新能源汽车动力总成及其核心零件技术及发展趋势

引言：

导语

本文从新能源行业现状和技术发展角度，深入分析了新能源汽车动力总成及其核心零件技术及发展趋势。本文为三电专家委员会电驱动硬件解析团队原创出品，如需转载请加微信GSAuto0001（备注转载）授权，违规必究。

.6.12.2 

第一部分

   新能源汽车驱动系统概述

本文论述对象为新能源汽车中的高性能机电耦合动力总成、纯电驱动总成；驱动电机、驱动电机逆变器、减/变速器关键零部件系统；功率电子器件、电机定子和转子、齿轮和离合器等核心零部件或器件。

图1 电驱动系统技术架构

图2 驱动系统及核心部件

第二部分

 新能源汽车驱动系统总成发展现状

• 2.1 高性能机电耦合动力总成现状
  

乘用车部分：国际上通用、大众、福特、丰田、本田、日产等国外主流车企都拥有新能源汽车变速箱技术和产品，能够支持研发混合动力变速箱；国际上深度混合动力技术已经成熟，多款混合动力总成已经大规模生产。我国仅有少数车企拥有新能源自动变速箱及产品，上汽捷能开发出基于DCT的机电耦合动力总成，二代总成实现了量产；科力远开发出基于双行星排动力总成系统应用于吉利新能源乘用车；比亚迪基于双模混动动力总成，在秦、宋等插电式乘用车实现了量产。

• 2.2 乘用车纯电驱动总成的标志性技术进展及成果

驱动电机、电机控制器与减速器深度集成的电驱动一体化总成是乘用车领域主要技术方向，高集成化壳体共用、水道集成、高压线集成等技术广泛应用；小型化为降低X尺寸，大部分电驱产品采用短中心距平行轴方案/同轴电驱方案；轻量化电驱总成功率密度大部分在1.42kW/kg以上，最高达1.9kW/kg。国外以大陆、麦格纳、吉凯恩、博世、ZF、日本电产、BMW、特斯拉等均推出了电驱动一体化总成产品。我国起步与国外基本同步，如上海电驱动、精进电动、巨一、汇川、BYD、上汽等均推出了三合一电驱动总成系统，最高转速达到13000—16000rpm, 长安逸动EV460、BYD元EV360、广汽Aion S已批量上市。

表1 各主机厂及零部件企业电驱总成情况

• 2.3 乘用商用车机电耦合动力总成

在纯电动客车/公交车集中驱动系统方面，采埃孚推出分布式电驱动桥和CeTrax集中电驱动系统；博世eAxle电轴将电机和变速箱进行集成。我国多个厂家开发了行星排机电耦合集成、电机与减速器集成、分布式轮边电驱动系统、集中式电驱动桥等，并实现了批量应用。

• 2.4 轮毂电动轮总成

轮毂电动轮应用主要有集成制动器轮毂电动轮和主销转向轮毂电动轮两大类。Protean公司提出了内置制动环的电动轮，第四代轮毂电机输出转矩达到1250Nm，峰值功率80kW，电机重量36kg；AKKA公司推出了采用主销转向系统的悬架轮毂电机集成概念方案，主销转向可以实现-45°~90°的转向；另外，YASA公司提出轴向磁路电机，在电机转矩密度方面更具优势。

• 2.5 48V系统
  

48VBSG集成一体化总成可提高燃油效率最高达12~15%，大陆、博世、法雷奥、马瑞利、LG等已经推出了48VBSG样机，并实现了装车测试和批量应用。我国48V BSG总成处于快速起步阶段，上海电驱动等已开发出风冷和水冷的多个规格BSG产品，我国自主产品开发与国外基本同步；48V系统由于具有低成本优势，在P1~P4构型中也具有应用价值。

• 2.6 驱动电机总成及关键材料

2.6.1 高效、高速、高密度、低振动噪音、低成本是新能源驱动电机的重点发展方向，现阶段扁导线绕组、低铁损超薄硅钢片成为提升转矩和功率密度以及效率的主要手段，是面向2020年量产工艺路线重点方向之一。槽满率提升：圆线变成扁线，填充铜量增加，槽满率提高15%以上；散热性能好：扁线使定子有效接触面积增大，绕组温升比圆线电机低10%，散热和热传导更好；功率密度高：电机直径减小10%，轴线长度（高度）减小15%，性能提升，用料减少10%。

表2、Pin应用厂家

表3、各厂家电机状况

表4、不同厚度硅钢片的性能

高速电机技术快速发展，国外如大众、沃尔沃、克莱斯勒等驱动电机最高转速不断提升，最高达到14000~16000rpm，特斯拉Model 3电机转速达到17900rpm。美国《电动汽车发展2025路线图规划》明确了汽车电机高效(97%)、高密度(50kW/L)、低成本(3.3$/kW)的发展方向。

表5、高速电机使用状况

2.6.2 在永磁体方面，重稀土晶间扩散(GBD)及晶粒边界调节(GBM)技术，可大幅度减少重稀土使用量，同时提高磁体性能；国外如Toyota、GM开始采用混合磁体（含铁氧体）部分替代钕铁硼材料。

