电驱动系统产业发展现状和趋势研究

2021-05-26孟庆思陈川李宏伟

汽车实用技术 2021年9期

孟庆思，陈川，李宏伟

（中国汽车技术研究中心有限公司中汽数据有限公司，天津 300300）

电驱系统（电机、电控、变速器等）是新能源汽车的核心部件。发展初期，电驱动相比较成本高昂的动力电池在政策、企业和市场端受关注度普遍较低。但随着补贴政策的逐步推出，产品进一步市场化，新能源汽车的动力性和能耗水平也成为衡量整车的重要指标，电驱动技术越来越受到行业的普遍重视。

1 市场现状

1.1 总体市场分析

作为市场的新入局者，新能源乘用车整体受政策和外界环境影响较大。从市场走势来看，2017年和2018年产量同比均实现大幅增长，2018年单年产量突破百万。2019年新能源汽车补贴退坡导致下半年市场表现不及预期，全年仅实现同比1.54%的微增。由于新冠状肺炎疫情的影响，2020年1-5月新能源乘用车产量同比降低46.51%。电驱系统配套情况与新能源汽车市场同步发展态势。

图1 2017-2020年1-5月新能源乘用车产量走势

1.2 电驱市场及供货关系

我国电驱系统供应链体系逐步建立，发展较为完善，多家自主企业具备独立的研发和生产能力。2020年1-5月电机配套量前三的乘用车企业分别是比亚迪、特斯拉和蔚来，市场占比累计达到38%。

图2 2017-2020年新能源乘用车产量走势

从电机供应模式来看，主要分为自产自销、第三方供货以及合资公司供货三种模式。自产自销的典型代表企业是比亚迪、特斯拉和蔚来，此类企业的特征有三，分别是先天具备电动化基因，资金实力较强且产品市场占有率较高。先天的基因注定此类企业是颠覆性的，在关键动力部件的布局上也较为完善；资金实力，有足够的资本进行研发和投机建厂；高占有率有利于形成规模效应，降低零部件的成本。其次是以第三方电机企业供应为主，主要以华晨宝马、广汽等传统企业为主，此类企业的特点是以传统车为主，电动化过程是循序渐进逐步过渡式的，短期内采用第三方企业产品就可以满足需求。第三类以合资公司供货的代表就是一汽大众和上汽大众。

图3 电机供应模式和关系

除了电机之外，电机控制器的供应模式和市场格局与电机基本相似。

2 技术现状

2.1 永磁电机市场占比逐年提升

永磁同步电机和交流异步电机是电动车应用最广的两种电机。永磁同步电机具有功率密度高；效率高；能耗低，高启动转矩、启动时间较短等优势，但缺点在于成本高，高温引发退磁现象等[1-2]。

从近几年配套乘用车不同类型电机市场占比走势来看，永磁同步电机市场占比提升明显，从2017年的70.97%提升到了2019年的96.52%；2020年1-5月也达到95%以上。永磁同步电机成为绝对主力。市场的变化与近几年电动汽车产品结构有较大关系，前期小微型车在市场占主导，为了降低成本小微型车多配备交流异步电机；而随着扶优扶强政策的切换，紧凑型及以上车型开始占主导，为保证整车动力性，配套永磁同步电机的车型也越来越多。

图4 2017-2020年1-5月新能源乘用车产量走势

2.2 电机功率密度仍有较大提升空间

图5 不同级别纯电动轿车电机功率－质量分布

图6 不同级别纯电动SUV电机功率－质量分布

电机功率是衡量电机技术水平的重要指标，图5、图6分别是不同级别纯电动轿车和SUV配套电机的功率－质量散点图。从图中可以看出，纯电动轿车中微型轿车电机功率主要分布在25-50kW，质量集中在20-40kg之间；紧凑型车功率主要分布在100-150kW，质量40-60kg之间；中型车车型数量比较少，电机功率分布较散。对于纯电动SUV，紧凑型和中型SUV质量主要分布在50-60kg之间，中型车电机功率普遍略高在150kW上下。从散点分布看，配套轿车绝大多数电机均位于斜线下方，功率/质量偏低。

