汽车驱动系统电动化发展趋势分析

编者按：

国创中心袁教授的这篇电驱动讲课材料，是近几年所见为数不多的高水平技术资料之一，特点是技术讲授全面、产品涵盖面广，几乎把市场上出现过的各专业、各类技术的产品都囊括进来了，称之为“电驱动小百科全书”也不为过，对于电驱动从业工程师来说，是工作中查阅和自己学习时特别好的素材，是非常宝贵的一份资料，感谢袁教授及背后团队的辛勤工作，在此致以我们发自内心的敬意。

第一部分

量产数据统计分析

| 集中式驱动形式

M：电机  T：变速器（减速器）  D：差速器

（a）单电机前置前驱

部分代表车型：

• BYD e6\Tang EV600 

• Nissan Leaf 

• Hyundai IONIQ EV 

• Chevy Bolt 

• Weltmeister EX5 400 

• Xpeng g3 

• GAC Aion LX 

• VW e-Golf

（b）单电机中置后驱

（c）单电机后置后驱

部分代表车型：

• Tesla Model S/3 

• Xpeng P7 

• Roewe Marvel X 

• VW ID.3/ID.4/ID.6X 

• Audi Q4 

• Benz EQS450 

• BMW i3\iX3

（d）双电机四驱

部分代表车型：

• Tesla Model S\X\3 

• NIO ES6\ES8\EC6\ET7

• Audi e-tron\PPE 

• VW MEB\ID.4 

• Benz EQS580 4MATIC

（e）双电机前置前驱

（f）双电机后置后驱

| 分布式驱动形式

M：电机  T：变速器（减速器）

（h）：Audi R8 e-tron

（i）：BYD K8/K9/K9F/K12A

（注：此处有误，Audi e-tron不是轮边驱动，而是中央双电机分布式驱动）

| 三电机驱动

 M：电机 T：变速器（减速器） D：差速器 

（a）三电机四驱：轮边电机前驱+单电机后置后驱 

（b）三电机四驱：单电机前置前驱+轮边电机后驱 

代表车型：

• Faraday FF91 

• Audi R8 e-tron

（c）三电机四驱：单电机前置前驱+双电机后驱

• Roewe Marvel X

| 四电机驱动

 M：电机 T：变速器（减速器） D：差速器 

（a）四电机四驱：双电机前驱+双电机后驱

（b）四电机四驱：轮边电机前驱+双电机后驱

（c）四电机四驱：双电机前驱+轮边电机后驱

（d）四电机四驱：轮边电机前驱+轮边电机后驱

• Audi R8 e-tron

| 前后驱不同电机种类搭配

前永磁\后感应

• Tesla Model S\3 

• NIO ET7

（注：此处有误，Tesla Mode 3/Y是前感应、后永磁）

前感应\后永磁 

• VW MEB 

• Audi Q4 40 e-tron

| 加速性能不断提高

| 能量经济性不断提高

| 续驶里程不断提高

| 最高车速基本不变

| 比功率随总质量增加而增加

| 比功率不断提高

| 速比逐渐变大

| 电驱动总成技术水平 – 紧凑性

| 电驱动总成技术水平 – 高速化

| 电驱动总成技术水平 – 多挡化

| 电驱动总成技术水平 – 冷却润滑

| 电驱动总成技术水平 – 一体化

| 电驱动总成技术水平 – 多合一

第二部分

前沿技术深度剖析

| SiC电机控制器

• 技术难点

| SiC器件和模块 

• 意法量产平面型MOSFET在特斯拉Model 3率先应用，已量产第三代， 收购Norstel已交付8寸SiC晶圆，Cree明年投产8寸SiC晶圆

• 英飞凌车规级HybridPACK Drive全SiC模块，沟槽栅MOSFET，1200V/ 400A、1200V/200A版本，6月开始销售

• 比亚迪汉已使用自研全SiC器件电机控制器（平面型MOSFET ）

| SiC电机控制器封装 

• 特斯拉Model 3，每个开关由4颗单管并联，银烧结，功率模块散热器 为pin-fin结构+搅拌摩擦焊，AC端子激光焊

• 比亚迪SiC电机控制器，单面直接水冷, 铜夹互联技术，高EMC等级 （Class 3~5）

• 北汽极狐搭载测试正在进行

