车用电驱动系统技术发展趋势及其技术要求

李全，暴杰，赵慧超，刘晓录，赵晶

车用电驱动系统技术发展趋势及其技术要求

李全1,2，暴杰1,2，赵慧超1,2，刘晓录1,2，赵晶1,2

（1.中国第一汽车股份有限公司 新能源开发院，吉林 长春 130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，吉林 长春 130013）

车用电驱动系统从驱动电机、电机控制器、传动装置的分离型式到轻度物理集成再到深度功能集成。电驱动系统逐步向体积小、重量轻、刚度强、成本低、效率高、功率密度高、电磁兼容性好等多重优势方向发展，通过“机−电−磁−热”集成设计满足更高的整车车速和续驶里程，提升NVH指标需求。结合先进材料工艺，各项精细化设计、制造装备水平提升更好地实现电驱动系统集成化设计，主要在高转速多档传动机构（减/变速器）开发、功率密度提升、驱动效率提升、NVH指标及EMC能力等级提升、功能安全提升、平台化模块化设计方面集中发力。

电驱动；高功率密度；高效率；高转速；低成本；集成化；模块化

引言

车用电驱动系统由驱动电机、电机控制器、传动装置、电子驻车控制单元等组成。其中驱动电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换，一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，另一种是由永磁体来产生磁场[1]。国内新能源汽车配套电机以交流异步电机和永磁同步电机为主，由于永磁同步电机具有功率密度高、体积小、重量轻、效率高、功率因数更高、恒功率调速范围宽、且振动噪音小、转动惯量小、动态性能好、可靠性高等优点，逐渐成为主流技术方案。电机控制器是通过对脉冲宽度进行调制的PWM控制技术[2]，将电池直流电压转化为电机所需的幅值、频率可调的三相对称交流电压，其中功率电子器件的升级与性能提升为其核心，当前技术路线逐步由传统SI基IGBT向SIC基MOSFET发展，且具有耐高压、耐高频、耐高温等优势。传动装置是通过多级单挡减速或多级多档减速优化电机侧到轮端的动能转换过程，满足整车轮端转速及扭矩需求，且未来逐步向高速化方向发展，并强化电机和减速器的深度集成。电子驻车控制单元是通过电子控制方式使执行机构实现停车制动，执行机构一般为执行电机驱动蜗轮蜗杆集成棘轮棘爪结构，同时将根据整车不同的驻车控制策略及技术方案进行选配。

车用电驱动系统通常采用铝合金轻量化壳体材质，通过“机-电-磁-热”集成向高速、高效、低噪声方向发展，满足更高车速和续驶里程要求，但集成化也有诸多难点，如更强的质量稳定性和一致性、以及EMC和NVH改善等方面。由于多合一电驱动系统通用性比较差，不便于适配多样化的整车平台，因此如果单一车型产量有限，则会导致采购制造成本上升，抵消共用元器件带来的降本效果。未来的一体化电驱系统将以电机、电机控制器、减速器集成为主要发展方向，且发展到一定阶段后将与多合一集成式电驱动系统、分布式轮毂/轮边电驱动系统并存。

1 发展形势及宏观环境分析

如今我国的电驱动系统实现了全产业链从上到下的深度贯穿式发展，国内自主研发的驱动电机及控制器产品的关键技术指标如功率密度、系统效率等指标均位居国际前列，但与国际领先产品尚有部分差距，技术层面体现在，关键技术尚未完全成熟，产品可靠性、安全性、一致性、稳定性等尚不能完全满足用户日益提高的整车品质追求。产业供应链建设层面，电驱动系统层级国产自给率较高，但内部核心零部件、关键基础材料、先进基础工艺及其设备的获得与实现重度依赖国外资源，优势供应商集中分布在美国、日本、欧洲等国家和地区，自给率极低，尚未完全实现国产化，进口替代的空间巨大。

据中国汽车工业协会统计数据，2019年我国新能源汽车产销量分别达到124.2万辆和120.6万量，其中新能源乘用车和商用车分别占比87.8%和12.2%，作为新能源汽车核心部件的驱动电机及控制器，国内相关配套企业已具备较为充分的国产化配套能力，产业聚集效应初步显现[3]。

