěn)壓等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率提升。在制造工藝方面，優(yōu)化焊接或鉚接工藝參數(shù)，降低對(duì)軟磁材料性能影響，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)。

隨著寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段，SiC基MOSFET是實(shí)現(xiàn)高溫、高效、高速運(yùn)行的重要途徑，其優(yōu)勢(shì)在于耐高溫，耐高壓可減少電流需求并與快充系統(tǒng)匹配，耐高頻無源元器件體積小，導(dǎo)通損耗低可以提高輕載工況下的能源轉(zhuǎn)換效率[7]。SiC基MOSFET面臨的挑戰(zhàn)是材料制備成本高，工藝尚不成熟，限制了其在當(dāng)前市場(chǎng)的商業(yè)化推廣。我國SiC MOSFET研發(fā)水平距離國際領(lǐng)先水平還要較大差距，諸多成果還停留于開發(fā)階段，設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完備。

2.5 平臺(tái)化與模塊化設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)應(yīng)用對(duì)提升整車動(dòng)力性具有推動(dòng)性作用，同時(shí)電機(jī)和整車配套方案也層出不窮。純電平臺(tái)可以通過雙電機(jī)方案，有效分配大電機(jī)、小電機(jī)使用優(yōu)化任意速度點(diǎn)，發(fā)揮不同電機(jī)的效率優(yōu)勢(shì)，以此提高整車系統(tǒng)綜合效率。如國內(nèi)品牌蔚來ES6，基準(zhǔn)版前后搭載永磁同步電機(jī)，性能版前搭載永磁電機(jī)后搭載感應(yīng)電機(jī)，兼顧爆發(fā)力和耐久力，通過前后電機(jī)四驅(qū)控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高性能長(zhǎng)續(xù)航，前后三合一系統(tǒng)高度集成，實(shí)現(xiàn)小型輕量化設(shè)計(jì)。當(dāng)前純電動(dòng)車平臺(tái)，通過模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將電驅(qū)系統(tǒng)、電池組與底盤深度集成，根據(jù)續(xù)駛里程和軸距要求匹配不同數(shù)量電池模組，同時(shí)根據(jù)整車動(dòng)力性能要求搭載不同的前后置電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，整車研發(fā)周期大大縮減，成熟平臺(tái)如大眾MEB，吉利沃爾沃CMA，現(xiàn)代E-GMP等。

2020北京車展，博格華納展示集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)iDM。博格華納iDM電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由高性能電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)冷卻模塊、電機(jī)控制模塊、信號(hào)連接接口、高壓電源接口、傳動(dòng)軸接口以及駐車鎖止系統(tǒng)8個(gè)模塊構(gòu)成。博格華納iDM的優(yōu)勢(shì)主要在于其可擴(kuò)展和模塊化的架構(gòu)，且支持各種齒輪速比和電機(jī)尺寸，適配不同的整車電壓平臺(tái)，該系列產(chǎn)品可提供高達(dá)160 kW的峰值功率和3 800 Nm的峰值扭矩，模塊化設(shè)計(jì)可以有效降低開發(fā)周期及原材料成本。

2.6 NVH及EMC等級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)

相比傳統(tǒng)汽車可以被內(nèi)燃機(jī)掩蓋噪聲，電動(dòng)汽車噪聲更加刺耳，且高頻噪聲較多，高頻噪聲大部分源于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)振動(dòng)是激勵(lì)力作用在結(jié)構(gòu)上引起的響應(yīng)[8]。激勵(lì)源分為電磁激勵(lì)源和機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)源，電磁激勵(lì)源主要包括齒槽基波及諧波引起的電磁激勵(lì)力、定轉(zhuǎn)子齒槽配合引起的電磁激勵(lì)力、變頻器供電帶來的電磁諧波激勵(lì)力等。機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)源主要包括了轉(zhuǎn)子加工及裝配帶來的不平衡力、軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部摩擦引起的摩擦激勵(lì)力等。為了降低電機(jī)振動(dòng)，從激勵(lì)源和傳遞特性兩方面入手，實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)極致優(yōu)化及結(jié)構(gòu)模態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。盡管電機(jī)噪聲比內(nèi)燃機(jī)噪聲易于控制，但仍需花費(fèi)大量精力開發(fā)電機(jī)機(jī)械隔離與隔聲策略、開發(fā)靜音電機(jī)降低電磁激勵(lì)、開發(fā)主動(dòng)智能降噪控制策略等。

