黃建忠　胡慧婧　羅媚　陸新華　蘇秀雁

【摘? 要】驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率是影響新能源汽車(chē)降本增效的重要因素之一，直接影響新能源汽車(chē)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選擇運(yùn)用哪些驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)來(lái)提升效率尤為重要。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)提升效率所運(yùn)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，分別說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)所運(yùn)用技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)；效率；扁線電機(jī)；800V高壓

中圖分類號(hào)：U469.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）08-0003-02

Research on the Key Technology of Driving Motor System Efficiency Improvement

HUANG Jian-zhong，HU Hui-jing，LUO Mei，LU Xin-hua，SU Xiu-yan

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Guangxi Laboratory of New Energy Automobile

Guangxi Key Laboratory of Automobile Four New Features，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】The drive motor system efficiency is one of the important factors affecting the cost reduction and efficiency of new energy vehicles，which directly affects the power and economy of new energy vehicles.In the process of driving system performance development，it is very important to choose which key technologies to use to improve the efficiency.In this paper，the key technologies used to improve the efficiency of driving motor system at home and abroad are introduced，and the advantages and disadvantages of the technologies used in driving motor system are described respectively，so as to provide reference for the selection and application of driving motor.

【Key words】drive motor system；efficiency；flat wire motor；800V high voltage

1? 引言

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)（電機(jī)、電控、減速器）是新能源汽車(chē)動(dòng)力總成的關(guān)鍵部件，相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的作用，直接決定整車(chē)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能。其成本占比僅次于動(dòng)力蓄電池，占比絕對(duì)值因新能源汽車(chē)車(chē)型品牌而異。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，一般電驅(qū)動(dòng)效率提升2%，對(duì)應(yīng)的整車(chē)綜合能效可以大概提升3.5%以上。以整車(chē)?yán)m(xù)航500km為例，如果續(xù)航提升3.5%以后，電池包能量不變，可以整體實(shí)行續(xù)航大概增加20km以上，或者節(jié)約3度電以上，對(duì)應(yīng)整車(chē)成本降低近3000元。所以提升整車(chē)能效及用戶省電的同時(shí)，關(guān)鍵就是提升里程或者給整車(chē)企業(yè)及用戶帶來(lái)成本降低。

隨著新能源汽車(chē)性能提升，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)也提出了更多要求，從性能及功能角度出發(fā)，更好的駕駛體驗(yàn)通常需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)具備更低成本、更高效率、更高功率密度、更長(zhǎng)可靠壽命等。為解決這些問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)也在不斷迭代更新。其中，扁線電機(jī)、高壓電機(jī)、油冷電機(jī)、集成式的多合一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)近些年備受關(guān)注，對(duì)提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率，降低損耗，提升電機(jī)功率密度具有顯著作用。

2? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1）雪佛蘭和豐田率先開(kāi)始使用扁線電機(jī)，近些年，扁線電機(jī)滲透率不斷提升。2020年來(lái)，保時(shí)捷、比亞迪、特斯拉、寶馬、大眾、吉利和上汽等紛紛推出扁線電機(jī)。2021年隨著各大主流主機(jī)廠大規(guī)模換裝扁線電機(jī)，中國(guó)扁線電機(jī)滲透率不斷提高。此外，在一些高端車(chē)型中，搭載扁線電機(jī)數(shù)量由原來(lái)單電機(jī)增加到多電機(jī)。

2）鑒于800V高壓平臺(tái)既能解決補(bǔ)能焦慮問(wèn)題，又能同步提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，2019年保時(shí)捷Taycan發(fā)布，成為全球首款800V純電汽車(chē)，其動(dòng)力蓄電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器等均已采用800V電壓平臺(tái)；2020年現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)布全新電動(dòng)汽車(chē)專用平臺(tái)“E-GMP”，該平臺(tái)同樣可以實(shí)現(xiàn)800V運(yùn)用，全部零件包含動(dòng)力蓄電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、PTC和高壓空調(diào)壓縮機(jī)均已采用800V電壓平臺(tái)。目前各大主機(jī)廠已進(jìn)行相關(guān)布局，2021年比亞迪、吉利、小鵬和領(lǐng)跑等相繼發(fā)布800V高壓技術(shù)的布局規(guī)劃，理想、蔚來(lái)等車(chē)企也在積極籌備相關(guān)技術(shù)。從量產(chǎn)時(shí)間看，各大車(chē)企的800V高壓平臺(tái)新車(chē)將在2023年開(kāi)始陸續(xù)上市。