新能源汽车的发展离不开政策的扶持，更离不开技术的革新。为实现新能源汽车制造弯道超车，针对电驱动系统面向2035年发展愿景实施三步走策略如下图1所述。

图1 2035年发展愿景三步走策略

为实现2035年发展愿景，接轨国际先进电驱动系统技术发展趋势，制定分阶段电驱动系统技术目标如下表1所示。

表1 分阶段电驱动系统技术目标[3-4]

具体指标2025年2030年2035年 系统集成度轻度集成中度集成深度集成 系统最高转速/RPM18 00020 00025 000 系统工况效率/CLTC87%88.5%90% 电机比功率/（kW/kg）567 系统采购成本/（RMB/kW）706050 系统NVH主观评价7分以上7.5分以上8分以上

整车平台对电驱动系统需求指标主要围绕高性价比、小型轻量化、低噪音、高效率、安全智能、模块化搭载方面，未来提高系统集成度、转速和电压等级，新型功率电子、控制平台、材料工艺创新升级、整车系统级方案创新是主要的技术发展趋势。

2 车用电驱动系统技术趋势及其要求

结合近3年国内外电驱动系统关键技术指标，国内量产产品在电机比功率、电驱最高效率等指标与国外同时期量产产品接近，在重量和转速指标上还有一定差距，如下表2和表3所示的关键技术指标。

表2 国外电驱动系统关键技术指标[3,5]

对比维度大陆EMRLGE IPGM宝马四代博世MEBLeaf 2018Model3 电机峰值转矩/Nm270340250310320416 电机峰值功率/kW120110125150110165 电机最高转速/（r/min）14 0009 22011 40016 00010 50017 900 标称母线电压/Vdc315350330388340370 电机比功率/（kW/kg）3.444.033.814.43.624.5 电驱最高效率/%929292939394 电驱总重量/kg828380.59290.190 成熟度（SOP时间）/年201920182014201920182017

表3 国内电驱动系统关键技术指标[3]

对比维度产品1产品2产品3产品4产品5产品6 电机峰值转矩/Nm320300320300320330 电机峰值功率/kW140160150145～150150180 电机最高转速/（r/min）12 00015 00016 00012 80014 00014 000 标称母线电压/Vdc350410340350396671 电机比功率/（kW/kg）4.14.9估4 估4估4.2 电驱最高效率/%93939392.59293 电驱总重量/kg82.59094809293 成熟度（SOP时间）/年201820202020201920192018

通过五个维度对同时期国内外量产纯电驱动系统核心技术进行深入对比，如下表4所述。

表4 国内外电驱动系统核心技术对比

对比维度对比分析国内产品国外产品 系统集成化设计集成深度接近，需与整车协同攻关实现底盘电动化深度融合êêêêêê 高速传动机构开发特斯拉最高转速已达到17 900 r/min，国内尚未实现商品化规模应用êêêêê 功率密度提升国产最新量产或在研电驱动系统电机比功率均达4 kW/kg以上，处于国际先进êêêêêê 驱动效率提升特斯拉SiC分立器件市场化，系统最高效率高达94%左右，高于国产系统1%êêêêê 平台化与模块化国产通用性、扩展性设计略弱，规模效应不足，核心零部件无国产替代资源，成本控制有差距êêêêê

2.1 系统集成化设计

电驱动系统未来更深层次的集成将集中在热管理系统的策略、算法集成、大规模电路拓扑集成以及多功能结构及装配工艺集成方面，且逐步由三合一向多合一方向发展，典型如华为多合一电驱动系统DriveONE是业内首款超融合动力域解决方案。该系统通过电机控制器（MCU）、电机、减速器、车载充电机（OBC）、电压变换器（DC/DC）、电源分配单元（PDU）及电池管理系统主控单元（BCU）七大部件的高度集成，不仅实现了机械部件和功率部件的深度融合，同时借助传统业务优势，将电力电子技术、智能化技术、网联化技术和电驱动系统进行深度融合，实现端云协同与控制归一。七合一动力总成极大优化整车空间，减少接口连接部件，官方发布功率密度达到2.1 kW/kg。纵观国外产品，将高压模块与电机控制器集成，在宝马四代等产品已进行市场化应用，未来国产集成方案需要接受市场的检验。