• 蔚来SiC电驱系统C样下线，将搭载ET7

| 氧化镓（β-Ga2O3）– 第四代超宽禁带半导体 

• 评价功率器件导通损耗的Baliga品质因数

• 东北大学吉川彰教授研发出制造新技术

• 铜质容器代替铱容器

• 成本降99%

• 2年内制造出直径6英寸结晶

| 电压平台升压技术

• 特斯拉Model 3采用650V SiC MOSFET 

• 比亚迪汉目前采用650V SiC MOSFET 

• 保时捷Taycan宣布采用800V电压平台

• 2019年德尔福率先量产800V SiC电机控制器

• 采埃孚宣布2022年底前在国内量产800V SiC电桥

| 扁线技术

• 2010年Remy量产扁线电机，搭载雪佛兰Volt, 4层扁线，2017年Bolt上为6层扁线

• 上汽ER6搭载华域电动的8层扁线电机, 槽满率90%以上

| 冷却技术

• 特斯拉Model 3油冷电机 采用电子油泵主动油冷，喷淋 

• 通用绕组喷淋技术， 绕组端部内外表面都得到喷油冷却

| 精进电动无泵油水复合冷却技术

• 效果好于单独水冷或油冷，特别适合高速连续功率车辆

• 油从减速器进入电机，消除油泵损耗，降低成本，有利于布置

| 高功率密度技术

• FEV超高功率密度电驱动技术 

• YASA轴向磁通电机， 匹配行星齿轮2速PST

| Lucid Air三合一高速电驱动系统

• 首个量产20000rpm同轴行星齿轮三合一

• 900V IGBT

• 混合磁通技术，连续波绕组扁线PMSM电机

• 定子核心区直接油冷，由零磁通区导入冷却液，轴向射流冷却

• 转子内置差速器，先差速再行星齿轮减速

| 欧洲H2020 FITGEN项目（为量产市场准备的第三代电动汽车电驱动桥的功能集成）

• 六相内嵌式PMSP，采用成型Liz线绕组，槽满率超过50%，5.2kW/kg

• 最高转速22500rpm，可持续超速至27000rpm，效率超过96.5%

• SiC MCU，效率超过99%，22-25kW/L

• 135kW/170Nm，2000欧元/套

| 高速电机技术

• 国外多个厂商推出高速电机 

• 电磁设计、转子强度和转子系统动力学分析、冷却系统设计与温升计算、 高速轴承等技术

| AVL Hummingbird高速电机

• 随着峰值转速提高，定子转子成本下降，而轴承、油封、润滑成本上升

• 减小高速轴承保持架径向变形，采用全封闭脂润滑轴承，Turson Varilip接触式油封

• 电机和减速器之间内腔隔离，以减小风阻及定子和转子间的粘性阻力

• 压力油润滑

• 齿轮采用直接射流喷射润滑

• 轴承通过油路导油润滑

| 高速电驱动技术

| 高性能感应电机技术

• 蔚来240kW高性能感应电机

• 国内首个采用铜转子技术，导热性相比铝转子高出40%，提升转子效率 并减少损耗

• 15 kW高功率激光焊接技术熔焊铜片，保证转子较好的导电性和一致性 

• 铜转子装配、激光熔焊、自动化削及动平衡、绕嵌线一体化、定子电加 热浸漆、涂胶以及在线动态性能测试等均采取全自动化生产

| 两挡AMT技术

• 国内外多个厂商量产2挡AMT 前沿技术深度剖析

• 换挡时间、换挡平顺性、可靠性、成本、NVH

| 2021年NSK发布2速e-Axle（二代）

• 150kW，输入130Nm，输出4000Nm

• 30000rpm，Traction Drive减速比5.0，行星齿轮减速比2.5，静音性好

• 最高车速250km/h，电机小型化，TD最高传动效率98.5%

• 清华苏研院与澳洲Ultimate Transmission合作，Timken

| 清华大学新型电子换挡电机

• 可变绕组技术：大幅拓宽电机高效区范围，＞88%区域占比＞88%，有效增加车辆的续驶里程

• 扭矩提升设计：扭矩提升低速区＞10%，高速区＞30%，恒功率区扩展至13500rpm，提高车辆带载、加速和爬坡能力

• 智能换挡技术：电子换挡控制器自动根据车辆行驶状态“无感”换挡，换挡时间＜20ms，采用效率梯度自寻优策略，进一步拓宽电机高效区范围

| 电驱专用DCT技术

• 国内外多个厂商发布多挡DCT 前沿技术深度剖析

• 寄生损失、换挡平顺性、成本、NVH