3）隨著新能源汽車(chē)的整車(chē)性能要求提高，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)高效節(jié)能是一個(gè)重要發(fā)展方向。不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，最初使用三合一驅(qū)動(dòng)電橋目的大部分是為了節(jié)省電機(jī)到電控之間的3根高壓線束成本，特別是近兩年原材料不斷上漲，3根高壓線束節(jié)約成本也是可觀的。三合一驅(qū)動(dòng)電橋甚至多合一，高度集成化有利于實(shí)現(xiàn)零件輕量化及小型化，提高整車(chē)?yán)m(xù)航及整車(chē)空間利用率，所以三合一驅(qū)動(dòng)電橋、多合一拓展是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。但是高度集成相對(duì)于整車(chē)廠技術(shù)要求會(huì)越來(lái)越高。以比亞迪為例，2019年在比亞迪元推出e平臺(tái)的“33111”理念，推出電驅(qū)動(dòng)三合一（驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器）。比亞迪e平臺(tái)高度集成的驅(qū)動(dòng)三合一相比分體式總成，功率密度提升20%，NEDC效率增加1%。比亞迪近年推出八合一產(chǎn)品，其上集成多種電控產(chǎn)品，可能產(chǎn)生產(chǎn)品之間的耦合問(wèn)題，包括軟件和硬件之間耦合后，系統(tǒng)間故障可能相應(yīng)提升，內(nèi)部某個(gè)功能模塊失效可能導(dǎo)致整個(gè)集成產(chǎn)品更改成本提升。

3? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 扁線電機(jī)的運(yùn)用

扁線電機(jī)槽滿率高，扁線電機(jī)的銅線為方形可以面面接觸，而圓線電機(jī)只能點(diǎn)點(diǎn)接觸，中間有空隙，同等截面積下扁線電機(jī)可以插入更多銅，如圖1所示。對(duì)于這點(diǎn)，行業(yè)內(nèi)圓線槽滿率為45%左右，對(duì)于扁線來(lái)說(shuō)，可以做到70%，進(jìn)而提高功率密度。由于扁線電機(jī)面面接觸，剩下空隙較小，傳遞熱量能力相應(yīng)更高，散熱能力更高于圓線電機(jī)。散熱能力強(qiáng)，電機(jī)可以運(yùn)行更加高效的中高轉(zhuǎn)速區(qū)間，電機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率及可靠性提升更加顯著。

扁線效率高、損耗小，如圖2所示，銅損耗在電機(jī)里占比達(dá)到65%，因此采用更合理的定子繞組，從而降低銅損耗，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率。此外扁線繞組的截面積更粗，因此它的電阻相對(duì)小于圓線電機(jī)，銅導(dǎo)線發(fā)熱損失的能量也相對(duì)小，從而同步降低銅損耗，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率。

當(dāng)然扁線電機(jī)也有缺點(diǎn)：①扁線電機(jī)平臺(tái)化較為困難，相對(duì)于圓線電機(jī)可以通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整繞組的匝數(shù)來(lái)平衡它的功率扭矩，扁線電機(jī)基于現(xiàn)有設(shè)備和工藝，調(diào)整它的層數(shù)比較困難；②扁線電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，發(fā)熱量直線上升，特別容易快速升溫，若是冷卻未做好，容易過(guò)溫降額停機(jī)，甚至零件過(guò)溫?zé)g。

相比于乘用車(chē)，商用車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)涉及的變動(dòng)更改少，與扁線電機(jī)工藝調(diào)整更難匹配。商用車(chē)用戶更加關(guān)注整車(chē)?yán)m(xù)航及其可靠性，扁線電機(jī)更有功率密度大、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。從圖3扁線電機(jī)效率MAP及圖4圓線電機(jī)效率MAP對(duì)比可知，扁線電機(jī)高效區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍更寬，低速大負(fù)荷效率也能達(dá)到90%以上。

3.2 800V高壓平臺(tái)的運(yùn)用

800V高壓平臺(tái)除了大功率超快充優(yōu)勢(shì)之外，與配置250～400V電池的傳統(tǒng)BEV相比，在電驅(qū)系統(tǒng)這塊也有更多優(yōu)勢(shì)。除了800V采用碳化硅電機(jī)控制器可明顯降低逆變器的功率損耗，提升電機(jī)控制器的效率優(yōu)勢(shì)以外，據(jù)P=UI可知，800V平臺(tái)電機(jī)電流相比400V電壓平臺(tái)直接減小一半，驅(qū)動(dòng)電機(jī)銅耗直接大幅下降，發(fā)熱量明顯減小，驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率將大幅提升。

