車用電驅動系統技術發展趨勢及其技術要求

李全，暴杰，趙慧超，劉曉錄，趙晶

車用電驅動系統技術發展趨勢及其技術要求

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 新能源開發院，吉林 長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，吉林 長春 130013）

車用電驅動系統從驅動電機、電機控制器、傳動裝置的分離型式到輕度物理集成再到深度功能集成。電驅動系統逐步向體積小、重量輕、剛度強、成本低、效率高、功率密度高、電磁兼容性好等多重優勢方向發展，通過“機?電?磁?熱”集成設計滿足更高的整車車速和續駛里程，提升NVH指標需求。結合先進材料工藝，各項精細化設計、制造裝備水平提升更好地實現電驅動系統集成化設計，主要在高轉速多檔傳動機構（減/變速器）開發、功率密度提升、驅動效率提升、NVH指標及EMC能力等級提升、功能安全提升、平臺化模塊化設計方面集中發力。

電驅動；高功率密度；高效率；高轉速；低成本；集成化；模塊化

引言

車用電驅動系統由驅動電機、電機控制器、傳動裝置、電子駐車控制單元等組成。其中驅動電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉換，一種是在電機繞組內通以電流來產生磁場，另一種是由永磁體來產生磁場[1]。國內新能源汽車配套電機以交流異步電機和永磁同步電機為主，由于永磁同步電機具有功率密度高、體積小、重量輕、效率高、功率因數更高、恒功率調速范圍寬、且振動噪音小、轉動慣量小、動態性能好、可靠性高等優點，逐漸成為主流技術方案。電機控制器是通過對脈沖寬度進行調制的PWM控制技術[2]，將電池直流電壓轉化為電機所需的幅值、頻率可調的三相對稱交流電壓，其中功率電子器件的升級與性能提升為其核心，當前技術路線逐步由傳統SI基IGBT向SIC基MOSFET發展，且具有耐高壓、耐高頻、耐高溫等優勢。傳動裝置是通過多級單擋減速或多級多檔減速優化電機側到輪端的動能轉換過程，滿足整車輪端轉速及扭矩需求，且未來逐步向高速化方向發展，并強化電機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行機構實現停車制動，執行機構一般為執行電機驅動蝸輪蝸桿集成棘輪棘爪結構，同時將根據整車不同的駐車控制策略及技術方案進行選配。

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

1 發展形勢及宏觀環境分析

如今我國的電驅動系統實現了全產業鏈從上到下的深度貫穿式發展，國內自主研發的驅動電機及控制器產品的關鍵技術指標如功率密度、系統效率等指標均位居國際前列，但與國際領先產品尚有部分差距，技術層面體現在，關鍵技術尚未完全成熟，產品可靠性、安全性、一致性、穩定性等尚不能完全滿足用戶日益提高的整車品質追求。產業供應鏈建設層面，電驅動系統層級國產自給率較高，但內部核心零部件、關鍵基礎材料、先進基礎工藝及其設備的獲得與實現重度依賴國外資源，優勢供應商集中分布在美國、日本、歐洲等國家和地區，自給率極低，尚未完全實現國產化，進口替代的空間巨大。

據中國汽車工業協會統計數據，2019年我國新能源汽車產銷量分別達到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動電機及控制器，國內相關配套企業已具備較為充分的國產化配套能力，產業聚集效應初步顯現[3]。

新能源汽車的發展離不開政策的扶持，更離不開技術的革新。為實現新能源汽車制造彎道超車，針對電驅動系統面向2035年發展愿景實施三步走策略如下圖1所述。

圖1 2035年發展愿景三步走策略

為實現2035年發展愿景，接軌國際先進電驅動系統技術發展趨勢，制定分階段電驅動系統技術目標如下表1所示。

表1 分階段電驅動系統技術目標[3-4]

具體指標2025年2030年2035年 系統集成度輕度集成中度集成深度集成 系統最高轉速/RPM18 00020 00025 000 系統工況效率/CLTC87%88.5%90% 電機比功率/（kW/kg）567 系統采購成本/（RMB/kW）706050 系統NVH主觀評價7分以上7.5分以上8分以上

整車平臺對電驅動系統需求指標主要圍繞高性價比、小型輕量化、低噪音、高效率、安全智能、模塊化搭載方面，未來提高系統集成度、轉速和電壓等級，新型功率電子、控制平臺、材料工藝創新升級、整車系統級方案創新是主要的技術發展趨勢。

2 車用電驅動系統技術趨勢及其要求

結合近3年國內外電驅動系統關鍵技術指標，國內量產產品在電機比功率、電驅最高效率等指標與國外同時期量產產品接近，在重量和轉速指標上還有一定差距，如下表2和表3所示的關鍵技術指標。

表2 國外電驅動系統關鍵技術指標[3,5]

