汽車電驅動系統技術未來發展趨勢及關鍵技術分析
2022-11-3 10:42:30??????點擊：
2021年以來，國內電動汽車迎來了爆發式的增長，其核心零部件電驅動系統也受到了業界的關注。雖然電驅動系統的價值量不是電動汽車中最高的，但確非常重要。
一般來說，電驅動系統包含了電機、電機控制器、電機驅動器和總成等。目前汽車電機有三個發展方向：異步電機、永磁同步電機，和開關磁阻電機。由于電機主要是由外殼、定子、轉子、軸承、端蓋等部分組成，其中釘子是硅鋼片和銅線，轉子是硅鋼片嵌的磁鋼，所以電機的價格是比較透明的，主要成本就是鋁、銅線、硅鋼片等原材料成本。也就是說，實現相同的目標功率，如果電機設計更加合理，使用材料更省的話，廠商制造的電機成本就更低，相應的就更有競爭力。
但電機控制器不一樣，電機控制器除了有MCU、功率模塊等硬件成本之外，還包含軟件在內，因此，其溢價相對來說會更高一些。目前博世、博格華納、大陸、日本電產等國際供應商有布局，弗迪動力、英博爾、匯川技術、陽光電動力、聯合電子、中車時代電氣巨一動力等國內供應商也出貨。
業內人士預計未來電機電控行業應該會演化成，供應商提供硬件和底層軟件，主機廠商自己做應用層、軟件及功能方面的開發。因為供應商在原材料方面的議價能力、物流、質量管控和成本控制方面可以做得更好。主機廠商如果裝機量沒達到一定規模的話，自己開發的意義并不大。
電驅系統的發展趨勢
目前電動汽車的整車要求是高安全性、高性能、低電耗、低成本、小尺寸和輕量化。相應地電驅系統也需要配合汽車的發展趨勢，因此，未來電驅動系統的發展方向將會是多合一高度集成、高壓化、高功率密度、高安全等級、高性價比、低噪音和高效率。
首先，集成化是必然的趨勢，將許多零件或者功能件放在一起可以節省空間，而且部分零部件可以公用。不過，目前還沒有一個特別優秀的集成方案，大部分的供應商都還摸索前進。未來到底是做三合一、六合一、或者八合一，或者將DCDC、OBC等集成到電池包內等集成方案都是所有供應商都在考慮的事情。
其次是高壓化趨勢，已經有不少汽車廠商轉向了800V平臺，800V平臺帶來的好處是可以大幅縮短充電時間，緩解里程焦慮。同時帶來的挑戰也不少，由于電壓升高，充電速度更快，有些元器件需要重新開發、電池包需要4C以上充電倍率、對電機導線的絕緣漆材料和厚度有更高的要求，同時對絕緣紙（銅線和硅鋼片之間的介質）和安全距離也提出了更高的要求。這些要求會帶來零部件的升級，從而使得電機成本上升。此外，由于充電功率的升高會帶來電流的提升和溫度的提高，所以800V電機大部分供應商都會選擇使用油冷技術。油冷技術的具有均勻散熱特點及更高的散熱效率。
三是高功率密度趨勢，美國能源部旗下的U.S. DRIVE在2017年就提出了一個電動汽車發展2025年路線圖規劃。在該規劃中，他們給電機和電控的發展定了一個目標，那就是到2025年時，電機控制器的效率不能低于98%；功率密度要達到100kW/L；成本要降到2.7美元/kW。電機的效率不能低于97%；功率密度要達到50kW/L或5.7kW/kg；成本要低于3.3美元/kW。
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表1：U.S. DRIVE發布的電機控制器和電機的目標規劃。（數據來源：U.S. DRIVE，電子發燒友制表）
我們可以清楚地看到提升最大的當屬功率密度，功率密度有兩個數值，一個是相對于體積的，一個是相對于重量的。汽車用的電機更加側重于功率體積比，因為體積涉及到汽車的有效空間利用和乘客的體驗。電機控制器的功率密度從2020年的13.4kW/L提升到了100Kw/L，提升了7.46倍。電機的功率體積比功率密度則提升了8.77倍。
