驱动电机系统效率提升关键技术研究

黄建忠　胡慧婧　罗媚　陆新华　苏秀雁

【摘  要】驱动电机系统效率是影响新能源汽车降本增效的重要因素之一，直接影响新能源汽车动力性及经济性。在驱动系统性能开发过程中，选择运用哪些驱动电机关键技术来提升效率尤为重要。本文针对国内外驱动电机系统提升效率所运用关键技术进行介绍，分别说明驱动电机系统所运用技术的优缺点，为驱动电机选型应用提供参考。

【关键词】驱动电机系统；效率；扁线电机；800V高压

中图分类号：U469.72    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）08-0003-02

Research on the Key Technology of Driving Motor System Efficiency Improvement

HUANG Jian-zhong，HU Hui-jing，LUO Mei，LU Xin-hua，SU Xiu-yan

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Guangxi Laboratory of New Energy Automobile

Guangxi Key Laboratory of Automobile Four New Features，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】The drive motor system efficiency is one of the important factors affecting the cost reduction and efficiency of new energy vehicles，which directly affects the power and economy of new energy vehicles.In the process of driving system performance development，it is very important to choose which key technologies to use to improve the efficiency.In this paper，the key technologies used to improve the efficiency of driving motor system at home and abroad are introduced，and the advantages and disadvantages of the technologies used in driving motor system are described respectively，so as to provide reference for the selection and application of driving motor.

【Key words】drive motor system；efficiency；flat wire motor；800V high voltage

1  引言

驅动电机系统（电机、电控、减速器）是新能源汽车动力总成的关键部件，相当于传统燃油车发动机的作用，直接决定整车的动力性能、经济性能。其成本占比仅次于动力蓄电池，占比绝对值因新能源汽车车型品牌而异。

据不完全统计，一般电驱动效率提升2%，对应的整车综合能效可以大概提升3.5%以上。以整车续航500km为例，如果续航提升3.5%以后，电池包能量不变，可以整体实行续航大概增加20km以上，或者节约3度电以上，对应整车成本降低近3000元。所以提升整车能效及用户省电的同时，关键就是提升里程或者给整车企业及用户带来成本降低。

随着新能源汽车性能提升，对驱动电机也提出了更多要求，从性能及功能角度出发，更好的驾驶体验通常需要驱动电机具备更低成本、更高效率、更高功率密度、更长可靠寿命等。为解决这些问题，驱动电机技术也在不断迭代更新。其中，扁线电机、高压电机、油冷电机、集成式的多合一驱动系统的驱动电机系统关键技术近些年备受关注，对提高驱动电机系统效率，降低损耗，提升电机功率密度具有显著作用。

2  驱动电机系统技术国内外现状

1）雪佛兰和丰田率先开始使用扁线电机，近些年，扁线电机渗透率不断提升。2020年来，保时捷、比亚迪、特斯拉、宝马、大众、吉利和上汽等纷纷推出扁线电机。2021年随着各大主流主机厂大规模换装扁线电机，中国扁线电机渗透率不断提高。此外，在一些高端车型中，搭载扁线电机数量由原来单电机增加到多电机。

2）鉴于800V高压平台既能解决补能焦虑问题，又能同步提升驱动系统的效率，2019年保时捷Taycan发布，成为全球首款800V纯电汽车，其动力蓄电池、驱动电机和电机控制器等均已采用800V电压平台；2020年现代汽车发布全新电动汽车专用平台“E-GMP”，该平台同样可以实现800V运用，全部零件包含动力蓄电池、驱动电机、电机控制器、PTC和高压空调压缩机均已采用800V电压平台。目前各大主机厂已进行相关布局，2021年比亚迪、吉利、小鹏和领跑等相继发布800V高压技术的布局规划，理想、蔚来等车企也在积极筹备相关技术。从量产时间看，各大车企的800V高压平台新车将在2023年开始陆续上市。

3）随着新能源汽车的整车性能要求提高，驱动电机系统高效节能是一个重要发展方向。不管是国内还是国外，最初使用三合一驱动电桥目的大部分是为了节省电机到电控之间的3根高压线束成本，特别是近两年原材料不断上涨，3根高压线束节约成本也是可观的。三合一驱动电桥甚至多合一，高度集成化有利于实现零件轻量化及小型化，提高整车续航及整车空间利用率，所以三合一驱动电桥、多合一拓展是未来发展趋势。但是高度集成相对于整车厂技术要求会越来越高。以比亚迪为例，2019年在比亚迪元推出e平台的“33111”理念，推出电驱动三合一（驱动电机、电机控制器、减速器）。比亚迪e平台高度集成的驱动三合一相比分体式总成，功率密度提升20%，NEDC效率增加1%。比亚迪近年推出八合一产品，其上集成多种电控产品，可能产生产品之间的耦合问题，包括软件和硬件之间耦合后，系统间故障可能相应提升，内部某个功能模块失效可能导致整个集成产品更改成本提升。

3  驱动电机系统技术优缺点

3.1 扁线电机的运用

扁线电机槽满率高，扁线电机的铜线为方形可以面面接触，而圆线电机只能点点接触，中间有空隙，同等截面积下扁线电机可以插入更多铜，如图1所示。对于这点，行业内圆线槽满率为45%左右，对于扁线来说，可以做到70%，进而提高功率密度。由于扁线电机面面接触，剩下空隙较小，传递热量能力相应更高，散热能力更高于圆线电机。散热能力强，电机可以运行更加高效的中高转速区间，电机可以长时间高温运行，对于驱动电机效率及可靠性提升更加显著。

