驅動電機技術發展趨勢:集成一體化、永磁高效化、數字智能化

上海電驅動股份有限公司 貢俊

驅動電機及系統產業的總體情況

根據中國汽車工業協會的數據，2018年我國新能源汽車產銷量分別完成127萬輛和125.6萬輛，較上年同期分別增長59.9%和61.7%，連續多年保持高速增長。數據表明，汽車動力電動化已成為汽車行業必然趨勢，新能源汽車市場形勢仍將持續保持快速發展。

驅動電機是新能源汽車核心關鍵部件，在我國「三縱三橫」的研發布局和多年國家科技項目的支持下，我國新能源汽車驅動電機系統技術和產業伴隨國家新能源汽車同步快速發展。

從多年來我國新能源汽車主要配套供應商分布看，我國自主驅動電機始終佔據絕對份額，僅有極少數幾個乘用車車型採用外資企業提供的驅動電機系統，我國已經形成了從驅動電機、電機控制器、變速器、電驅動總成、主要關鍵材料和關鍵器件的完整產業鏈，並全部實現了國產化。

以中汽協2018年統計數據為例，我國自主配套驅動電機、電機控制器和電驅動總成的比例達到95%以上。從產業規模看，我國新能源汽車公告中驅動電機和電機控制器生產企業達到200餘家，前20位生產企業的驅動電機和電機控制器產品佔總量的比例達到70%以上；特別是在新能源公交客車、純電動卡車和純電動物流車應用領域，幾乎全部由本土供應商配套。

驅動電機及系統技術發展情況

1、驅動電機及系統技術發展特點

1）高速度、高密度、高效率、低噪音和低成本是新能源驅動電機的重點發展方向，扁導線繞組成為提升轉矩和功率密度以及效率的主要手段，是面向2020年量產電機的工藝路線重點方向之一。

近年來，我國驅動電機在功率密度、系統集成度、電機最高效率和轉速、繞組製造工藝、冷卻散熱技術等方面持續進步，與國外先進水平並駕齊驅；同時，我國驅動電機研究開始延伸至振動噪音和鐵磁材料層面，進一步提升驅動電機的設計精度、工藝製造水平以及產品質量。

2）在電機控制器本體技術方面，通過持續進行集成化設計與多種控制器的功能集成，我國電機控制器集成度和功率密度水平持續提升。在電機控制器產品方面，我國採用電力電子集成優化設計技術，將汽車級功率模塊、超薄膜電容器與複合母排、高效散熱器以及功率部件連接件的優化設計，進一步提升了電機控制器本體功率密度，從8kW/L提升至12~16kW/L。IGBT晶片雙面焊接與模塊雙面冷卻技術、電力電子集成技術是不斷提升電機控制器集成度、功率密度和效率的主要技術發展方向。

結合我國「十三五」科技部重點研發計劃新能源汽車重大專項實施，上海電驅動、上海大郡、中車時代等推出了自主開發出了車用IGBT晶片、雙面冷卻IGBT模塊封裝和高功率密度電機控制器，我國高密度電機控制器技術水平迅速追趕國際先進水平。

3）在電驅動總成方面，通過將驅動電機、電機控制器、減速器一體化集成，進一步提升了電驅動總成系統的集成度，成為純電動乘用車動力總成技術方向之一。採用一體化電驅動總成可省去三相交流電纜和接插件，又大幅度提升系統可靠性；同時，通過將驅動電機與減速器直接集成為通用模塊化產品，一方面可以進一步降低總成體積和重量，另一方面通過集成化和精細化的匹配，提升電驅動總成的NVH水平。

近年來，我國自主研製的應用於乘用車的電驅動一體化總成開發成功並應用於國內多個新能源乘用車進行試驗驗證，多個企業開發了電驅動總成產品。

2、驅動電機及系統主要技術突破點

1）在高密度驅動電機方面，我國主要電機研製企業如上海電驅動、精進電動、中車時代電動、蘇州匯川、安徽巨一自動化、比亞迪、華域電動等等紛紛開發出功率密度達到3.8~4.6kW/kg的樣機和產品，最高轉速達13000~16000pm，並實現了電驅動一體化集成，電機冷卻方式涵蓋水冷和油冷多種類型，技術指標達到國際先進水平。

同時，華域汽車為上汽EDU二代電驅動總成和純電動汽車平臺配套驅動電機採用扁導線，同時與麥格納成立合資公司為大眾MEB平臺配套扁導線感應電機；精進電動依託國家重點研發計劃專項開發了高速乘用車扁導線電機樣機；上海電驅動將扁導線技術應用於48VBSG電機總成，為上汽通用混合動力汽車配套。

另外，精進電動還開發出轉矩密度達到20.3Nm/kg的商用車直驅電機，北京佩特來應用扁導線技術開發了3500Nm外轉子直驅電機，天津松正、菲仕電機也報到開發出了商用車扁導線直驅電機，我國商用車電機技術水平總體達到國際先進水平。