也就是說功率密度將會成為未來電機控制器和電機設計中一個非常重要的指標。為什么功率密度會受到如此重視？因為高功率密度的電機可以讓電機本體的體積更小，重量更輕，效率更高。
四是高安全等級，由于電驅動系統集成的功能越來越多，零部件也越來越多，相應的其安全等級的要求也會變得更高。
此外，高性價比、高電磁兼容性和低噪音也是未來電驅系統的發展方向。那么，為了實現這些發展趨勢，需要哪些關鍵技術的支持呢？
電驅系統關鍵技術分析
要想順利實現電驅系統的發展目標，需要一些關鍵技術的支持，比如新構型集成創新、800V電驅技術、電驅系統NVH提升技術、電磁兼容正向設計、先進的熱管理技術、新型電機、新型冷卻技術、寬禁帶半導體等。
首先是新構型集成創新，除了熱門的三合一電驅系統，現在還涌現出了多合一，兩檔雙電機等新的構型設計，同時在集成深度上也從早期的物理集成轉向了更深層次的電子電氣功能集成。不過，目前還沒有統一的集成解決方案，各個供應商都在不斷摸索前進，相信經過市場的檢驗最終會探索出更加優秀的解決方案。
二是800V高壓平臺，該平臺可以大幅縮減汽車的充電時間，而且電壓平臺的提升有助于提升電機/電驅系統比功率。
三是電驅系統NVH提升技術，NVH（NoiseVibrationHarsheness）通常被用來描述汽車噪聲、振動及汽車的乘坐舒適性問題。根據相關資料統計，汽車大約有1/3的故障是由汽車NVH問題引起的，而且還會直接影響用戶的駕乘感受。因此需要在設計體系、設計手段等方面的全面提升來進一步提升電驅系統的技術水平。
四是電磁兼容正向設計，由于汽車電動化、智能化和網聯化的趨勢日益明顯，給汽車電磁兼容帶來了新的挑戰，加上電動汽車的產品迭代速度加快，新產品開發周期縮短，傳統以整改為主的電磁兼容開發已經無法滿足現有需求，電磁兼容正向設計的重要性變得更加重要。
五是先進的熱管理技術，傳統的熱管理技術是基于監測電機、逆變器上的溫度，來規劃冷卻策略，這存在一定的滯后性，不能反映電動汽車劇烈變化的工況對繞組等部件溫升的影響，大負載工況下仍存在過溫失效的風險，冷卻系統需要較大冗余。而通過構建電驅系統關鍵部件高精度溫度預測模型，精益化設計熱管理策略，可根據負載工況實時預測溫度變化趨勢，動態調節系統冷卻需求和輸出能力，控制合理工作溫度，同時降低冷卻能耗，有助于整車優化續航里程，提升用戶體驗。
六是新型電機，要想實現更高的效率和更高的功率密度，一般采用兩種方法來實現，一是提高電機的速度，把電機設計成高速電機；二是設計新型電機，比如扁線電機等。而將電機轉速提高到18000rpm，甚至20000rpm以上，對電機軸承、沖片強度、動平衡要求會更高。
七是新型冷卻技術，由于電驅系統向高功率密度、高轉速方向發展，定子繞組和磁鋼發熱對系統冷卻能力提出了更大挑戰。傳統機殼水冷已經逐漸難以滿足需求，開發新型冷卻技術勢在必行。因此油冷技術浮出水面了。當前熱門的油冷技術通過定子噴淋，轉子甩油等方式，可以兼顧低速大轉矩下的繞組溫升，及高速下的大功率下的磁鋼溫升，可提升電機持續輸出能力20%以上；同時還可以與減速器潤滑油路集成，實現多合一系統結構緊湊化設計。當然，針對噴淋油冷對定子槽冷卻不足和繞組端部冷卻不均的問題，可以考慮油水混合冷卻，繞組浸沒式冷卻等方案。
八是寬禁帶半導體，由于SiC器件具有低損耗、高頻、耐高壓、耐高溫、高效率等優勢，可以提升電驅系統的效率。目前也已經有不少企業推出相關的產品，比如羅姆、ST、英飛凌、Cree等都有推出SiC產品。并且SiC的產品在新能源汽車中的應用案例已經不少。