2.2 高速传动机构开发

提高转速，降低转矩需求，是开发体积更小、功率密度更高的电机的另一可行技术途径。随着转速的提高对传动部件性能以及旋转件强度要求更高，主要集中在高速轴承、高速油封、高强度硅钢以及磁钢注塑工艺、动平衡工艺等。

当前SKF公司已开发适用于新能源领域高转速系列轴承，其最高转速能够满足18 000 r/min，并在特斯拉Model 3等电驱系统量产应用。高转速意味着更高的线速度，对关键动密封件如油封等部件的要求也更加苛刻，NOK等公司已有相关产品进行验证。为满足高转速下转子强度要求，宝钢、首钢相继推出高强度无取向硅钢，优化材料工艺匹配产品性能。在装配工艺方面，内置式永磁体的固定设计也要考虑高转速影响，主流的永磁体固定工艺包含注塑工艺、灌胶工艺、过盈压装工艺等，其中过盈压装工艺对零部件尺寸精度、生产一致性和设备能力要求较高，现行业主流采用注塑工艺，同时为满足高转速要求需要考虑注塑材料力学特性。随着转速提高转子总成相对初始装配位置在高转速下出现偏移，会产生振动、寿命降低等故障，其自身动平衡已不满足高等级要求。因此高转速电机在动平衡工序之前需要增加一道去应力工序，满足高转速下动平衡精度要求，去应力方法主要包含温度法、转速法。

2.3 功率密度提升

高功率密度永磁电机主要对电磁结构和冷却系统进行优化设计，通过合理的极槽比设计、齿槽关键尺寸优化和多层磁钢布置，优化气隙波形，降低转矩波动，增加磁阻转矩，使得相同材料用量的前提下，输出转矩提升10%～15%，同时定子总成采用扁线成型绕组工艺相比较普通的铜线绕组电机，同等功率下，体积更小，同等体积下，槽满率提升，功率密度提升。扁线与扁线之间、扁线与铁芯之间接触面积增大，提高热传导效率，扁线电机工序复杂，精度要求高，大规模普及依赖专业的高端设备，制约其国产化；系列化设计难于实现，设计柔性化不足。未来随着转速的提升，扁线绕组逐步向多层方案进行延展以此来降低集肤效应的影响。圆导线精密排线技术能够获得传统圆导线与扁导线之间的平衡，也是提高功率密度的可行工艺。

目前国内新能源汽车普遍采用水冷电机，能满足绝大部分应用场景需求。国外特斯拉等高端电动乘用车已开始采用油冷电机技术，并且要实现超高功率密度电机的开发，高冷却效率是其必要条件。因此油冷直接冷却（辅以外壳液冷热交换）是必然选择。随着电机与减速器的深度集成，油冷电机技术水到渠成。其难点在于：冷却油路设计、油材料兼容性、供油方式和高压油泵设计、清洁度控制、零部件协同设计等。在成本控制上，需要寻找到电机功率与零部件成本的平衡点，低功率电机水冷还是主流方式，高功率电机逐步向油冷过渡。当前国内部分企业也做了大量的专利布局，例如精进电动的油水混合电驱动系统[6]，实现了减速器与电机总成内部共用油路冷却及电机壳体水冷换热等功能。

2.4 驱动效率提升

高效率是电动汽车节能环保标签的本质属性，从技术层面分析，提高效率需要对电机、逆变器损耗及系统集成和制造工艺进行优化，电机损耗包含铜损、硅钢磁滞损耗、硅钢及磁钢涡流损耗和机械损耗，逆变器损耗包含开关损耗和导通损耗。

针对电机损耗，通过磁钢分段技术、超薄硅钢、非晶材料、软磁复合材料应用可以有效降低涡流损耗；通过空载气隙磁场及反电势正弦优化降低磁滞损耗；通过高速高压化、超导铜线应用以及多层方导线技术降低铜损；采用低损耗轴承降低机械损耗。针对逆变器损耗，通过全域变载频技术或碳化硅功率器件降低开关损耗；通过驱动升压技术降低导通损耗等。同时在系统集成优化方面要面向整车工况定向匹配，通过小型轻量化集成设计、升压器调压稳压等实现系统效率提升。在制造工艺方面，优化焊接或铆接工艺参数，降低对软磁材料性能影响，最终实现系统效率最优。

