基于专利分析的新能源汽车驱动电机冷却技术发展现状分析

郭少杰 王军雷 夏天 吕惠

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2.天津电子信息职业技术学院，天津 300350）

主题词：新能源汽车 驱动电机 冷却技术 专利分析

1 引言

目前新能源汽车驱动电机主要以直接驱动式为主，轮边电机和轮毂电机存在较多技术难题，极少量产。直接驱动式电机又以直流电机、永磁同步电机、交流异步电机和磁阻电机为主，其中，直流电机在早期电动车辆中应用较多，但其机械机构较为复杂、过载能力差、转速低、维修成本高且电磁干扰严重，已基本被淘汰；开关磁阻电机是近些年出现的一种新型电机，结构简单、可靠性高、质量轻、成本低、效率高且易于维修，非常适合车辆用驱动电机，但目前正在技术研究之中，基本不存在车辆量产应用[1-3]。

当前驱动电机主要以永磁同步和交流异步为主，永磁同步电机由于具有结构紧凑、质量轻、功率密度高、运行效率高，特别是在低速区输出转矩大等特点，成为新能源汽车驱动电机的首选[4]。同时，交流异步电机也是新能源汽车驱动系统的优先选择之一，其转子结构简单可靠，材料与制造成本较低，低速区输出转矩较大，且弱磁方便，具有很宽的恒功运行范围[5-6]。以交流异步电机为例，电机结构一般由轴承盖、端盖、接线盒、定子、转子、轴承、冷却系统、传感器和罩壳部分构成。当前对驱动电机系统的改进主要围绕在定子、转子和冷却系统的设计，以提高驱动电机的功率密度、转速和转矩这3个核心参数[7-8]。

2 驱动电机各核心技术专利申请趋势分析

本文使用的专利检索数据库为中国汽车技术研究中心有限公司自主研发的全球汽车专利数据库，收录了全球104个国家6 387万余条汽车及相关领域的专利。专利选取范围以申请日为入口，自2000年1月1日起，截至2019年9月31日。

对驱动电机定子、转子和冷却系统这3项核心技术进行专利申请趋势分析，如图1所示。转子和定子领域的专利申请量在2000年至2011年期间整体处于快速发展阶段，专利申请量在2001、2005和2008年虽有小幅回落，但随后仍然保持增长势头；自2012年起转子和定子技术进入技术成熟期，专利申请量上下波动，并有所下滑。对于冷却系统来说，虽然2000年至2016年之间冷却系统的专利申请量低于转子和定子相关专利申请量，但在2014年至2017年这几年间，冷却系统的专利申请量则一直保持增长状态，并且在2017年时冷却系统的专利申请量超过了转子和定子的专利申请量，说明全球范围近年来对驱动电机冷却系统研究的关注度更高。

图1 驱动电机分技术领域全球申请量趋势

3 驱动电机冷却技术专利分析

3.1 专利申请趋势分析

截止至2019年9月31日，驱动电机冷却技术相关专利申请全球2 451件，其中在中国申请1 078件，驱动电机冷却技术在全球和中国范围专利申请量趋势如图2所示。

图2 驱动电机冷却技术全球和中国范围专利申请量趋势

从图2中可以看出，受专利18个月公开期的影响，部分专利数据并未公开，2018～2019年专利申请量有所下滑。从全球专利申请分布来看，虽然存在部分年份专利申请量有所下降的情况，但是驱动电机冷却技术相关专利申请整体处于增长状态。驱动电机冷却技术换代升级速度较快，自然冷却、风冷、水冷、油冷技术升级带来驱动电机冷却技术相关专利申请量的持续增长。

中国驱动电机冷却技术专利申请自2001年起步，虽然起步较晚，但是作为新能源汽车的主要市场，我国驱动电机冷却相关的技术快速发展，从图2中的中国与全球专利申请量趋势对比来看，中国驱动电机冷却技术相关专利申请紧跟全球技术升级节奏发展，并且中国专利申请量在全球申请总量中的占比越来越高，至2017年时中国驱动电机冷却技术专利申请量已经达到162件，占2017年全球驱动电机冷却技术专利申请量282件的57.4%。

3.2 驱动电机冷却技术专利申请地域分布

以专利的目标申请国为入口，进行驱动电机冷却技术地域分布分析，驱动电机冷却技术专利进入国家主要集中在中、美、德、日、欧专局，如表1所示。

表1 驱动电机冷却技术国家分布情况

具体来看，中国驱动电机冷却技术专利申请量达到869件，占比47%，我国《节能与新能源汽车技术路线图》中对驱动电机功率密度提出较高要求，而提高冷却系统效率是提高驱动电机的功率密度的关键之一[9]。