在高性能硅钢片方面，我国研制了0.2~0.3mm系列化硅钢片，导磁和铁耗等性能较同类产品提升，特别掌握了温度对硅钢产品磁性和机械性能的影响，提升了电机精细化设计水平。

2.7 电机控制器总成及关键器件

IGBT芯片双面焊接和系统级封装是当前国外电机控制器主流封装形式，如电装、博世、大陆等公司的集成电机控制器功率密度已达到16~25kW/L及以上。我国多个企业推出基于高效散热封装模块和IGBT芯片双面焊接、单/双面冷却的IGBT模块、高容积比膜电容器和高功率密度电机控制器，我国高密度电机控制器技术水平迅速追赶国际先进水平。

在第三代宽禁带半导体控制器开发方面，充分利用其高温、高效和高频特性是实现电机控制器功率密度和效率进一步提升的关键要素。日本丰田、日立、电产推出全SiC PCU。丰田带载SiC PCU在工况下较IGBT PCU损耗降低30%；特斯拉采用标准SiC器件并联方式，研制的大电流全SiC电机控制器。我国中科院电工所、比亚迪、中车、精进电动等研制了SiC电机控制器样机。其中，电工所研制的功率密度达到37.1kW/L的电机控制器。

• 2.8 减/变速器技术发展现状

电驱系统的减/变速器成熟产品多为基于平行轴式斜齿轮传动设计，单档两级减速速比偏小多在10以下，少量应用于后驱电驱系统产品采用行星齿轮结构，与电机间的连接多采用两轴式四轴承少量采用一轴三轴承或两轴承；减/变速器与电机之间多为共用端盖，少量为共用壳体。

国内转速范围在12krpm以下最高效率为97.5% NEDC下平均效率为94-95.5%噪音值小于80dB；国际转速范围在16-18krpm之间最高效率为98% NEDC下平均效率为96-97% 噪音值小于77dB；两档产品多用于P4混动；功率密度低，中心距偏大，重量偏高；润滑油多借用手动变速器润滑油，粘度高，传动效率低；壳体材料与压铸工艺沿用传统变速器，重量偏重；传统差速器结构，体积大，重量偏重；高速减速器（>14krpm）轴承、密封件等国产化率低；

第三部分

 驱动系统总成关键技术瓶颈

• 3.1 机电耦合动力总成及核心零部件的国产化能力不足

在乘用车机电耦合总成方面，我国在行星齿轮、电/液离合器及驱动系统、电/液换挡及驱动系统、电子油泵系统、高转速/高精度齿轮及低摩擦轴承等精密零件设计制造方面仍存在短板，较依赖国际供应商。

对标国外先进的商用车动力系统，我国在高集成机电耦合装置的核心零部件可靠性和成本控制方面仍有一定差距，在工况适应性、系统集成度、系统综合效率、系统NVH等方面仍有提升的空间。

我国轮毂电机多基于传统底盘的应用开发，在轮毂电动轮悬架、制动、转向等机电集成设计、成本、可靠性、控制安全性等方面存在差距。

我国48V系统(电机/电池/DCDC)的自主集成能力仍待提升。

• 3.2驱动电机系统集成化、智能化、安全性设计仍需提升

对标国外先进驱动电机系统，我国驱动电机+减速器+控制器三合一集成技术、新型电机结构、高效散热（油冷系统集成）仍需要持续加强。我国在电力电子集成控制器的机、电、热、磁设计与分析能力，宽禁带器件及封装、高密度无源器件及封装（含陶瓷电容）、新型变流器拓扑与EMC技术等方面需要加强。

实时掌握系统电/磁/机/热状态对于驱动电机系统高可靠和高效至关重要，是实现高品质与智能化的基础，我国缺乏对电机运行健康状态、大数据挖掘、系统智慧控制及云端维护等问题的技术支撑。

我国自主MCU芯片及软件架构、符合ASIL D功能安全等级的产品研发进展缓慢；电机控制系统的软件网络安全功能缺失。

• 3.3 关键材料与零部件的国产化研发与制造能力不足

高品质电工钢机械性能/耐服役与加工性、高温高频绝缘性能/耐电晕以及耐油绝缘材料、烧结型软磁材料、扁导线制造工艺及装备等方面有待加速提升；车用电机用纳米非晶合金、新型电超导与热超导材料（碳纳米管/铜复合材料）等工程应用待提升。

我国自主IGBT器件已经开始国内市场应用，但在芯片性能指标、芯片关键工艺、芯片和模块寿命认证等方面仍存在差距；第三代宽禁带半导体器件我国从外延材料、芯片设计、芯片制造、模块封装方面开始起步，但性能与可靠性相当的产品级器件仍缺乏；膜电容器用超薄膜的设计与制造装备仍依赖于进口。