扁线效率高、损耗小，如图2所示，铜损耗在电机里占比达到65%，因此采用更合理的定子绕组，从而降低铜损耗，提升驱动电机效率。此外扁线绕组的截面积更粗，因此它的电阻相对小于圆线电机，铜导线发热损失的能量也相对小，从而同步降低铜损耗，提升驱动电机效率。

当然扁线电机也有缺点：①扁线电机平台化较为困难，相对于圆线电机可以通过简单调整绕组的匝数来平衡它的功率扭矩，扁线电机基于现有设备和工艺，调整它的层数比较困难；②扁线电机在高速运行时，发热量直线上升，特别容易快速升温，若是冷却未做好，容易过温降额停机，甚至零件过温烧蚀。

相比于乘用车，商用车驱动电机涉及的变动更改少，与扁线电机工艺调整更难匹配。商用车用户更加关注整车续航及其可靠性，扁线电机更有功率密度大、能耗低的优点。从图3扁线电机效率MAP及图4圆线电机效率MAP对比可知，扁线电机高效区的转速范围更宽，低速大负荷效率也能达到90%以上。

3.2 800V高压平台的运用

800V高压平台除了大功率超快充优势之外，与配置250～400V电池的传统BEV相比，在电驱系统这块也有更多优势。除了800V采用碳化硅电机控制器可明显降低逆变器的功率损耗，提升电机控制器的效率优势以外，据P=UI可知，800V平台电机电流相比400V电压平台直接减小一半，驱动电机铜耗直接大幅下降，发热量明显减小，驱动电机效率将大幅提升。

此外，较高的电压运行较低的轴电流以补偿高速下的磁链并减少电机铜损耗，反过来确保了弱磁区域更高的连续功率，提升电机功率密度。从电磁性能角度来看，将直流母线电压增加800V，由于拓展了速度范围，降低实现相同功率所需的最大扭矩，由于电机尺寸跟其扭矩能力成正比，从而电机功率密度得到相应提升。

3.3  三合一集成驱动电桥

使用三合一驱动电机还能够减少3根线束上的功率损耗，提升驱动电机的效率。三相线束的内阻在有些场合下和驱动电机的直流内阻差不多大，若是能减少三相线束内阻，意味着驱动电机铜耗可降低一大半，这对驱动电机效率是非常大的提升。驱动电机在低速时因三相线束电流大导致铜损耗特别高，特别对于80～150V这种低电压平台在低速时电流远大高压平台，三相线束上功率损耗更大。

另外三合一驱动电桥甚至多合一好处是高度集成化有利于实现零件轻量化及小型化，降本增效同时提高整车续航及整车空间利用率。三合一集成驱动电桥应用，减少驱动系统内部高压线束、连接器等零件，整合了驱动电机、电机控制器、减速器3个模块，结构更加紧凑，整體空间体积降低，释放空间，也利于整车布置，使乘员舱可以利用的空间变大，提高乘员舒适性。

公司某车型第1代是减速器驱动电机二合一驱动电桥+独立电机控制器，第2代是三合一驱动电桥，第2代与第1代相比，电机到动力蓄电池高压线束短了三分之二，光从高压线束的损耗功率就可降低近三分之二，有效提高驱动电机系统效率。

3.4  减少高压线束上线损，合理布置

合理布置动力电池、电机控制器、驱动电机位置，尽量降低MCU高压线束（动力电池至电机控制器高压线束）和电机三相高压线束长度，减少高压线束上功率损耗，提升驱动电机的效率。相对于充电效率来说，用户更加偏向于关注充电后整车续航。某车型上，电池包布置行李舱，电机控制器布置发动机舱前部，二者线束长度近3m，之间存在高压线束功率损耗很大，若动力电池可布置在车底靠近发动机舱处，可降低一半线束长度。在整车布置中，因各种因素导致动力电池位置布置不是很理想，新车型开发时，需合理布置动力电池、电机控制器、驱动电机三者位置，降低能量流动过程损耗。

4  结语

扁线电机、高压电机、油冷电机、集成式的多合一驱动系统的驱动电机系统关键技术，对提高驱动电机系统效率，降低损耗，提升电机功率密度具有显著作用。驱动电机关键技术运用，有利于提升整车能效，为整车企业及用户带来成本降低，促进新能源汽车发展，为实现“双碳”做出贡献。

参考文献：

[1] 赵大岭. 探究新能源汽车的驱动电机系统[J]. 时代汽车，2021（8）：85-86.

[2] 余康，曹德峰，刘鹏飞，等. 基于国产自主新能源汽车电驱动系统量产关键技术研究[J]. 环境技术，2020（3）：174-179，183.

[3] 黄建忠，罗媚，韩彦，等. 驱动电机系统台架性能测试影响因素研究[J]. 汽车测试报告，2022（11）：152-154.

[4] 丁荣军，刘侃. 新能源汽车电机驱动系统关键技术展望[J]. 中国工程科学，2019（3）：56-60.

[5] 兰鹏宇. 新能源汽车扁线电机技术分析[J]. 内燃机与配件，2022（6）：212-214.

（编辑  杨凯麟）

作者简介

黄建忠（1988—），男，工程师，研究方向为新能源汽车三电零件的ADV测试。