隨著電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成度提高，內(nèi)部EMC干擾問題愈加嚴(yán)重；同時(shí)客戶對(duì)產(chǎn)品EMC等級(jí)提出了更高要求，其中傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射是業(yè)界控制難點(diǎn)[9]。高壓大功率部件工作在高壓、大電流和高頻PWM斬波的工作模式下，形成極高的電壓變化率dv/dt與電流變化率di/dt，帶來了較寬的頻譜和豐富的諧波，通過電驅(qū)系統(tǒng)等效分布電感、電容等阻抗網(wǎng)絡(luò)，帶來復(fù)雜的磁場(chǎng)、電磁耦合。為了滿足更高的電磁兼容等級(jí)需要從結(jié)構(gòu)、電路、耦合關(guān)系等維度優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如主回路增加電磁濾波組件、高低壓空間隔離或屏蔽隔離、電路板增加濾波電路、取消排線連接，接插件直連、端蓋之間導(dǎo)電密封等。

2.7 功能安全設(shè)計(jì)

2011年，ISO26262正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的一項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)，隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，功能安全在國際上引起更多關(guān)注和重視，以德爾福、博世、大陸為代表的國際零部件供應(yīng)商都宣稱其控制器的扭矩安全等級(jí)達(dá)到了ASIL-C級(jí)。部分國內(nèi)主機(jī)廠和配套企業(yè)也陸續(xù)完成了ISO26262流程認(rèn)證、新能源電控單元產(chǎn)品認(rèn)證、整車廠級(jí)別認(rèn)證等，未來ISO26262標(biāo)準(zhǔn)有可能演變?yōu)橐豁?xiàng)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。2017年，中國汽車技術(shù)研究中心牽頭制定了GB/T 34590《道路車輛功能安全》，旨在推動(dòng)功能安全標(biāo)準(zhǔn)的推廣普及。

為了實(shí)現(xiàn)更高的功能安全等級(jí)要求，符合標(biāo)準(zhǔn)AUTO- SAR架構(gòu)、運(yùn)算能力更強(qiáng)勁的多核控制平臺(tái)是電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)的重點(diǎn)，多核控制平臺(tái)硬件資源豐富，運(yùn)算能力強(qiáng)，適合高要求電控，然而控制芯片及其基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)基本處于英飛凌、瑞薩、NXP、飛思卡爾、TI等國際頂級(jí)供應(yīng)商壟斷狀態(tài)，開發(fā)難度極大。未來要實(shí)現(xiàn)我國汽車電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和風(fēng)險(xiǎn)可控，必須大力推動(dòng)國產(chǎn)控制芯片的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2.8 其他

無動(dòng)力中斷的兩擋減速器和帶脫擋斷開的傳動(dòng)裝置是高端電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)方向之一。區(qū)別于現(xiàn)階段主流系統(tǒng)匹配形式，單擋變速箱加單/雙電機(jī)的組合，兩擋變速箱和單電機(jī)的組合，具有在行駛過程換擋，可以將前后軸斷開，從而達(dá)到節(jié)省能耗并且避免永磁電機(jī)空轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拖拽效應(yīng)對(duì)汽車造成影響。雖加速做到了極致，但這樣做的不足也很明顯：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、散熱難度大、續(xù)航短、成本過高，并非成熟可靠的體系。

