 新能源汽车 “大三电”与“小三电” 核心技术 电动车千人会  随着新能源汽车销量的不断走高，其中关键的电驱动产品也销量大涨。不同整车厂有不同的技术路线，动力系统有双驱的，也有不少是四驱的，因此电驱动产品相关产品销量大于整车销量。本文初步总结电驱动行业发展趋势及大三电核心技术解析。 解读 新能源汽车的核心是三电系统：电池、电机、电控。 电驱动系统中还可以分为“大三电”和“小三电”。一般来说，大三电包括：驱动电机、电控、变速器； 一种小三电分类包括：高压配电盒PDU、车载充电机OBC和DC/DC变换器，扮演交直流能量转换和传输重要功能。另一种传统小三电分类：电动空调、电动助力转向、电动（助力）制动系统。  电驱动总成技术发展趋势 1.系统集成化为确定性趋势，是技术发展和成本压力下的选择 电驱动系统集成化是未来确定性的趋势，同时集成化产品也增加了行业的进入壁垒，技术层面，集成化程度更高的产品优势包括： ✓ 机械方面壳体、轴等部件上能够做到集成化，这样减少了使用零件的个数与部件的重量，节省了成本； ✓ 电气方面大三电集成能够减少控制器与电机相连三相线的长度，效率提升的同时也节省了线束成本，密闭的壳体空间内使电磁兼容方面的性能也能够提升；小三电方面共电路板设计也能够降低成本和产品体积。 ✓ 系统层面，集成产品由一家来供应也可在最初始阶段就进行优化设计达到系统的成本最优，节省成本的同时也节省空间，在整车装配更迅速快捷。 商务层面，供应商集成化的产品增大了系统的复杂度，客户的粘度也更高；主机厂减少了集成工作，对供应商更好管理，且集成产品价格更具优势。  2.大小三合一产品将会维持一段时间，多合一产品逐渐替代 随着电驱动产品集成化的进一步提升，除电机、电机控制器、减速器之外，高压分线盒、DC/DC、充电机OBC等零部件也可能集成进去，形成功能更全的多合一动力总成系统。华为等厂商都已经发布了N合一的大集成系统。 但我们认为，从分体部件到三合一成为主流，再从三合一到N合一产品会有一定过程。主要在于： ✓ 部件增多，集成难度增加，进而带来质量风险更大，对供应商的能力要求也更高。 ✓ N合一产品也更为核心，若主机厂自身不能够集成或掌握集成能力较为担心被供应商所制约。 ✓ 充配电与动力系统功能相对有所分别，集成带来的成本降低相对不那么明显。  大三电核心技术 1.驱动电机 驱动电机主要技术路径聚焦在永磁同步电机&交流异步电机上。永磁同步电机与交流异步电机的主要区别点在于转子结构，永磁同步电机会在转子上放置永磁体，由磁体产生磁场；而交流异步电机则是由定子绕组通电产生旋转磁场。功率密度、效率（高效率区间）是衡量电机性能的关键指标： 1）功率密度越大代表着相同功率下的电机体积更小，有利于节省空间&制造成本； 2）效率越高，说明电机端损耗越小，相同电池容量下，新能源车续航里程更长。   永磁同步电机为目前应用最多的电机类型，异步电机在高端车型双电机配置下会有部分使用。相比交流异步电机，永磁同步电机功率密度更高、高效区间更宽、质量更轻。 但随着新能源汽车性能提高，对驱动电机也提出了更多要求。从性能角度出发，更好的驾驶体验通常需要电机具有更低成本、更高效率、更高功率密度、更长寿命等。为了解决这些问题，电机技术也在不断革新。其中，扁线、高压电机、油冷电机近年关注度比较高，对于提升电机功率密度、提升效率降低损耗具有显著作用。 扁线：可有效提高电机功率密度，减少铜损耗以提升效率。 1）功率密度高：相较于传统的圆线绕组电机，扁线电机将圆形导线换成矩形导线，因此相同面积的定子线槽可以塞进更多面积的导线，进而提高功率密度。 2）效率高、损耗小：铜损耗在电机损耗里占比达 65%，因此为提高电机效率，需采用更合理的定子绕组，从而降低铜耗。此外，扁线截面更粗使得电阻相对更小，铜导线发热损失的能量也越小。而且扁线电机的端部尺寸短 5-10mm，从而降低端部绕组铜损耗。 3）重量、NVH 等方面也存在优势。 根据线圈绕组方式差异，扁线电机可分为集中绕组扁线电机、波绕组扁线电机与 Hairpin（发卡）扁线电机，其中发卡电机应用最为广泛。相对圆线电机，扁线电机无法进行手工制造、自动化要求较高——绕组制造过程非常复杂，需要先将导线，制作成发卡的形状，然后通过自动化插入到定子铁芯槽内，然后进行端部扭头和焊接。高自动化及定制化使得扁线电机产线投入较高，根据方正电机，2021 年来公司已先后投资 17.42 亿元用于产线建设，对企业资金实力有较大挑战。  2.电机控制器 电控系统通过电机控制算法发出信号驱动电机转动，进而控制整个车辆的动力输出。 电控系统可分为主控制器和辅助控制器： 1）主控制器控制汽车的驱动电机； 2）辅助控制器控制汽车的转向电机、制动器、空调等。 我们本文重点讨论的电控系统主要指主控制器，主要由控制板（接受整车控制器的信号指令，运行电机控制算法，发出控制指令给功率板）、功率板（接受控制板指令，频繁通断 IGBT/MOSFET，控制电机转动）、壳体等组成，在控制器中，控制电路板、功率电路板成本主要在于 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、MOSFET（功率场效应晶体管）、MCU（微控制器）、电源芯片等半导体器件。  电控开发需要从硬件、软件两方面协同进步。