随着宽禁带半导体技术进入实用化阶段，SiC基MOSFET是实现高温、高效、高速运行的重要途径，其优势在于耐高温，耐高压可减少电流需求并与快充系统匹配，耐高频无源元器件体积小，导通损耗低可以提高轻载工况下的能源转换效率[7]。SiC基MOSFET面临的挑战是材料制备成本高，工艺尚不成熟，限制了其在当前市场的商业化推广。我国SiC MOSFET研发水平距离国际领先水平还要较大差距，诸多成果还停留于开发阶段，设计、开发、测试标准体系尚不完备。

2.5 平台化与模块化设计

永磁同步电机应用对提升整车动力性具有推动性作用，同时电机和整车配套方案也层出不穷。纯电平台可以通过双电机方案，有效分配大电机、小电机使用优化任意速度点，发挥不同电机的效率优势，以此提高整车系统综合效率。如国内品牌蔚来ES6，基准版前后搭载永磁同步电机，性能版前搭载永磁电机后搭载感应电机，兼顾爆发力和耐久力，通过前后电机四驱控制优化，实现高性能长续航，前后三合一系统高度集成，实现小型轻量化设计。当前纯电动车平台，通过模块化系统设计，将电驱系统、电池组与底盘深度集成，根据续驶里程和轴距要求匹配不同数量电池模组，同时根据整车动力性能要求搭载不同的前后置电驱动系统，整车研发周期大大缩减，成熟平台如大众MEB，吉利沃尔沃CMA，现代E-GMP等。

2020北京车展，博格华纳展示集成式电驱动系统iDM。博格华纳iDM电驱动系统主要由高性能电机、传动系统冷却模块、电机控制模块、信号连接接口、高压电源接口、传动轴接口以及驻车锁止系统8个模块构成。博格华纳iDM的优势主要在于其可扩展和模块化的架构，且支持各种齿轮速比和电机尺寸，适配不同的整车电压平台，该系列产品可提供高达160 kW的峰值功率和3 800 Nm的峰值扭矩，模块化设计可以有效降低开发周期及原材料成本。

2.6 NVH及EMC等级优化设计

相比传统汽车可以被内燃机掩盖噪声，电动汽车噪声更加刺耳，且高频噪声较多，高频噪声大部分源于电驱动系统。电机振动是激励力作用在结构上引起的响应[8]。激励源分为电磁激励源和机械振动激励源，电磁激励源主要包括齿槽基波及谐波引起的电磁激励力、定转子齿槽配合引起的电磁激励力、变频器供电带来的电磁谐波激励力等。机械振动激励源主要包括了转子加工及装配带来的不平衡力、轴承运转时内部摩擦引起的摩擦激励力等。为了降低电机振动，从激励源和传递特性两方面入手，实现电机参数极致优化及结构模态优化设计。尽管电机噪声比内燃机噪声易于控制，但仍需花费大量精力开发电机机械隔离与隔声策略、开发静音电机降低电磁激励、开发主动智能降噪控制策略等。

随着电驱动系统集成度提高，内部EMC干扰问题愈加严重；同时客户对产品EMC等级提出了更高要求，其中传导发射和辐射发射是业界控制难点[9]。高压大功率部件工作在高压、大电流和高频PWM斩波的工作模式下，形成极高的电压变化率dv/dt与电流变化率di/dt，带来了较宽的频谱和丰富的谐波，通过电驱系统等效分布电感、电容等阻抗网络，带来复杂的磁场、电磁耦合。为了满足更高的电磁兼容等级需要从结构、电路、耦合关系等维度优化设计，例如主回路增加电磁滤波组件、高低压空间隔离或屏蔽隔离、电路板增加滤波电路、取消排线连接，接插件直连、端盖之间导电密封等。

2.7 功能安全设计

2011年，ISO26262正式成为国际标准化组织的一项安全标准，随着标准的发布，功能安全在国际上引起更多关注和重视，以德尔福、博世、大陆为代表的国际零部件供应商都宣称其控制器的扭矩安全等级达到了ASIL-C级。部分国内主机厂和配套企业也陆续完成了ISO26262流程认证、新能源电控单元产品认证、整车厂级别认证等，未来ISO26262标准有可能演变为一项强制标准。2017年，中国汽车技术研究中心牵头制定了GB/T 34590《道路车辆功能安全》，旨在推动功能安全标准的推广普及。