• 2018年FEV发布干式2速DCT变速器 

• 干式双离合器，最大输入转矩300Nm 

• 机电式作动系统

| 多挡行星轮系统技术

• 国内外多个厂商发布多挡行星齿轮PST

• 寄生损失、换挡平顺性、成本、NVH

• 2018年FEV发布2速PST变速器 

• 拉维纳行星齿轮+双制动器+单向离合器

| 飞轮助力技术-GKN

• 飞轮式电机，120kW峰值功率

• 多层陶瓷缠绕碳纤维外转子（8000万股航空级）

• 12kg，36000rpm，表面速度1.8Mach

• 高功率密度，循环寿命长，工作温度范围大

• 制动能量回馈提升25%，已在伦敦公交车应用

| 飞轮助力技术-海科

• 电机通过经行星齿轮控制飞轮

• 在矿卡上应用可使电池容量降低、电机功率减小

| 其他电驱传动技术

• 2020年Inmotive 发布2速Ingear变速器 

• 变形链轮+链条传动

| 降低寄生损失技术

• 缩短油泵工作时间

• 仅在换挡过程需要油泵 

• 挡位保持阶段犬牙离合器啮合，传递扭矩

| 解耦机构 

• GKN单速eAxle电子断开差速器（EDD） 

• Magna三合一单速eRAD电子断开离合器（EDC） 

• 上汽Marvel X 前驱中间轴单向离合器，滑行时断开

| 扭矩矢量分配技术

• 舍弗勒2速同轴扭矩矢量AMT

• 吉凯恩2速同轴PST电桥eTwinsterX概念

| 一体化技术 

• 通用雪佛兰Bolt 

• 大众MEB平台 

• 宝马iX3第五代edrive电驱动系统

第三部分

发展趋势概述

| SiC电机控制器技术 

• 车规级SiC功率器件设计制造 

• 封装技术 - 发挥SiC在高温下输出大电流的性能优势，提高散热性能 

• 功率模组技术 – 高开关频率（>20kHz）下减少导通损耗和寄生电感 

• 大电流互联方法，取消\减少引线键合，扩散焊接工艺，无焊接弹簧压接等 

• 回路低杂电感设计，降低尖峰电压 

• 短路保护设计，提高可靠性 

• 门极PCB设计，减少门极串扰 

• 高开关频率下的EMC设计，减少电磁干扰 

• 热模型，高温防护 

• 2025年前电压平台达800V，功率密度90 kW/L, 效率99.7%

| 扁线电机 

• 高速化适应性，克服高速时集肤效应 

• 层数增加到8，未来可能超过10层，降低涡流损耗 

• 匝数少造成的系列化难点，提高生产效率 

• 材料质量、铜线良率 

• 绕组端部冷却

| 油冷电机

• 优化润滑结构，减小寄生损失 

• 发展干油底、喷淋冷却润滑专利技术

| 无（少）稀土电机

•  IPM转子的凸极率比较 

• 永磁— 磁阻同步电机技术

| 可变功率转矩技术 – 适应平台多车型需求

| 一体化集成技术

• 结构一体化和控制器一体化

| 多挡传动技术

| 换挡控制技术

• 粒子群（PSO）、动态规划（DP）、线性二次型（LQR）换挡最优控制

| 降低寄生损失技术 

• 综合治理

| 高速、低摩擦力矩和长寿命轴承技术

• 研究合理的高速低摩擦力矩轴承的结构形式与润滑方式 

• 开展电机-轴承性能耦合分析，以确定合适的轴承内部几何参数设计原则 

• 探讨高承载能力、低摩擦力矩、长寿命与轻量化技术措施

| 低成本技术 

• 避免使用高成本零部件 

• TCU硬件，元器件国产化

| 高速系统降噪技术

• 被动降噪

• 主动降噪

| 电动力传动技术总趋势

| 电驱动技术总趋势

第四部分

结语

• 动力性、经济性要求不断提高，成本不断下降 

• 电动力总成技术趋向高速化、多挡化、一体化、小型化 

• SiC控制器渐成声势，高压化趋势显著 

• 第四代功率半导体布局应得到重视 

• 扁线电机（多层）、油冷电机、无\少稀土电机蓬勃发展 

• 高速、多挡各有优势，将会在相当长时间内共存 

• 高速化技术国内尚有短板，但产业化已势不可挡 

• 多挡化技术产业化需要解决多项技术问题 

• 一体化技术以共壳体、取消三相线、三合一为主要趋势 

• 高安全性，ASIL Class C以上 

• 高舒适性，噪声级<68dB 

• 低成本，减少稀土用量，简化结构

本文作者：袁一卿 国家新能源汽车技术创新中心