类似电机，电机控制器的核心指标同样为功率密度、效率，软硬件的优化也是围绕这两大核心主题展开。 1）硬件角度，功率半导体单管并联方案将具备高性价比优势，或成 A 级以下车型主流硬件配置；而模组方案凭借更高可靠性，在中高端车型占据核心地位。器件方面，碳化硅有望逐步渗透。 2）软件角度，需要在可拓展性、易维护性、功能安全性等方面的不断提高。 功率半导体 IGBT 占电控成本比重较高，主要参与者为国外功率半导体巨头。 3.减速箱 减速器是影响电驱动系统整体 NVH 性能的关键。按照传动等级分类，减速器可以分为单级减速器、两档减速器以及两档以上减速器。在电机高速化的趋势下，减速器正在经历从单级到多档的产品演变过程。目前，丰田普锐斯和特斯拉 Model 3 电机转速均已达到了 17900rpm，国内车企转速略低，但基本也都达到了 16000rpm，下一步规划便是 18000-20000rpm，电机高速化性能的提升需要相应的高性能减速器来配套。 单级减速器结构简单、成本较低、体积小，因此目前仍为主流应用。 但在高转速区间，单档减速器由于传动比单一，在最高或最低车速以及低负荷条件下，电驱动效率会下降，浪费电能而减少行驶里程，此外减速器高转速时会带来 NVH 等问题。 两档减速器在混动车中率先应用，纯电动车应用可以期待。 相较于单档减速器，两档减速器一方面使驱动电机在更高效的区域运行，从而提升驱动系统效率。另一方面，采用两档减速器后，传动比可以做到更高，汽车动力性随之增加、减少百公里加速时间。此外，采用两个档位后，驱动电机可以更加小型化、低速化，从而降低电机及电控的成本。目前，采埃孚°、GKN、麦格纳、Taycan 等企业均已推出两档减速器产品。 接下来我们简单介绍下新能源“小三电的”的核心技术有哪些。  小三电发展及核心技术 零部件的发展绝不可能脱离整车而独自进化，其发展方向必然是为整车的发展方向做辅助的。因此在整车电动化、集成化、轻量化、智能化的趋势之下，小三电的发展应需要朝着同样的方向演进。 1.高压配电盒（PDU） 高压配电盒即PDU，由于PDU与整车电气布置相关，每个车型的PDU都有差异，所以PDU难以形成标准品。市场上主流方式有两种：一种是针对具体车型定制开发PDU产品；另一种方式是将PDU功能集成到其他零部件中，如针对具体车型定制开发OBC+DC+PDU多合一产品。  特斯拉把PDU集成到动力电池中，整车少了PDU这个零件，减少了开发成本；比亚迪E5(参数|图片)把OBC，DCDC，电机控制器，动力电池继电器，配电等部集成在一起；吉利与比亚迪比起来，PDU中少了电机控制器。 高压电源分配单元，在电动汽车上，与高压配电盒相连接的高压部件包括：动力电池、电机控制器、变频器、逆变电源、电动空调、电动除霜、充电座等。纯电动汽车高压配电盒里面有铜排、断路器、空开、接触器、软启、变频器、变压器、高压继电器、熔断器、浪涌保护器、互感器、电流表、电压表、转换开关等。 2.车载充电机OBC 是为汽车实现交流慢充功能的重要装置。用户在为新能源汽车充电补能时，动力电池可接收的电流为直流电，而我们平时所使用的家用电是交流电，OBC的功能便是将交流电网中的单相交流电（220V）或三相交流电（380V）转化为直流电从而供新能源汽车充电 车载充电机主要由电路板、壳体、接插件、冷却结构等组成。充电机至少具备待机、充电、故障、休眠四个状态。充电机具备输入过压保护、输入欠压保护、过温保护、输出过压保护、输出欠压保护、短路保护等。 电动汽车的OBC主要由功率电路（PFC+移相全桥/LLC）和控制电路组成，可分为单向OBC和双向OBC，单向OBC只能给动力电池充电，双向OBC可以把动力电池的直流电逆变成为家用220V交流电。 原理时序图 3.DC／DC变换器 在整车电气系统中，按电压范围可将其分为高压电气系统以及低压电气系统。在新能源汽车的应用过程中，用户通常是通过充电桩为动力电池补能，这部分所涉及的主要电气系统是高压，因此我们可称之为高压系统补能。而对于低压（12V/24V）电瓶的补能通常情况下是无法直接通过充电实现的，因此在整车系统中需要对高压进行转换，此用于高低压转换的装置便是DC/DC。其功能便是将高压转换为低压后对低压电瓶进行充电，这是一种间接的补能方式，其架构示意如下图所示： 通过DC/DC将高压转为低压 新能源汽车中，DCDC的作用就是将整车动力电池336VDC或者540VDC转化为12VDC或者24VDC，供整车低压用电器工作，同时具备给铅酸蓄电池充电的功能。DCDC是电动汽车不可或缺的一个关键零部件。 DCDC的控制方式有高压唤醒、硬线激活、CAN唤醒等方式，根据整车的不同需求而选择，目前来说最高效的是CAN唤醒模式，可以减少硬件的布置，节约空间便于布置，当然了CAN唤醒对DCDC的CAN收发模块要求比较高。 目前DCDC的主流电气架构都是移相全桥，大部分采用MOS管来进行高频控制，频率100KHz，高频的开关可以实现大功率的输出，同时也带来了较大的噪声与温升，所以DCDC的设计要着重考虑EMC电磁兼容以及良好的散热条件。为了mos管更好的散热，很多硬件设计师b把管子贴在壳体上，以保证电器的寿命。 第4波演讲嘉宾更新 ↓
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