为了实现更高的功能安全等级要求，符合标准AUTO- SAR架构、运算能力更强劲的多核控制平台是电驱动产品开发的重点，多核控制平台硬件资源丰富，运算能力强，适合高要求电控，然而控制芯片及其基础平台技术基本处于英飞凌、瑞萨、NXP、飞思卡尔、TI等国际顶级供应商垄断状态，开发难度极大。未来要实现我国汽车电驱动产业的可持续发展和风险可控，必须大力推动国产控制芯片的研发和产业化应用。

2.8 其他

无动力中断的两挡减速器和带脱挡断开的传动装置是高端电动汽车电驱动系统的研发方向之一。区别于现阶段主流系统匹配形式，单挡变速箱加单/双电机的组合，两挡变速箱和单电机的组合，具有在行驶过程换挡，可以将前后轴断开，从而达到节省能耗并且避免永磁电机空转产生的拖拽效应对汽车造成影响。虽加速做到了极致，但这样做的不足也很明显：结构复杂、散热难度大、续航短、成本过高，并非成熟可靠的体系。

总体来看，只有多挡位、多驱动模式以及融合动力性、经济性优势的电驱技术，才能为行业发展指出一条新明路。基于此路线，国内厂商典型有广汽两档双电机“四合一”集成电驱总成，该总成包含五大核心技术亮点：（1）极致动力性：系统输出最大功率340 kW；（2）极致经济性：系统综合效率达到90%；（3）高度集成化：相较于两个单电机三合一电驱总成，体积减小30%，重量减少25%；（4）智能多驱动模式：包含单挡单电机模式、单挡双电机模式、两挡双电机模式，智能切换实现无动力中断；（5）OTA自主进化功能。首创高性能两挡双电机“四合一”集成电驱技术路线的好处在于，相同功率需求时，双电机可以降低电机电控技术难度，提高总成可靠性，同时双电机两挡可以实现无动力中断换挡，提高整车舒适性；两挡可实现不同速比，即在相同电机扭矩下，实现更大轮端峰值扭矩，在相同的电机最高转速下，实现更高的轮端转速，兼具大扭矩、高转速输出性能，是极致超跑电驱的发展方向。

3 结束语

未来的电驱动系统在创新发展需求驱动下将逐步向数字孪生技术，状态检测智能化以及网络化方向发展，同时基于多核异构计算平台的电机智能控制方法以及健康状态检测和故障容错控制技术的发展也将势不可挡。

电工基础材料与工艺研究以及车规级电驱动总成核心零部件开发也将成为前沿基础。同时针对新型高效插电式混合动力总成、高效驱动电机技术开发以及高集成度电机控制器技术开发将继续作为未来应用技术的研究重点。

作为行业共性技术问题，打通全产业链技术壁垒，避免外部干预的影响，未来3～5年国内亟需有竞争力企业实现电驱动产品底层开发软件、工具链及检测平台的国产化，真正能够将电驱动产品实现贯穿式发展。

[1] 唐任远.现代永磁电机[M].北京:机械工业出版社,1997.

[2] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2009.

[3] 中国汽车工程学会.节能与新能源汽车技术路线图2.0[M].北京:机械工业出版社,2020.

[4]Cai W,Wu X,Zhou M,et al.Review and Development of Electric Motor Systems and Electric Powertrains for New Energy Vehicles [J]. Automotive Innovation,2021:1-20.

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[6] 余平,李建文,杨旭东.一种油水双冷的电驱动总成和新能源汽车: CN110729856A[P].2020-01-24.

[7] 朱梓悦,秦海鸿,董耀文,等.宽禁带半导体器件研究现状与展望[J].电气工程学报,2016,11(01):1-11.

[8] 周璞.电机电磁激励特性及结构振动响应分析研究[D].北京:中国舰船研究院,2018.

[9] Greg Bella,Jeff Ciarlette.汽车环境下的电磁干扰(EMI)[J].电子产品世界,2019,26(07):85-88.

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，工程师，就职于中国第一汽车股份有限公司新能源开发院，研究方向：车用电驱动系统设计。