對比維度大陸EMRLGE IPGM寶馬四代博世MEBLeaf 2018Model3 電機峰值轉矩/Nm270340250310320416 電機峰值功率/kW120110125150110165 電機最高轉速/（r/min）14 0009 22011 40016 00010 50017 900 標稱母線電壓/Vdc315350330388340370 電機比功率/（kW/kg）3.444.033.814.43.624.5 電驅最高效率/%929292939394 電驅總重量/kg828380.59290.190 成熟度（SOP時間）/年201920182014201920182017

表3 國內電驅動系統關鍵技術指標[3]

對比維度產品1產品2產品3產品4產品5產品6 電機峰值轉矩/Nm320300320300320330 電機峰值功率/kW140160150145～150150180 電機最高轉速/（r/min）12 00015 00016 00012 80014 00014 000 標稱母線電壓/Vdc350410340350396671 電機比功率/（kW/kg）4.14.9估4 估4估4.2 電驅最高效率/%93939392.59293 電驅總重量/kg82.59094809293 成熟度（SOP時間）/年201820202020201920192018

通過五個維度對同時期國內外量產純電驅動系統核心技術進行深入對比，如下表4所述。

表4 國內外電驅動系統核心技術對比

對比維度對比分析國內產品國外產品 系統集成化設計集成深度接近，需與整車協同攻關實現底盤電動化深度融合êêêêêê 高速傳動機構開發特斯拉最高轉速已達到17 900 r/min，國內尚未實現商品化規模應用êêêêê 功率密度提升國產最新量產或在研電驅動系統電機比功率均達4 kW/kg以上，處于國際先進êêêêêê 驅動效率提升特斯拉SiC分立器件市場化，系統最高效率高達94%左右，高于國產系統1%êêêêê 平臺化與模塊化國產通用性、擴展性設計略弱，規模效應不足，核心零部件無國產替代資源，成本控制有差距êêêêê

2.1 系統集成化設計

電驅動系統未來更深層次的集成將集中在熱管理系統的策略、算法集成、大規模電路拓撲集成以及多功能結構及裝配工藝集成方面，且逐步由三合一向多合一方向發展，典型如華為多合一電驅動系統DriveONE是業內首款超融合動力域解決方案。該系統通過電機控制器（MCU）、電機、減速器、車載充電機（OBC）、電壓變換器（DC/DC）、電源分配單元（PDU）及電池管理系統主控單元（BCU）七大部件的高度集成，不僅實現了機械部件和功率部件的深度融合，同時借助傳統業務優勢，將電力電子技術、智能化技術、網聯化技術和電驅動系統進行深度融合，實現端云協同與控制歸一。七合一動力總成極大優化整車空間，減少接口連接部件，官方發布功率密度達到2.1 kW/kg?？v觀國外產品，將高壓模塊與電機控制器集成，在寶馬四代等產品已進行市場化應用，未來國產集成方案需要接受市場的檢驗。

2.2 高速傳動機構開發

提高轉速，降低轉矩需求，是開發體積更小、功率密度更高的電機的另一可行技術途徑。隨著轉速的提高對傳動部件性能以及旋轉件強度要求更高，主要集中在高速軸承、高速油封、高強度硅鋼以及磁鋼注塑工藝、動平衡工藝等。

當前SKF公司已開發適用于新能源領域高轉速系列軸承，其最高轉速能夠滿足18 000 r/min，并在特斯拉Model 3等電驅系統量產應用。高轉速意味著更高的線速度，對關鍵動密封件如油封等部件的要求也更加苛刻，NOK等公司已有相關產品進行驗證。為滿足高轉速下轉子強度要求，寶鋼、首鋼相繼推出高強度無取向硅鋼，優化材料工藝匹配產品性能。在裝配工藝方面，內置式永磁體的固定設計也要考慮高轉速影響，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零部件尺寸精度、生產一致性和設備能力要求較高，現行業主流采用注塑工藝，同時為滿足高轉速要求需要考慮注塑材料力學特性。隨著轉速提高轉子總成相對初始裝配位置在高轉速下出現偏移，會產生振動、壽命降低等故障，其自身動平衡已不滿足高等級要求。因此高轉速電機在動平衡工序之前需要增加一道去應力工序，滿足高轉速下動平衡精度要求，去應力方法主要包含溫度法、轉速法。

2.3 功率密度提升

高功率密度永磁電機主要對電磁結構和冷卻系統進行優化設計，通過合理的極槽比設計、齒槽關鍵尺寸優化和多層磁鋼布置，優化氣隙波形，降低轉矩波動，增加磁阻轉矩，使得相同材料用量的前提下，輸出轉矩提升10%～15%，同時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，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，提高熱傳導效率，扁線電機工序復雜，精度要求高，大規模普及依賴專業的高端設備，制約其國產化；系列化設計難于實現，設計柔性化不足。未來隨著轉速的提升，扁線繞組逐步向多層方案進行延展以此來降低集膚效應的影響。圓導線精密排線技術能夠獲得傳統圓導線與扁導線之間的平衡，也是提高功率密度的可行工藝。

