純電動汽車電驅系統集成化前沿趨勢

盧文軒 嚴星 陳平 裴瀟楊 張自立 盧俊康

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

新能源汽車市場已經進入后補貼時代，行業洗牌期加速到來。這意味著整車企業需要承擔更加沉重的財務壓力，同時將面臨更加激烈的行業競爭。基于此，整車廠商和供應商需要盡可能共同承擔退坡成本，而零部件集成化設計是促成成本下降的主要手段之一。在這樣的背景下，高度集成化的一體式電驅動系統應運而生，不僅能夠實現減重降成本，而且功率密度等指標也得到有效地提升。國內外企業針對集成電驅開發技術已經開始全面發力，采用集成化電驅動系統成為純電動乘用汽車的發展趨勢。

1 純電動汽車集成化電驅動系統概述

電驅動系統是純電動汽車的核心，主要包含了高性能動力電機、電力電子控制單元和減速器等部分。隨著現代汽車技術的飛速發展以及集成電路和電力電子技術的大規模應用，機電一體化的電驅動系統的優越性愈發明顯，其能量密度大、效率高和維護性低等特點，使得電驅集成化設計在純電動乘用汽車領域得到越來越多的應用[1]。

最初的電驅動系統不存在集成式設計，圖1 示出某純電動汽車前電驅系統，其驅動電機、電控系統、減速器等部件均單獨布置，之間依靠線束等連接件進行連接，從而導致當時的驅動系統十分復雜。隨著乘用車行業的發展和相關技術的積累，集成化電驅動系統逐漸成為主流，如圖2 所示。比較常見的集成化設計包括取消三相線，將電機、電控端子直連，取消水管，將電機、電控水道直連，以及電機殼體和減速器殼體共用等。這些集成設計早些年因為技術壁壘或者成熟度不夠的緣故無法實現，現階段隨著技術難點逐漸被攻克，各大整車廠商開始將電驅動系統的深度集成化設計制造作為重要發展方向。

圖1 某純電動汽車前電驅系統

2 電驅動系統集成化的優劣勢分析

2.1 集成化電驅動系統的優勢

首先，集成化設計可以有效地減小電驅動系統的體積、降低系統總質量。電驅動系統的各個部件通過整合，整體結構更為緊湊，安裝尺寸和所占體積得到進一步縮減；與此同時，各部件之間的連接材料因為集成化設計而大幅度減少，系統質量也得到了降低。

其次，采用集成化電驅動系統的機艙更加簡潔，使得汽車各系統布局更加靈活。由于體積減小，整車的乘坐及儲物空間得到最大化利用；同時汽車質量的降低在一定程度上也降低了汽車能耗、提升了續航里程。

此外，通過集成化設計，電驅動系統能夠降低接口復雜度及成本。電驅動系統集成化有效地縮短了各部件之間的距離，減少了連接件及相應接口的使用，在優化了傳輸路徑的同時也提高了系統的效率；而電驅動系統采用的連接件包含導線和管路等材料，是不可忽略的生產成本，因此減少連接材料的使用將直接促成電驅動系統成本的降低。

2.2 集成化電驅動系統的劣勢

電驅動系統集成化設計需要多維度開發和能力驗證，如圖3 所示。其中集成系統導致各部件與空氣接觸面積減少，為保證各部件處于正常工作溫度區間，整個散熱系統需要重新設計優化。同時，NVH（噪聲振動）、EMC（電磁兼容測試）、安全等性能指標的控制，以及零部件開發協同都是目前整車廠和供應商需要重點攻克的難題[2]。

圖3 純電動汽車電驅動系統集成化設計

在后期用車方面，電驅動系統的集成化可能對消費者產生不良影響。一定程度上，系統的集成會導致各部件的可靠性降低，集成化電驅動系統各部件的質量控制顯得尤為重要；當某個零部件出現問題需要維修或者更換總成，會導致維修時間和成本增加。

綜合來看，電驅動系統集成化對于純電動乘用汽車行業來說具有積極的推動作用，但是基于現階段電動汽車供應鏈的技術水平，集成化過程中的設計和質量問題對于整車廠商和供應商來說仍然是巨大的挑戰。

3 純電動汽車集成化電驅動系統的應用現狀

3.1 二合一電驅動系統

集成化電驅動系統發展之初，結構形式較為簡單，如圖4 所示，是將永磁電機和減速器集成在一起，與車橋結合形成一體式電驅動橋。從圖4 中可以看到，雖然該系統的連接部分比較復雜，但是至少實現了二合一的設計，縮短了各部件之間的距離。二合一這種簡單的集成形式也使得電驅動系統整體結構更加緊湊。