美国和欧洲也是驱动电机冷却技术专利的主要目标申请国，受益于完善的知识产权保护体系和相对开放的市场环境，各国企业均积极在美国和欧洲进行专利布局；日本也是驱动电机冷却技术专利的主要目标申请国，不过经分析发现日本相关专利主要是本国申请人（如丰田、本田、日产、电装等）申请，其他国家进入日本的专利总量较低，日本市场相对封闭。

3.3 驱动电机冷却技术申请人分析

驱动电机冷却技术全球范围主要申请人排名如图3所示，申请量排名前10的企业依次是丰田、本田、博世、日产、现代、爱信、福特、通用、奥迪和比亚迪，排名前10的申请人专利申请总量相加达到967件，占全球申请总量的52.8%，驱动电机冷却技术的专利申请较为集中。排名前10的申请人中有8名为主机厂，零部件供应商仅有博世和爱信2名，驱动电机冷却技术更多掌握在主机厂手中。丰田的专利申请量达到269件，是第2名本田的1.78倍，充分反映丰田对该技术的重视程度、研发投入和知识产权产出能力。国内企业中仅有比亚迪在驱动电机冷却技术上的全球专利申请量排名前10，位列第10位。

图3 驱动电机冷却技术全球范围主要申请企业专利申请量排名

驱动电机冷却技术中国范围主要申请人排名如图4所示，中国范围内驱动电机冷却技术专利申请量排名前3的为丰田、本田和比亚迪。博世对于驱动电机冷却技术相关专利的全球化布局较多，在中国的专利布局有所不足，仅排名第10位。另外可以看出，通用、现代等主机厂虽然推出电动汽车的时间较晚，但一直未放松驱动电机核心技术的研究和技术储备，一旦准备转型电动化则可以迅速起步。排名前10的国内企业除比亚迪外还包括奇瑞、北汽新能源和长安，国内企业在驱动电机冷却技术上的国内专利储备已经具备了与跨国企业竞争的实力，但专利向外输出的能力还有所不足，全球专利申请量排名较为落后。

图4 驱动电机冷却技术中国范围主要企业申请量排名

3.4 驱动电机冷却技术发明人分析

对驱动电机冷却技术全球专利申请发明人分布情况进行分析，如表3所示。全球排名前10的发明人中没有中国申请人，排名第1的发明人为TAKENAKA MASAYUKI，隶属于爱信公司，自2003～2008年为爱信公司进行驱动电机冷却技术专利申请，后期转为对驱动电机控制及其他核心技术的研究。

排名第2的发明人为DEGNER MICHAEL W，隶属于福特公司，自2011年起至2019年一直致力于驱动电机冷却技术的研究，重点研究方向为驱动电机水冷技术领域。并列第2名的发明人KUTSUNA NARUHIKO与排名第1的发明人TAKENAKA MASAYUKI属于爱信公司驱动电机冷却技术的同一个研究团队，大量专利申请2人作为共同发明人存在。

表3 驱动电机冷却技术全球专利申请发明人分布

3.5 驱动电机冷却技术分布分析

驱动电机冷却技术按类型可以分为自然冷却、风冷、水冷和油冷这4大类。早期采用的自然冷却技术，依靠驱动电机自身的热传递实现散热，冷却效率差，电机转速和转矩不能过高，技术已被淘汰，因此不进行分析；风冷技术通过散热风扇形成风路循环，风道内的风带走电动机产生的热量，冷却效果较好，且结构简单且成本低；水冷是通过管道将冷却液与驱动电机发热机构贴合，冷却效果优于风冷，但结构较为复杂，对密闭性要求较高；油冷技术则用于解决电机内部热源问题，水冷通常是将流道与电机机壳连接，电机内部的线圈绕组、轴承的热量需要层层传递到电机机壳后才可以被水冷结构带走，无法被直接冷却，导致温度堆积，形成局部热点，油冷采用通过不导电的油作为冷却剂，对绕组和轴承等驱动电机内部组件进行冷却。由于自然冷却、风冷、水冷和油冷属于不同的冷却技术领域，且相互之间冲突较小，在实际应用中经常采用2种或2种以上冷却方法组合的方式来提高驱动电机的冷却效率。

根据驱动电机冷却技术和研发难点为核心，综合考虑驱动电机结构、检索可行性、行业分类习惯因素，剔除结构相对简单且研发关注较低的部分，最终确定驱动电机冷却技术的技术分解，并对技术分布进行统计，如表2所示。

表2 驱动电机技术分解表

其中，风冷技术占比15%，风冷技术发展已经较为成熟且技术改进点较少，因此专利申请量占比不高；水冷技术是驱动电机冷却技术专利申请量最多的技术领域，占比60%，水冷技术目前发展较为成熟，且在冷却效果和成本上具有较好的综合优势，目前市场上大部分驱动电机采用水冷技术进行冷却；油冷技术占比24%，油冷技术为近年来发展的新技术，通过油作为冷却剂可以对驱动电机内部进行冷却，提高冷却效率，进而可以进一步提高驱动电机的功率密度，具有广阔的发展前景。