目前國內新能源汽車普遍采用水冷電機，能滿足絕大部分應用場景需求。國外特斯拉等高端電動乘用車已開始采用油冷電機技術，并且要實現超高功率密度電機的開發，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。隨著電機與減速器的深度集成，油冷電機技術水到渠成。其難點在于：冷卻油路設計、油材料兼容性、供油方式和高壓油泵設計、清潔度控制、零部件協同設計等。在成本控制上，需要尋找到電機功率與零部件成本的平衡點，低功率電機水冷還是主流方式，高功率電機逐步向油冷過渡。當前國內部分企業也做了大量的專利布局，例如精進電動的油水混合電驅動系統[6]，實現了減速器與電機總成內部共用油路冷卻及電機殼體水冷換熱等功能。

2.4 驅動效率提升

高效率是電動汽車節能環保標簽的本質屬性，從技術層面分析，提高效率需要對電機、逆變器損耗及系統集成和制造工藝進行優化，電機損耗包含銅損、硅鋼磁滯損耗、硅鋼及磁鋼渦流損耗和機械損耗，逆變器損耗包含開關損耗和導通損耗。

針對電機損耗，通過磁鋼分段技術、超薄硅鋼、非晶材料、軟磁復合材料應用可以有效降低渦流損耗；通過空載氣隙磁場及反電勢正弦優化降低磁滯損耗；通過高速高壓化、超導銅線應用以及多層方導線技術降低銅損；采用低損耗軸承降低機械損耗。針對逆變器損耗，通過全域變載頻技術或碳化硅功率器件降低開關損耗；通過驅動升壓技術降低導通損耗等。同時在系統集成優化方面要面向整車工況定向匹配，通過小型輕量化集成設計、升壓器調壓穩壓等實現系統效率提升。在制造工藝方面，優化焊接或鉚接工藝參數，降低對軟磁材料性能影響，最終實現系統效率最優。

隨著寬禁帶半導體技術進入實用化階段，SiC基MOSFET是實現高溫、高效、高速運行的重要途徑，其優勢在于耐高溫，耐高壓可減少電流需求并與快充系統匹配，耐高頻無源元器件體積小，導通損耗低可以提高輕載工況下的能源轉換效率[7]。SiC基MOSFET面臨的挑戰是材料制備成本高，工藝尚不成熟，限制了其在當前市場的商業化推廣。我國SiC MOSFET研發水平距離國際領先水平還要較大差距，諸多成果還停留于開發階段，設計、開發、測試標準體系尚不完備。

2.5 平臺化與模塊化設計

永磁同步電機應用對提升整車動力性具有推動性作用，同時電機和整車配套方案也層出不窮。純電平臺可以通過雙電機方案，有效分配大電機、小電機使用優化任意速度點，發揮不同電機的效率優勢，以此提高整車系統綜合效率。如國內品牌蔚來ES6，基準版前后搭載永磁同步電機，性能版前搭載永磁電機后搭載感應電機，兼顧爆發力和耐久力，通過前后電機四驅控制優化，實現高性能長續航，前后三合一系統高度集成，實現小型輕量化設計。當前純電動車平臺，通過模塊化系統設計，將電驅系統、電池組與底盤深度集成，根據續駛里程和軸距要求匹配不同數量電池模組，同時根據整車動力性能要求搭載不同的前后置電驅動系統，整車研發周期大大縮減，成熟平臺如大眾MEB，吉利沃爾沃CMA，現代E-GMP等。

2020北京車展，博格華納展示集成式電驅動系統iDM。博格華納iDM電驅動系統主要由高性能電機、傳動系統冷卻模塊、電機控制模塊、信號連接接口、高壓電源接口、傳動軸接口以及駐車鎖止系統8個模塊構成。博格華納iDM的優勢主要在于其可擴展和模塊化的架構，且支持各種齒輪速比和電機尺寸，適配不同的整車電壓平臺，該系列產品可提供高達160 kW的峰值功率和3 800 Nm的峰值扭矩，模塊化設計可以有效降低開發周期及原材料成本。