此外，較高的電壓運(yùn)行較低的軸電流以補(bǔ)償高速下的磁鏈并減少電機(jī)銅損耗，反過(guò)來(lái)確保了弱磁區(qū)域更高的連續(xù)功率，提升電機(jī)功率密度。從電磁性能角度來(lái)看，將直流母線電壓增加800V，由于拓展了速度范圍，降低實(shí)現(xiàn)相同功率所需的最大扭矩，由于電機(jī)尺寸跟其扭矩能力成正比，從而電機(jī)功率密度得到相應(yīng)提升。

3.3? 三合一集成驅(qū)動(dòng)電橋

使用三合一驅(qū)動(dòng)電機(jī)還能夠減少3根線束上的功率損耗，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率。三相線束的內(nèi)阻在有些場(chǎng)合下和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的直流內(nèi)阻差不多大，若是能減少三相線束內(nèi)阻，意味著驅(qū)動(dòng)電機(jī)銅耗可降低一大半，這對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率是非常大的提升。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低速時(shí)因三相線束電流大導(dǎo)致銅損耗特別高，特別對(duì)于80～150V這種低電壓平臺(tái)在低速時(shí)電流遠(yuǎn)大高壓平臺(tái)，三相線束上功率損耗更大。

另外三合一驅(qū)動(dòng)電橋甚至多合一好處是高度集成化有利于實(shí)現(xiàn)零件輕量化及小型化，降本增效同時(shí)提高整車(chē)?yán)m(xù)航及整車(chē)空間利用率。三合一集成驅(qū)動(dòng)電橋應(yīng)用，減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部高壓線束、連接器等零件，整合了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器3個(gè)模塊，結(jié)構(gòu)更加緊湊，整體空間體積降低，釋放空間，也利于整車(chē)布置，使乘員艙可以利用的空間變大，提高乘員舒適性。

公司某車(chē)型第1代是減速器驅(qū)動(dòng)電機(jī)二合一驅(qū)動(dòng)電橋+獨(dú)立電機(jī)控制器，第2代是三合一驅(qū)動(dòng)電橋，第2代與第1代相比，電機(jī)到動(dòng)力蓄電池高壓線束短了三分之二，光從高壓線束的損耗功率就可降低近三分之二，有效提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率。

3.4? 減少高壓線束上線損，合理布置

合理布置動(dòng)力電池、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置，盡量降低MCU高壓線束（動(dòng)力電池至電機(jī)控制器高壓線束）和電機(jī)三相高壓線束長(zhǎng)度，減少高壓線束上功率損耗，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率。相對(duì)于充電效率來(lái)說(shuō)，用戶更加偏向于關(guān)注充電后整車(chē)?yán)m(xù)航。某車(chē)型上，電池包布置行李艙，電機(jī)控制器布置發(fā)動(dòng)機(jī)艙前部，二者線束長(zhǎng)度近3m，之間存在高壓線束功率損耗很大，若動(dòng)力電池可布置在車(chē)底靠近發(fā)動(dòng)機(jī)艙處，可降低一半線束長(zhǎng)度。在整車(chē)布置中，因各種因素導(dǎo)致動(dòng)力電池位置布置不是很理想，新車(chē)型開(kāi)發(fā)時(shí)，需合理布置動(dòng)力電池、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)三者位置，降低能量流動(dòng)過(guò)程損耗。

4? 結(jié)語(yǔ)

扁線電機(jī)、高壓電機(jī)、油冷電機(jī)、集成式的多合一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率，降低損耗，提升電機(jī)功率密度具有顯著作用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用，有利于提升整車(chē)能效，為整車(chē)企業(yè)及用戶帶來(lái)成本降低，促進(jìn)新能源汽車(chē)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙大嶺. 探究新能源汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)[J]. 時(shí)代汽車(chē)，2021（8）：85-86.

[2] 余康，曹德峰，劉鵬飛，等. 基于國(guó)產(chǎn)自主新能源汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)量產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 環(huán)境技術(shù)，2020（3）：174-179，183.

[3] 黃建忠，羅媚，韓彥，等. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)臺(tái)架性能測(cè)試影響因素研究[J]. 汽車(chē)測(cè)試報(bào)告，2022（11）：152-154.

[4] 丁榮軍，劉侃. 新能源汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望[J]. 中國(guó)工程科學(xué)，2019（3）：56-60.

[5] 蘭鵬宇. 新能源汽車(chē)扁線電機(jī)技術(shù)分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2022（6）：212-214.

（編輯? 楊凱麟）

作者簡(jiǎn)介

黃建忠（1988—），男，工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)三電零件的ADV測(cè)試。