第四部分

 新能源汽车驱动系统总成的技术发展愿景

1、乘用车插电式机电耦合总成实现机电耦合产品的正向开发，核心零部件实现自主研发制造，形成多个具有国际竞争力的机电耦合变速箱产品，技术水平国际领先，具有显著的国际市场影响力。

2、乘用车纯电驱动总成形成模块化平台产品，技术水平达到国际领先，驱动电机、电机控制器、高速减速器及其关键零部件实现完全自主可控，电驱动总成产业具有国际竞争力和性价比。

3、商用车动力总成集成度、效率、智能化显著提升，产品关键零部件实现完全自主研发与制造，产品技术水平国际领先；分布式电驱动总成、新型构型动力总成实现产业化应用。

4、高效高密度驱动电机系统形成多规格、模块化产品平台，新型材料、新结构实现工程应用，核心零部件完全实现自主，产品性能达到国际领先水平；建立完整的电驱动总成产业链与创新链，形成3~5家具有国际竞争力的电驱动企业，我国电驱动产品具有显著的全球占比。

5、Si基器件实现完全自主可控，产品性能国际领先，产业链完全自主可控；第三代宽禁带半导体器件实现产业化，技术水平达到国际先进；无源器件材料与高密度封装实现完全自主。

6、新能源汽车电驱动系统主控芯片实现国产化，电驱动系统操作系统软件形成层次化、模块化和平台化，实现软件架构可移植、可扩展。

7、仿真软件及工具链完全自主开发；关键装备和检测设备实现自主。

8、单档减速器，转速范围提升至16000rpm，速比增加（10-15）；高功率减速器转速范围将进一步提升至20000rpm，速比（10-15）;辅驱系统采用带动力脱开装置或两档变速器（10000rpm）；随着转速提升、电机输入功率提升（200kW以上），齿轮搅油损失及热量产生增加明显，减速器温升需加强控制，与电机共水道或增加强制润滑冷却系统，且需开发高速减速器专用润滑油，改善油品摩擦性能，降低摩擦因数、减少功率损失、降低温升；电机与减速器润滑腔将共用油品，油品需具有高热传导性、良好的材料兼容性与电化学性（铜腐性能、电导率、介电常数、绝缘材料兼容、尼龙材料兼容性、蒸发损失等）、抗发泡性、粘温特性、高温抗氧化性等，油品工作温度需提高到150℃以上，减速器相关零部件工作环境温度提升。

第五部分

 新能源汽车驱动系统总目标（2035年）

1、插电式机电耦合产品处于世界一流水平，关键零部件技术达到世界领先水平；机电耦合总成功率密度提升2.8倍，体积和重量减少55%，传动效率改善6%，混动模式整车NEDC节油率达到35%。以插电式混合动力A级以上车型为例，混动模式下整车NEDC油耗不超过3.25L/100km，排放水平满足同期法规最高标准要求。

2、商用车动力系统关键部件性能持续提升，保持国际先进水平。商用车驱动电机30s有效比转矩大于30N·m/kg，高速电机30s有效比功率大于5kW/kg，商用车电机控制器实现比功率不低于50kW/L，开发出满足商用车需求轮毂电机，开发出节能效果更优、全工况适用、高度集成、平台通用性好的动力系统，拥有独立知识产权的仿真设计平台和精加工能力。

3、乘用车三合一电驱动总成体积功率密度较2020年提升50%，重量功率密度提升50%，峰值效率达到95%，峰值转速达到25000rpm以上；高速减速器水平达到国际领先水平，减速器制造及关键零部件完全自主；电驱动总成噪声等级及EMC等级达到国际先进水平，电驱动总成成本不超过50元/kW，具有国际竞争力。

4、减速轮毂电机本体功率密度达到6.0kW/kg，轮毂电机减速器综合效率达到96%以上，直驱轮毂电机本体转矩密度达到60Nm/kg，轮毂电机NVH评分达到7.5，轮毂电机控制器安全等级达到ASIL-D，轮毂电机系统成本达到3元/Nm，轮毂电机实现大批量应用。

5、驱动电机及控制器关键性能达到国际先进水平，实现高压化、高速化电机及先进工艺技术，应用第三代宽禁带半导器件的新型电机控制器实现产业化。乘用车驱动电机功率密度达到7.0kW/kg，电机转速达到25000rpm，电机控制器功率密度不低于60kW/L，系统峰值效率达到96%，产品功能安全达到ASIL D。驱动电机及控制器关键材料和关键器件实现完全自主可控，驱动电机系统产品全球市场占有率不低于30%。

6、第三代宽禁带半导体器件达到国际先进水平，实现8/12英寸芯片产业化，单芯片电流能力400A以上，芯片与模块制造完全自主，芯片与模块的自主能力超过50%；无源器件材料与高密度封装实现完全自主。

7、新能源汽车电驱动系统主控芯片实现国产化，电驱动系统操作系统软件形成层次化、模块化和平台化，实现软件架构可移植、可扩展。

来源：三电专家筹委会整理，由动力君整理编辑

作者介绍：

Lewis，来自GSAuto联盟三电技术专家委员会