總體來看，只有多擋位、多驅(qū)動(dòng)模式以及融合動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)的電驅(qū)技術(shù)，才能為行業(yè)發(fā)展指出一條新明路。基于此路線，國內(nèi)廠商典型有廣汽兩檔雙電機(jī)“四合一”集成電驅(qū)總成，該總成包含五大核心技術(shù)亮點(diǎn)：（1）極致動(dòng)力性：系統(tǒng)輸出最大功率340 kW；（2）極致經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)綜合效率達(dá)到90%；（3）高度集成化：相較于兩個(gè)單電機(jī)三合一電驅(qū)總成，體積減小30%，重量減少25%；（4）智能多驅(qū)動(dòng)模式：包含單擋單電機(jī)模式、單擋雙電機(jī)模式、兩擋雙電機(jī)模式，智能切換實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力中斷；（5）OTA自主進(jìn)化功能。首創(chuàng)高性能兩擋雙電機(jī)“四合一”集成電驅(qū)技術(shù)路線的好處在于，相同功率需求時(shí)，雙電機(jī)可以降低電機(jī)電控技術(shù)難度，提高總成可靠性，同時(shí)雙電機(jī)兩擋可以實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力中斷換擋，提高整車舒適性；兩擋可實(shí)現(xiàn)不同速比，即在相同電機(jī)扭矩下，實(shí)現(xiàn)更大輪端峰值扭矩，在相同的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速下，實(shí)現(xiàn)更高的輪端轉(zhuǎn)速，兼具大扭矩、高轉(zhuǎn)速輸出性能，是極致超跑電驅(qū)的發(fā)展方向。

3 結(jié)束語

未來的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在創(chuàng)新發(fā)展需求驅(qū)動(dòng)下將逐步向數(shù)字孿生技術(shù)，狀態(tài)檢測(cè)智能化以及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，同時(shí)基于多核異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的電機(jī)智能控制方法以及健康狀態(tài)檢測(cè)和故障容錯(cuò)控制技術(shù)的發(fā)展也將勢(shì)不可擋。

電工基礎(chǔ)材料與工藝研究以及車規(guī)級(jí)電驅(qū)動(dòng)總成核心零部件開發(fā)也將成為前沿基礎(chǔ)。同時(shí)針對(duì)新型高效插電式混合動(dòng)力總成、高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)開發(fā)以及高集成度電機(jī)控制器技術(shù)開發(fā)將繼續(xù)作為未來應(yīng)用技術(shù)的研究重點(diǎn)。

作為行業(yè)共性技術(shù)問題，打通全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)壁壘，避免外部干預(yù)的影響，未來3～5年國內(nèi)亟需有競(jìng)爭(zhēng)力企業(yè)實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品底層開發(fā)軟件、工具鏈及檢測(cè)平臺(tái)的國產(chǎn)化，真正能夠?qū)㈦婒?qū)動(dòng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)貫穿式發(fā)展。

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Technical Development Trend and Technical Requirements of Vehicle Electric Drive System

LI Quan1,2, BAO Jie1,2, ZHAO Huichao1,2, LIU Xiaolu1,2, ZHAO Jing1,2

( 1.New Energy Vehicle Development Institute, China FAW Corporation Limited, Jilin Changchun 130013;2.State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise & Safety Control,Jilin Changchun 130013)

The electric drive system for vehicles has evolved from the separation of drive motors, motor controllers, and transmissions to light physical integration and then deep functional integration. The electric drive system is gradually becoming smaller, lighter, strong, rigid, low-cost, efficient, and powerful. The development of multiple advantages such as high density and good electromagnetic compatibility, through the "mechanical-electrical-magnetic-thermal" integrated design to meet higher vehicle speeds, increase vehicle driving range, and increase NVH index requirements. Combining advanced material technology, various refined designs, and improved manufacturing equipment levels can better realize the integrated design of electric drive systems, mainly focus on the development of high-speed multi-speed transmission mechanism (reduction/transmission), power density improvement, drive efficiency improvement, NVH index and EMC capability level improvement, functional safety improvement, and platform modular design.

Electric drive; High power density; High efficiency; High speed; Low cost; Integration; Modularization

U469.7

B

1671-7988(2021)23-188-05

U469.7

B

1671-7988(2021)23-188-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.053

李全，研究生，工程師，就職于中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，研究方向：車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。