一般來說，電驅動系統包含了電機、電機控制器、電機驅動器和總成等。目前汽車電機有三個發展方向：異步電機、永磁同步電機，和開關磁阻電機。由于電機主要是由外殼、定子、轉子、軸承、端蓋等部分組成，其中釘子是硅鋼片和銅線，轉子是硅鋼片嵌的磁鋼，所以電機的價格是比較透明的，主要成本就是鋁、銅線、硅鋼片等原材料成本。也就是說，實現相同的目標功率，如果電機設計更加合理，使用材料更省的話，廠商制造的電機成本就更低，相應的就更有競爭力。
但電機控制器不一樣，電機控制器除了有MCU、功率模塊等硬件成本之外，還包含軟件在內，因此，其溢價相對來說會更高一些。目前博世、博格華納、大陸、日本電產等國際供應商有布局，弗迪動力、英博爾、匯川技術、陽光電動力、聯合電子、中車時代電氣巨一動力等國內供應商也出貨。
業內人士預計未來電機電控行業應該會演化成，供應商提供硬件和底層軟件，主機廠商自己做應用層、軟件及功能方面的開發。因為供應商在原材料方面的議價能力、物流、質量管控和成本控制方面可以做得更好。主機廠商如果裝機量沒達到一定規模的話，自己開發的意義并不大。
電驅系統的發展趨勢
目前電動汽車的整車要求是高安全性、高性能、低電耗、低成本、小尺寸和輕量化。相應地電驅系統也需要配合汽車的發展趨勢，因此，未來電驅動系統的發展方向將會是多合一高度集成、高壓化、高功率密度、高安全等級、高性價比、低噪音和高效率。
首先，集成化是必然的趨勢，將許多零件或者功能件放在一起可以節省空間，而且部分零部件可以公用。不過，目前還沒有一個特別優秀的集成方案，大部分的供應商都還摸索前進。未來到底是做三合一、六合一、或者八合一，或者將DCDC、OBC等集成到電池包內等集成方案都是所有供應商都在考慮的事情。
其次是高壓化趨勢，已經有不少汽車廠商轉向了800V平臺，800V平臺帶來的好處是可以大幅縮短充電時間，緩解里程焦慮。同時帶來的挑戰也不少，由于電壓升高，充電速度更快，有些元器件需要重新開發、電池包需要4C以上充電倍率、對電機導線的絕緣漆材料和厚度有更高的要求，同時對絕緣紙（銅線和硅鋼片之間的介質）和安全距離也提出了更高的要求。這些要求會帶來零部件的升級，從而使得電機成本上升。此外，由于充電功率的升高會帶來電流的提升和溫度的提高，所以800V電機大部分供應商都會選擇使用油冷技術。油冷技術的具有均勻散熱特點及更高的散熱效率。
三是高功率密度趨勢，美國能源部旗下的U.S. DRIVE在2017年就提出了一個電動汽車發展2025年路線圖規劃。在該規劃中，他們給電機和電控的發展定了一個目標，那就是到2025年時，電機控制器的效率不能低于98%；功率密度要達到100kW/L；成本要降到2.7美元/kW。電機的效率不能低于97%；功率密度要達到50kW/L或5.7kW/kg；成本要低于3.3美元/kW。
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表1：U.S. DRIVE發布的電機控制器和電機的目標規劃。（數據來源：U.S. DRIVE，電子發燒友制表）
我們可以清楚地看到提升最大的當屬功率密度，功率密度有兩個數值，一個是相對于體積的，一個是相對于重量的。汽車用的電機更加側重于功率體積比，因為體積涉及到汽車的有效空間利用和乘客的體驗。電機控制器的功率密度從2020年的13.4kW/L提升到了100Kw/L，提升了7.46倍。電機的功率體積比功率密度則提升了8.77倍。
