QDSJ175 新能源汽车三电系统技术发展趋势

新能源汽车的动力系统包括电驱动系统与电源系统两大类 电驱动系统包含电机、电控制器、减速箱，是驱动电动汽车行驶的核心部件；电源系统包含车载充电机（OBC）、DC-DC转换器和高压配电盒，是动力电池组进行充电、电能转换及分配的核心部件。 电驱动产业链涉及环节较多，可以概括为零件—总成—系统—整车厂四大层级。上游零部件包括永磁体、硅钢体、功率模块、电容、传感器等，这一级的玩家对在整车产业链中属于“三级供应商”。 在零部件基础上进一步设计组装得到电机总成、电控总成与传动总成，这一级的玩家可以称为车企的“二级供应商”；各个单独总成进一步集成为电驱动系统供货于车企，这一级玩家为行业“一级供应商”。 电控系统 电控系统是新能源汽车的控制中枢，其重要性不言而喻，电控技术在新能源汽车产业初期发展缓慢，近年来突飞猛进、快速发展，特别是新材料在这一领域的应用尤为突出，以往的新能源汽车普遍采用IGBT功率模块，近年来新兴的碳化硅开始应用于纯电动车型，特斯拉、英飞凌、比亚迪、三菱、日立、中车时代等全球各大IGBT生产商都在积极研发新能源汽车的碳化硅功率模块，2018年特斯拉Model 3纯电动轿车开始陆续换装碳化硅功率模块，成为全球首款搭载碳化硅功率模块的新能源车型，此外比亚迪、蔚来等整车企业已经开始陆续使用碳化硅功率模块，显著提升电控系统的整体效率和使用寿命，进一步降低能耗，是电控技术未来的发展趋势。 DM-i超级混动技术 混合动力汽车虽然可以有效解决长途出行的里程焦虑问题，但馈电情况下甚至高于同级燃油车的能耗成为一大诟病，加之普遍高于同级燃油车的售价，使其处境尴尬，销量长期停滞不前。 2021年1月比亚迪发布DMI（Dual Mode Intelligent）超级混动技术，史无前例地取消了燃油动力总成中的变速箱，取而代之的是单速减速器，使用自研的骁云发动机，其热效率高达43%。 DMI系统主要依靠大功率高效电机进行驱动，发动机的主要任务是在高效转速区间发电，并在合适的时机直接驱动车辆，使其轻松实现馈电情况下的超低油耗，比亚迪DMI车型在馈电状态下的100km油耗普遍低至4 L左右，彻底颠覆之前的高油耗，这一显著成效不仅依靠高效发动机，电控系统在其中同样发挥了重要作用。 这一革命性技术一经发布，立即引发业界震动，DMI车型上市后订单积压、供不应求，立即成为市场热销车型，促进混合动力汽车的整体销量。此外理想ONE、岚图FREE、金康赛力斯等增程式车型层出不穷，增程式电动汽车的电控技术同样更新换代，持续热销，混合动力汽车市场由于革命性的技术突破重新开始繁荣。 电机控制器：IGBT掣肘，单管并联纾困 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。功率板的核心器件IGBT模块，占到电控总成本高达37%。 功率半导体在新能源汽车中的应用可分为模组&单管并联这两种路线，两者有各自适用的场景。模组为高度集成的功率半导体产品，保证了电控成品的可靠性&良率高，同时降低了系统设计的复杂度。 以IGBT为例，由于车规级功率半导体主要被英飞凌等外资占据，其往往提供特定参数规格的标准IGBT模组，然而模组参数往往不能很好适配具体需求，因此标准模组在不同功率的驱动电机控制系统中容易出现容量受限、结构安装等问题。 若采用多个IGBT单管并联（通过复合母排、冷却装置等部件一同封装），则可以根据不同车型灵活设计冗余量，并且单管成本显著低于模块，在成本要求较高的A级以下车型使用得更为普遍。但多个IGBT单管并联时，由于各单管参数的分散性、输出电流的不一致性，可能使系统可靠性较差，整个IGBT模组寿命也会缩短，对企业技术、制造能力考验大，故中高端B级以上车型通常使用可靠性更强的模组路线。碳化硅功率器件可显著提高电控效率、功率密度等性能。碳化硅材料具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和迁移速率高等性质，相比硅基IGBT，碳化硅元器件体积更小、频率更高、开关损耗更小，可以使电驱动系统在高压、高温下保持高速稳定运行（硅基IGBT只能在200℃以下的环境中工作）。 根据意法半导体，在400V电压平台下，相较于硅基IGBT，碳化硅功率件有2-4%的效率提升；在750V电压平台下，碳化硅器件有3.5-8%的效率提升。除了电机控制器外，碳化硅器件在OBC、DC/DC、无线充电等“小三电”中也有应用。例如，欣锐科技早于2013年正式将Wolfspeed的碳化硅方案应用于OBC产品，2021年为比亚迪DMi车型提供碳化硅电源类产品。目前制约碳化硅器件应用的主要因素为成本，伴随着未来碳化硅产业链的发展完善，相关器件应用渗透率将稳步提升。 软件：电控的进步体现在可拓展性、易维护性、功能安全性等方面的不断提高。 1）可拓展性：电控软件开发通常会使用AUTOSAR工具链（B级及以上车把AUTOSAR作为“标配”）。AUTOSAR（AUTOmotiveOpen System Architecture，汽车开放系统架构）是由全球各大汽车整车厂、汽零供应商、汽车电子软件系统公司联合建立的一套标准协议，旨在有效地管理日趋复杂的汽车电子软件系统。