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(yīng)高溫、高濕、振動的復(fù)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)用能夠有效提高電機的功率密度。扁線電機的制造工藝復(fù)雜，對生產(chǎn)設(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)計，應(yīng)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(yīng)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(shè)計，并于2017年實現(xiàn)了“二合一總成”的批量應(yīng)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(fù)合冷卻、內(nèi)置聲學(xué)包等技術(shù)，可應(yīng)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(yīng)技術(shù)服務(wù)。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(shè)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(yīng)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(fēng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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。

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