2）在高密度電機控制器方面，上海電驅動聯合上海道之，採用晶片雙面焊接工藝和電力電子功率組件的直焊互連工藝，研製出峰值功率125kW高密度電機控制器，30s功率密度達到17.5kW/L，10s峰值功率密度達到23.1kW/L；中車時代電氣採用自主IGBT晶片、雙面焊接與雙面冷卻技術、自主驅動晶片和電力電子集成封裝技術，開發出600A/750V雙面散熱模塊及組件產品，基於雙核MCU（微處理器）晶片開發出功率密度達到20kW/L以上的電機控制器；上海大郡聯合上海道之採用雙面焊接模塊與雙面水冷結構，通過功率組件的模塊化組合，開發出輸入功率達到260kW，電機控制器功率密度達到23.5kW/L，雙電機控制器與國外同類雙控制器產品相比較，功率密度指標相當。

3） 在電驅動總成方面，上海電驅動、精進電動、中車時代、匯川技術、上海大郡、巨一自動化、深圳比亞迪等均開發了集成電機、控制器和減速器的一體化總成，總成峰值功率95~150kW，總成輸出轉矩3200~3900Nm，總成輸出轉速1200~1500rpm。

同時，我國重慶青山、株洲歐格瑞、上海汽車變速器等已開發出了最高轉速12000rpm的高速減速器。其中，上汽變速器開發了最高轉速達到16000rpm高速減速器，我國高速減速器（大於12000rpm）技術和產品正在快速追趕國外先進水平。

4）在輪轂電機自主開發方面，中國汽車工程研究院與上海電驅動合作，聯合開發電動輪總成樣機，採用拼快式定子鐵心、超短端部繞線和雙面水冷結構技術，轉矩密度達到20.6Nm/kg，功率密度達到2.1kW/kg，相同功率和轉矩指標的電機重量和尺寸均減輕30%以上。

在商用車電動輪領域，深圳比亞迪、宇通客車、安凱客車先後研發並產業化輪邊和輪轂電機驅動的新能源客車，在新能源客車應用方面取得了良好的效果。同時，我國在輪轂電機和電動輪方面的產業併購加快，浙江亞太機電、浙江萬安科技、湖北泰特機電等多家企業與國外廠商通過合資，快速推動分布式驅動產業發展。

5）在驅動電機系統產業鏈方面，我國電驅動系統產業聯盟持續發展，聯盟產品涵蓋了矽鋼、磁鋼、絕緣材料、高速軸承、IGBT器件、碳化矽器件、膜電容器、傳感器、集成晶片等關鍵上遊材料和器件，聯盟在高密度電機控制器、全碳化矽電機控制器、高密度驅動電機、電驅動總成等方面取得進展,在核心零部件方面推動研發與驗證，有望進一步提升我國零部件自主競爭力。

我國驅動電機系統技術差距及技術發展趨勢

從國內外新能源汽車驅動電機系統技術發展趨勢看，朝著集成一體化、永磁高效化、數字智能化方向發展，並根據驅動電機和電機控制器本體技術方向，分解為不同技術發展領域。

1、在驅動電機方面，以不斷提高材料利用率、不斷提升電機與整車工況效率匹配以及提升電機品質和降低成本為主要技術發展方向。我國驅動電機在功率密度、轉速、效率等關鍵技術指標與國外相當，在扁導線製造工藝方面有一定積累；同時加大低重稀土永磁材料、耐電暈耐高溫絕緣材料、高強度高熱導耐高溫絕緣材料及骨架、直接油冷電機材料的兼容性、高導磁低損耗材料替代應用問題的研究。

2、在電機控制器方面，技術發展方向是更高功率密度和更高效率，雙面焊接與單面/雙面冷卻是電機控制器主流封裝工藝技術；我國如嘉興斯達（上海道之）、中車時代電動、深圳比亞迪等在IGBT功率模塊封裝、控制器系統級工程化集成能力提升很快，部分自主IGBT模塊已經實現量產。電力電子晶圓和晶片、相關集成電路（IC）等方面材料、技術和工藝、產品有待加強，在國產IGBT晶圓應用方面我國正在加速推進。

3、電驅動一體化總成是乘用車領域一個明確的產品發展方向，我國起步與國外基本同步，我國有多個企業推出了電驅動總成產品，上海汽車變速器研發了16000rpm高速減速器樣機，我國需要加快自主高速減速器及其軸承、齒輪等配套關鍵零部件開發，並強化電機和減速器的深度集成。同時，新能源乘用車電力電子總成以DCDC變換器、AC/DC車載充電機以及高壓配電單元（PDU）的集成化為另一個總成方向。

4、輪轂電動輪依然是新能源汽車行業發展的熱點之一，輪轂電機發展需要從電動輪總成角度進行集成開發。輪轂電機集成、安全與控制問題仍是瓶頸技術，輪轂電機作為一個技術方向需持續關注和增加研究投入。輪轂電機在商用車（公交客車）和特種車輛（低速多輪驅動電動車輛）應用已經開始起步，但輪轂電機在高速乘用車的工程化及批量應用仍需要較長時間。