2.3 扁导线电机得到进一步应用

扁导线电机具有槽满率高，低直流铜损，散热性和热传导更好等优势，被认为是提升电机功率密度的有效手段。同时，扁导线绕组电机存在工艺复杂、趋肤效应大、铜线要求高和设备要求高等特点，技术门槛相对较高。早在2007年，雪佛兰Vlot采用雷米生产的扁导线电机技术，2015年丰田普锐斯采用电装生产的扁导线电机。我国扁导线技术起步较晚，2017年上汽研发成功并应用在热门车型ERX5、Ei5等；2020年蜂巢开发的小型扁导线电机在欧拉R1上进行了装配。精进电动研制了扁导线绕组乘用车电机样机，功率密度达到4.4kW/kg以上。

2.4 电机控制器功率密度整体偏低

电机控制器是三电核心部件之一，是能量由电池到电机传递转换的枢纽和控制核心，对于提升能量利用效率、输出动力的可靠性和稳定性有着至关重要的作用。根据《节能与新能源汽车技术路线图》的规划，2020年控制器比功率实现15kW/L，2030年达到控制器比功率35kW/L。

根据纯电动乘用车电控功率－体积散点图来看，我国现阶段电控功率密度整体偏低，绝大多数产品位于斜线以下，绝大多数产品功率密度不足10Wh/L，与技术路线图规划目标存在一定的差距。

图7 不同级别纯电动轿车电控功率－体积分布

2.5 电驱集成化

目前比较主流的做法是将电机、控制器和减速器深度集成，形成三合一电驱方案[3]。

系统集成优势明显，通过共用壳体、连接件等可以有效地减小电驱动系统的体积、降低系统总质量，达到轻量化、节约成本等目的。电驱动系统的各个部件通过整合，整体结构更为紧凑，安装尺寸和所占体积得到进一步缩减，系统功率密度得到有效提升。通过电驱系统的集成化实现成本的降低和技术提升。

但同时挑战也非常大，在散热方面需要对系统整体散热通盘考虑，通过优化冷却系统、介质以及流量等关键因素保证各零部件处于正常工作温度区间。此外，高转速带来的NVH的挑战、冷却概念和轴承、EMC复杂性提高，以及跨零部件开发协同难度增加等。

表1 主流企业三合一电驱系统应用情况

3 发展趋势

未来电驱系统趋势主要围绕“集成化”“高效化”“低成本”等维度发展。

3.1 电机

电机小型高效化和低成本是未来发展的重要方向。提升电机效率主要通过降低铜损和铁损来实现。通过将绕组圆导线改为扁导线提升槽满率是降低铜损的重要手段，随着技术和工艺的不断成熟，未来扁导线电机会得到更大规模的应用。在降低铁损方面，一味追求高的转速并不是明智之举，在提升电机的动力性同时也要兼顾铁损的降低。

此外，伴随着新能源汽车市场规模的不断增加，低重稀土永磁材料的开发和应用将是降低电机成本的关键手段。

3.2 电控

电控是电驱系统的“大脑”，核心功率器件SiC MOSTET凭借更高的导热系数、高禁带宽度等优异性能有望在未来五到十年逐步替代传统IGBT。从产业链布局情况来看，材料厂商如美国科锐、日本昭和电工、罗姆等公司纷纷加大SiC产能的布局；功率器件厂商如英飞凌、意法等公司也加大车规级SiC MOSTET产品的开发和布局，纷纷同上游材料厂商签订战略合作协议；OEM厂如特斯拉已经率先在Model 3装配；丰田将2021年混动和氢燃料电池车将全面使用SiC，同时与电装成立合资公司，布局车载半导体业务；我国比亚迪也在比亚迪汉EV进行了搭载，并计划到2023年，旗下的电动车中实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代。

3.3 减速器

电机减速器的优点是结构简单，技术难度小，成本低等，但缺点也很明显，当汽车高速运行，电机转速高，电机能量损失大，电耗大幅提高。通过多挡化设计以保证电机在不同工况下都能在较高效区工作，既保证了汽车的动力性，也提升了整车的节能效果。目前2级减速器已经得到应用，如宝马i8采用了吉凯恩开发的2级减速器，长城P8、长安CS75 PHEV采用了舍弗勒开发的2级减速器。在纯电动车型上，上汽荣威MARVEL X采用了后置双电机配两级变速器技术。随着电动车体量的增大，对整车能耗水平的逐步加严以及多级减速器技术的不断成熟，必将得到进一步的应用。