也就是說功率密度將會成為未來電機控制器和電機設計中一個非常重要的指標。為什么功率密度會受到如此重視？因為高功率密度的電機可以讓電機本體的體積更小，重量更輕，效率更高。
四是高安全等級，由于電驅動系統集成的功能越來越多，零部件也越來越多，相應的其安全等級的要求也會變得更高。
此外，高性價比、高電磁兼容性和低噪音也是未來電驅系統的發展方向。那么，為了實現這些發展趨勢，需要哪些關鍵技術的支持呢？
電驅系統關鍵技術分析
要想順利實現電驅系統的發展目標，需要一些關鍵技術的支持，比如新構型集成創新、800V電驅技術、電驅系統NVH提升技術、電磁兼容正向設計、先進的熱管理技術、新型電機、新型冷卻技術、寬禁帶半導體等。
首先是新構型集成創新，除了熱門的三合一電驅系統，現在還涌現出了多合一，兩檔雙電機等新的構型設計，同時在集成深度上也從早期的物理集成轉向了更深層次的電子電氣功能集成。不過，目前還沒有統一的集成解決方案，各個供應商都在不斷摸索前進，相信經過市場的檢驗最終會探索出更加優秀的解決方案。
二是800V高壓平臺，該平臺可以大幅縮減汽車的充電時間，而且電壓平臺的提升有助于提升電機/電驅系統比功率。
三是電驅系統NVH提升技術，NVH（NoiseVibrationHarsheness）通常被用來描述汽車噪聲、振動及汽車的乘坐舒適性問題。根據相關資料統計，汽車大約有1/3的故障是由汽車NVH問題引起的，而且還會直接影響用戶的駕乘感受。因此需要在設計體系、設計手段等方面的全面提升來進一步提升電驅系統的技術水平。
四是電磁兼容正向設計，由于汽車電動化、智能化和網聯化的趨勢日益明顯，給汽車電磁兼容帶來了新的挑戰，加上電動汽車的產品迭代速度加快，新產品開發周期縮短，傳統以整改為主的電磁兼容開發已經無法滿足現有需求，電磁兼容正向設計的重要性變得更加重要。
五是先進的熱管理技術，傳統的熱管理技術是基于監測電機、逆變器上的溫度，來規劃冷卻策略，這存在一定的滯后性，不能反映電動汽車劇烈變化的工況對繞組等部件溫升的影響，大負載工況下仍存在過溫失效的風險，冷卻系統需要較大冗余。而通過構建電驅系統關鍵部件高精度溫度預測模型，精益化設計熱管理策略，可根據負載工況實時預測溫度變化趨勢，動態調節系統冷卻需求和輸出能力，控制合理工作溫度，同時降低冷卻能耗，有助于整車優化續航里程，提升用戶體驗。
六是新型電機，要想實現更高的效率和更高的功率密度，一般采用兩種方法來實現，一是提高電機的速度，把電機設計成高速電機；二是設計新型電機，比如扁線電機等。而將電機轉速提高到18000rpm，甚至20000rpm以上，對電機軸承、沖片強度、動平衡要求會更高。
七是新型冷卻技術，由于電驅系統向高功率密度、高轉速方向發展，定子繞組和磁鋼發熱對系統冷卻能力提出了更大挑戰。傳統機殼水冷已經逐漸難以滿足需求，開發新型冷卻技術勢在必行。因此油冷技術浮出水面了。當前熱門的油冷技術通過定子噴淋，轉子甩油等方式，可以兼顧低速大轉矩下的繞組溫升，及高速下的大功率下的磁鋼溫升，可提升電機持續輸出能力20%以上；同時還可以與減速器潤滑油路集成，實現多合一系統結構緊湊化設計。當然，針對噴淋油冷對定子槽冷卻不足和繞組端部冷卻不均的問題，可以考慮油水混合冷卻，繞組浸沒式冷卻等方案。
八是寬禁帶半導體，由于SiC器件具有低損耗、高頻、耐高壓、耐高溫、高效率等優勢，可以提升電驅系統的效率。目前也已經有不少企業推出相關的產品，比如羅姆、ST、英飛凌、Cree等都有推出SiC產品。并且SiC的產品在新能源汽車中的應用案例已經不少。
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