2.6 NVH及EMC等級優化設計

相比傳統汽車可以被內燃機掩蓋噪聲，電動汽車噪聲更加刺耳，且高頻噪聲較多，高頻噪聲大部分源于電驅動系統。電機振動是激勵力作用在結構上引起的響應[8]。激勵源分為電磁激勵源和機械振動激勵源，電磁激勵源主要包括齒槽基波及諧波引起的電磁激勵力、定轉子齒槽配合引起的電磁激勵力、變頻器供電帶來的電磁諧波激勵力等。機械振動激勵源主要包括了轉子加工及裝配帶來的不平衡力、軸承運轉時內部摩擦引起的摩擦激勵力等。為了降低電機振動，從激勵源和傳遞特性兩方面入手，實現電機參數極致優化及結構模態優化設計。盡管電機噪聲比內燃機噪聲易于控制，但仍需花費大量精力開發電機機械隔離與隔聲策略、開發靜音電機降低電磁激勵、開發主動智能降噪控制策略等。

隨著電驅動系統集成度提高，內部EMC干擾問題愈加嚴重；同時客戶對產品EMC等級提出了更高要求，其中傳導發射和輻射發射是業界控制難點[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，通過電驅系統等效分布電感、電容等阻抗網絡，帶來復雜的磁場、電磁耦合。為了滿足更高的電磁兼容等級需要從結構、電路、耦合關系等維度優化設計，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、端蓋之間導電密封等。

2.7 功能安全設計

2011年，ISO26262正式成為國際標準化組織的一項安全標準，隨著標準的發布，功能安全在國際上引起更多關注和重視，以德爾福、博世、大陸為代表的國際零部件供應商都宣稱其控制器的扭矩安全等級達到了ASIL-C級。部分國內主機廠和配套企業也陸續完成了ISO26262流程認證、新能源電控單元產品認證、整車廠級別認證等，未來ISO26262標準有可能演變為一項強制標準。2017年，中國汽車技術研究中心牽頭制定了GB/T 34590《道路車輛功能安全》，旨在推動功能安全標準的推廣普及。

為了實現更高的功能安全等級要求，符合標準AUTO- SAR架構、運算能力更強勁的多核控制平臺是電驅動產品開發的重點，多核控制平臺硬件資源豐富，運算能力強，適合高要求電控，然而控制芯片及其基礎平臺技術基本處于英飛凌、瑞薩、NXP、飛思卡爾、TI等國際頂級供應商壟斷狀態，開發難度極大。未來要實現我國汽車電驅動產業的可持續發展和風險可控，必須大力推動國產控制芯片的研發和產業化應用。

2.8 其他

無動力中斷的兩擋減速器和帶脫擋斷開的傳動裝置是高端電動汽車電驅動系統的研發方向之一。區別于現階段主流系統匹配形式，單擋變速箱加單/雙電機的組合，兩擋變速箱和單電機的組合，具有在行駛過程換擋，可以將前后軸斷開，從而達到節省能耗并且避免永磁電機空轉產生的拖拽效應對汽車造成影響。雖加速做到了極致，但這樣做的不足也很明顯：結構復雜、散熱難度大、續航短、成本過高，并非成熟可靠的體系。

總體來看，只有多擋位、多驅動模式以及融合動力性、經濟性優勢的電驅技術，才能為行業發展指出一條新明路?；诖寺肪€，國內廠商典型有廣汽兩檔雙電機“四合一”集成電驅總成，該總成包含五大核心技術亮點：（1）極致動力性：系統輸出最大功率340 kW；（2）極致經濟性：系統綜合效率達到90%；（3）高度集成化：相較于兩個單電機三合一電驅總成，體積減小30%，重量減少25%；（4）智能多驅動模式：包含單擋單電機模式、單擋雙電機模式、兩擋雙電機模式，智能切換實現無動力中斷；（5）OTA自主進化功能。首創高性能兩擋雙電機“四合一”集成電驅技術路線的好處在于，相同功率需求時，雙電機可以降低電機電控技術難度，提高總成可靠性，同時雙電機兩擋可以實現無動力中斷換擋，提高整車舒適性；兩擋可實現不同速比，即在相同電機扭矩下，實現更大輪端峰值扭矩，在相同的電機最高轉速下，實現更高的輪端轉速，兼具大扭矩、高轉速輸出性能，是極致超跑電驅的發展方向。

3 結束語

未來的電驅動系統在創新發展需求驅動下將逐步向數字孿生技術，狀態檢測智能化以及網絡化方向發展，同時基于多核異構計算平臺的電機智能控制方法以及健康狀態檢測和故障容錯控制技術的發展也將勢不可擋。

電工基礎材料與工藝研究以及車規級電驅動總成核心零部件開發也將成為前沿基礎。同時針對新型高效插電式混合動力總成、高效驅動電機技術開發以及高集成度電機控制器技術開發將繼續作為未來應用技術的研究重點。

作為行業共性技術問題，打通全產業鏈技術壁壘，避免外部干預的影響，未來3～5年國內亟需有競爭力企業實現電驅動產品底層開發軟件、工具鏈及檢測平臺的國產化，真正能夠將電驅動產品實現貫穿式發展。

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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院，研究方向：車用電驅動系統設計。