圖4 純電動汽車二合一電驅動系統

3.2 三合一電驅動系統

隨著電驅動集成技術的不斷演變發展，三合一電驅動系統出現，如圖5 所示。主流電驅供應商多采用三合一電驅系統，例如：將電機、電控系統和減速器集成在一起并與車橋相結合的電驅系統；或是針對中小型轎車提供的更加輕巧的三合一電驅動系統，轉速可達21 000 r/min，不僅性能優異，而且電能轉化效率極為高效。某公司通過平臺化設計開發出能夠滿足不同功率和扭矩的電驅動系統（如圖5a 所示），縮短了研發周期。

圖5 純電動汽車三合一電驅動系統

國內對三合一電驅動系統的研究與國外相比起步較晚。表1 示出三合一集成化電驅動系統國內外對比分析表，國內在驅動電機功率密度方面和國外產品相當，而電機控制器功率密度和國外相比有一定的差距；在最高轉速方面，國外成熟電驅產品的轉速已經超過16 000 r/min，國內則多數在12 000 r/min 左右。隨著國內新能源技術的飛速發展，自主品牌電驅動系統也已取得較大進步。例如：某三合一電驅動系統具有高效區寬、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）損耗小等優勢，滿足了不同級別轎車對加速、爬坡等動力性能的需求；某集成化電驅動系統能夠實現超高的扭矩，優化后的能耗為15 kW·h/100 km，達到了業界先進水平；圖5b 示出的集成式電驅動系統配備了銅轉子感應電機、獨特拓撲架構設計的電機控制器及大扭矩齒輪箱。

表1 三合一集成化電驅動系統國內外對比分析表

3.3 多合一電驅動系統

三合一電驅動系統是當前的主流研究對象，但仍有一些公司對多合一集成設計進行了不同程度的嘗試。如某公司自主研發了八合一集成電驅總成，在常規三合一模塊之外，還集成了五合一電驅動模塊：電機控制器、車載充電器、車載電源、高壓配電模塊以及整車控制器。整個系統結構更加小巧，水冷系統的工作效率也得到大幅提升，但整體結構集成后柔性化程度降低，影響機艙的總布置。

4 純電動汽車集成化電驅系統的前沿發展趨勢

4.1 電機高速化

當前市場上電驅動系統的電機最高轉速一般在12 000 r/min 左右，但是隨著新技術、新材料的發展及應用，加之客戶對驅動效率、加速體驗的重視及追求，采用更高速的驅動電機成為集成電驅發展的必然趨勢。高轉速電機能夠提高功率密度，同時減小體積、降低成本，對于電動車動力性能來說優勢尤為明顯。現階段有部分轉速超過16 000 r/min 的高速電機已經面市，主要應用于中高端的純電動車型中。

4.2 多擋減速器

目前全球主流集成化電驅系統多采用電機匹配單擋減速器的架構，其結構簡單，成本較低，但在高轉速情況下效率和扭矩會急速衰減，當電動車達到極速后沒有提升的空間，因此，經濟性不高。而多擋化設計能夠使電機盡量工作在高效率的轉速區間，同時兼顧其動力性能和經濟性，特別是在極速狀態以及低負荷條件下，擋位的切換能夠確保驅動電機多數情況處于高效率工作點。隨著將來技術成熟度的提高和成本的降低，多擋減速器（如圖6 所示）必然會成為更多集成化電驅動系統的選擇。

圖6 2 擋集成電驅系統

4.3 平臺化設計

汽車產業是典型的規模經濟產業，汽車產品平臺化設計能夠有效地降低研發成本，縮短上市周期[3]。根據不同轉矩、功率需求以及不同級別的車型，可以規劃不同的系列化平臺電驅動產品，如表2 所示。通過平臺化設計集成電驅動系統，可以降低各部件的采購成本，實現技術經驗共享。純電動乘用汽車市場需要在短時間內產生規模效應、增量降本，因此集成化電驅動系統向平臺化設計發展是大勢所趨。

表2 永磁同步平臺化集成電驅動系統

5 結論

隨著新能源汽車技術的突飛猛進，零部件集成化設計已經成為必然趨勢，而集成化的電驅動系統就是當今時代飛速發展的產物。文章主要分析了集成化電驅動總成與普通電驅動系統相比的優點及弊端，并總結了當前純電動乘用車市場集成化電驅動系統的國內外應用實踐。根據當前電驅動系統集成化設計的前沿發展趨勢，高速化、多擋化、平臺化的三合一電驅動系統在近期內都將是純電動汽車產業重點研究的技術核心。