AUTOSAR规范的运用使得不同结构的电子控制单元的接口特征标准化、模块化，应用软件具备更好的可扩展性、可移植性，缩短开发周期。 2）易维护性：是指在软件后续使用过程中，及时实现远程更新升级与性能优化。OTA（Over-the-Air）技术可以降低维护成本，创造新的收入来源，目前已经在汽车行业包括其控制器总成上持续推广。 3）安全性，电驱动系统的控制器总成对新能源汽车的动力输出进行直接的调节控制，是保证安全性的重要一环。在汽车行业逐步引入ISO26262标准之后，基于功能安全的车用软件开发对电控软件提出了新的要求。 驱动电机 驱动电机直接驱动车辆行驶，是新能源汽车的核心组成部分，驱动电机由于在起步阶段就可以释放出最大扭矩，使新能源汽车加速性能远超同挡次的燃油车，但驱动电机在后程高速阶段中转矩快速衰减，单一齿比也使其极速普遍不如同挡次燃油车。 近年来驱动电机技术在功率、布置、系统方面持续革新：早期的单台驱动电机输出功率普遍不足80 kW，随着生产工艺和技术水平的日渐成熟，驱动电机输出功率逐步提升，到2018年时普遍在120kW左右，2019年上市的保时捷Taycan纯电动轿跑的后电机功率最高达350 kW，刷新当时驱动电机的最高功率纪录。 由于驱动电机体积小、无需变速箱，可以在车身内布置多个驱动电机，目前大部分在售新能源车型普遍采用单/双电机配置差异化销售，丰富不同价位的产品线，部分车型甚至布置3个驱动电机，进一步提升性能。 永磁同步电机和交流异步电机各有自身的优缺点，近年来整车企业开始将这两种驱动电机组合使用，以达到优化综合性能的目的，特斯拉、蔚来等企业已经推出永磁同步电机和交流异步电机混合搭载的车型，综合性能较之前车型有明显提升，驱动电机今后的技术会更加多元化提升。 扁线电机 驱动电机主要由定子组件、转子组件、端盖和辅助标准件组成，而定子绕组中又包括铁芯、铜线绕组、绝缘材料，定子绕组中采用扁铜线，先把绕组做成类似发卡一样的形状，穿进定子槽内，再在另外一端把发卡的端部焊接起来。 扁线电机与圆线电机的区别在于铜线的成形方式，扁线有利于电机槽满率的提升，一般圆线电机的槽满率为40%左右，而扁线电机的槽满率能达到60%以上，槽满率的提升意味着在空间不变的前提下可以填充更多的铜线，产生更强的磁场强度，功率密度显著提升，扁线之间接触面积大，相比于圆线电机，扁线电机热导性能更好，温升更低，有数据显示扁线电机温升比圆线电机低10%左右，另外扁线电机还可以通过节省端部铜材的方式提升铜线利用率，从而达到降低成本的目的。 总体来看，相比于圆线电机，扁线电机效率更高、体积更小、重量更轻、成本更低，是未来驱动电机的必然发展趋势。 近年来汽车企业开始逐步使用扁线电机替代圆线电机，早在2007年雪佛兰Volt就开始使用Hair-Pin（发卡式扁线电机），2013年日产在其电动汽车产品上使用过扁线电机，2015年丰田第四代普锐斯开始装配扁线电机，随着普锐斯的销量攀升，扁线电机开始得到规模化应用，之后上汽、长城、保时捷、东风、宝马、大众、比亚迪、吉利等企业相继在旗下车型装配扁线电机，未来扁线电机将进一步取代圆线电机，成为新能源汽车驱动电机主流。 集成式电机总成 传统的驱动电机独立于动力电池和电控系统，动力电池将电能传输给电机驱动车辆，并由电控系统进行控制，各个部分分工协作，保证车辆整体的稳定运行，但分体独立式结构的缺点同样十分明显，特别是驱动电机和电控系统的分离会占据车内更多空间，动力电池相对只能减少布置，同时增加质量，无法进一步增加的电池容量加之更大的车辆质量会减弱其加速和续驶里程，近年来这一劣势愈发明显。 针对这一问题，相关企业开始研发整合驱动电机和电控系统的多合一集成式电机总成，既节省车内空间又减轻车辆质量，最为重要的是使集成式电机总成进一步提高传动和控制效率，提升车辆整体性能。近年来精进电动、方正电机（FDM）、华为等企业已经推出相关产品，比亚迪在e3.0平台推出全球首款八合一电机总成，集成驱动电机、减速器、驱动电机控制器、高压配电箱（PowerDistribution Unit）、高低压直流转换器（Di⁃rect Current-DirectCurrent converter）、车载双向充电器、整车控制器（VehicleControl Unit）以及电池管理系统（Battery ManagementSystem），将综合效率从86%提升至89%，使100 km电耗比同级车降低10%，实现更快的加速和更长的续驶里程，随着集成式电机技术的逐步成熟，采用这一结构的车型会日渐增多。 扁线电机、高压电机带来新机遇 电驱动系统在新能源汽车成本中占比仅次于电池。电驱动系统（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。其成本占比仅次电池，占比绝对值因新能源汽车品牌、车型而异。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。 交流异步电机在高速中应用性能更优，同时具有成本优势（稀土永磁材料成本较高，同功率的永磁同步电机价格更高），目前配