3.6 驱动电机冷却技术路线及核心专利解读

驱动电机冷却技术目前主流的技术分支包括风冷、水冷和油冷技术，选择各技术分支中具有代表性的核心专利进行解读，用以说明驱动电机冷却的各技术路线。

风冷的核心技术主要是风流流道设计，例如博世专利WO2018195788A1[10]中提出，开放坏境中，冷却气流衰减严重，导致电动机气流通道下游不能被充分散热，因此有人提出在电动机壳体上设置圆柱形罩筒避免冷却气流衰减，但同时会限制外部自然气流与散热翅片的接触，降低散热效率。因此WO2018195788A1提出可以在驱动电机外壳纵向延伸多个散热翅片，相邻散热翅片之间形成纵向延伸的冷却空气流道，确保冷却气流流过整个冷却气流通道，同时散热翅片可与与外部自然气流接触，提高散热效率。

目前驱动电机常用的水冷技术主要以水套冷却结构为主，例如博世专利EP2404362A1[11]中提出在驱动电机壳体上具有可流通冷却剂的通道，壳体包裹定子用以冷却电机，其中，水冷流道的设计为水冷结构研究的核心技术，特定的流道结构（常见的结构有：与冷却液进出口并联的圆周式围绕电机壳体的圆周流道，与冷却液进出口串联的螺旋式围绕电机壳体的螺旋流道）、不同流道数量和流道夹角对水冷技术冷却性能影响较大。

值得注意的是，在水冷时，可以辅助填充导热树脂辅助驱动电机冷却，例如日产专利JP2000014086A[12]中提出定子组件填充有热传递效率良好的树脂部分，树脂外侧作为水冷技术冷却流道结合，通过树脂降低内部热阻，进一步提高水冷技术的散热效率。水冷与风冷结合也是趋势之一，例如北汽新能源专利CN205960887U[13]中提出，通过传感器实时监测水冷系统中冷却液温度，当冷却液温度较高时，液压驱动散热风扇转动，带走水冷系统多余的热量。

驱动电机油冷技术主要目的在于带走驱动电机内部线圈的热量。传统的空冷系统和外部水套冷却系统无法直接接触到驱动电机内部的线圈结构，冷却效果较差。利用油具有不导电、不导磁、非易燃、导热好的特性，可以通过油对驱动电机内部的绕组进行直接冷却。油冷技术按领域可以分为定子冷却和转子冷却，其中，转子冷却目前常用的是油冷轴技术，以及例如通用专利US7579725B2[14]提出具有内腔和外腔的空心轴套，冷却油从转子轴内腔的冷却油通道流过，流到底部后改变流道进入外腔，并在外腔直接与转子接触，油在流过外腔时会带走转子的热量。定子冷却目前常用的技术有浸油冷却和绕组喷淋冷却，浸油冷却指定子完全浸油，冷却效率高但密封设计复杂；绕组喷淋冷却指将油引入喷油环，把油喷到定子绕组表面来冷却绕组，但存在无法完全覆盖定子，导致冷却不均匀的问题。丰田专利US20070278869A1[15]中提出在定子芯上侧设置喷油口，定子芯下侧设置排油口，通过盖子构成封闭式冷却油流道，使得定子部分与冷却油接触，并设置流量控制单元，可以根据旋转电机的状态来改变填充在冷却流道中的流体线圈的浸没水平。

当前，新能源汽车对驱动电机的功率密度参数要求日趋严格，对驱动电机冷却效率的要求也越来越高，冷却效率较高的油冷技术及多种冷却技术结合应用已经成为发展趋势。

4 结论

目前，驱动电机冷却技术已经成为驱动电机各技术领域中专利申请量增长最快的技术领域，处于快速发展阶段，并且中国已经成为驱动电机冷却技术最大的专利申请目标国，占比47%。

而从申请人看，驱动电机冷却技术主要掌握在跨国主机厂和Tier1手中，国内企业中仅比亚迪专利申请量位列全球第10位，另外奇瑞、北汽新能源和长安在国内具有较多的驱动电机冷却技术专利申请。国内企业应该更加重视驱动电机冷却技术在全球的专利布局，以防在“走出去”的时候受到知识产权的制约。综合发明人分析，专利申请量排名前10的发明人中不存在中国发明人，还有待追赶。

驱动电机冷却技术目前主要以风冷、水冷和油冷技术为研发热点，从专利上看，风冷和水冷技术中流道的设计均十分重要，水冷技术出现与树脂散热和风冷技术结合的发展趋势，油冷技术虽然冷却效果好，但结构明显更加复杂，多种冷却技术之间有效结合来提高冷却效率已成为重要的发展趋势。