導(dǎo)讀：電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體進(jìn)化不僅僅是提高功率密度等物理性能，還會(huì)影響整車的智能性。
相較于燃油車，電動(dòng)汽車優(yōu)勢(shì)明顯，比如低碳環(huán)保、起步時(shí)更迅捷的動(dòng)力響應(yīng)，以及正常運(yùn)行時(shí)更安靜舒適的NVH等。
當(dāng)然，眾所周知電動(dòng)汽車也還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，比如電池續(xù)航與自燃問(wèn)題，比如補(bǔ)能問(wèn)題，比如在高速工況下的高能耗，以及電動(dòng)汽車普遍無(wú)法和燃油車媲美的最高速度。而這其中的許多問(wèn)題，都可以通過(guò)電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展來(lái)彌補(bǔ)。
比亞迪汽車工程研究院的凌和平副院長(zhǎng)認(rèn)為，作為新能源汽車最核心的一個(gè)系統(tǒng)，電驅(qū)系統(tǒng)整個(gè)成本大約占到新能源汽車的10%。
新能源汽車的快速發(fā)展也帶動(dòng)了電驅(qū)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。去年，經(jīng)初步測(cè)算電驅(qū)產(chǎn)業(yè)整個(gè)產(chǎn)值大概在300多億，“今年翻番肯定基本上是板上釘釘?shù)氖虑椤保韬推奖硎尽Ｔ?月8日于青島召開(kāi)的第十四屆國(guó)際汽車變速器及驅(qū)動(dòng)技術(shù)研討會(huì)（TMC2022）上，多位專家就電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了分享。
電驅(qū)系統(tǒng)包括電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等組件。其中電機(jī)是整車的動(dòng)力核心，通過(guò)電池提供的電能將其轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，通過(guò)減速器、半軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行駛。電機(jī)控制器是根據(jù)制動(dòng)踏板和加速踏板的輸入信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的控制命令來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行駛。減速器則是將電動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)通過(guò)齒輪傳動(dòng)變成低速大扭矩的裝置，目前大部分電動(dòng)汽車減速器都只有一檔速比。
以下，我們先來(lái)看一下當(dāng)前電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
一、電機(jī)性能全面提升
首先，從電機(jī)方面來(lái)看，扁線電機(jī)是近兩年的發(fā)展趨勢(shì)。凌和平表示，“去年基本有20%左右的電機(jī)都采用了扁線電機(jī)，今年扁線電機(jī)有望突破40%—50%，當(dāng)然在未來(lái)可能百分之百都會(huì)是扁線電機(jī)，這是整個(gè)的發(fā)展趨勢(shì)。”
目前市場(chǎng)上的新能源車主要用的都是永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)，而國(guó)內(nèi)永磁同步電機(jī)的裝機(jī)量更是高達(dá)94%。其主要原因就是永磁同步電機(jī)低速性能好，轉(zhuǎn)化效率高。
此前，永磁同步電機(jī)一直使用的是傳統(tǒng)的圓線技術(shù)，而圓線電機(jī)在市區(qū)頻繁啟停的工況中是低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的。而且，圓線電機(jī)的槽滿率偏低，僅有40%左右。槽滿率指的是線圈放入槽內(nèi)后占用槽內(nèi)空間的比例。槽滿率偏低意味著電機(jī)的功率密度偏低、重量偏大、電動(dòng)車的動(dòng)力也就偏弱。
扁線電機(jī)指的是導(dǎo)線橫截面為扁平矩形的電機(jī)。
圓線之間存在空隙，扁線則更加緊密。將導(dǎo)線從圓線改為扁線后，槽滿率可從40%提升到70%，電機(jī)轉(zhuǎn)化效率提升1.12%。這意味著在低轉(zhuǎn)速高扭矩的擁堵工況中，扁線電機(jī)的工作效率比圓線高出10%。
同時(shí)，槽滿率的提升也代表著線圈中導(dǎo)線增多，產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)更強(qiáng)，從而進(jìn)一步提升電機(jī)的功率以及整車的動(dòng)力。此外，為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車能像內(nèi)燃機(jī)一樣長(zhǎng)時(shí)間輸出高動(dòng)力，用于持續(xù)爬坡及連續(xù)加速等場(chǎng)景，就需要電機(jī)的持續(xù)扭矩時(shí)間增長(zhǎng)。此時(shí)，目前的水冷冷卻就不夠充分，因而也催生了油冷需求。關(guān)于油冷技術(shù)在電機(jī)中的應(yīng)用智駕網(wǎng)此前也寫過(guò)一篇報(bào)道，參看《可以完全替代內(nèi)燃機(jī)的電機(jī)出現(xiàn)了？》。同時(shí)，油冷電機(jī)也能有效降低電機(jī)本身的體積和重量，因而這幾年油冷電機(jī)的發(fā)展也非常迅速。此外，扁線技術(shù)同樣也能在一定程度上實(shí)現(xiàn)電機(jī)的輕量化和小型化，從而促進(jìn)整體電驅(qū)系統(tǒng)的集成化。
二、從三合一到多合一
集成化也是電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展另一個(gè)大的趨勢(shì)。
凌和平表示，從去年到今年，基本上整個(gè)行業(yè)都已經(jīng)做到了三合一。三合一即指電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器等部件的集成。電驅(qū)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成后，可省掉各部件之間的線束連接，減少電磁干擾，同時(shí)可明顯縮小體積，使車輛內(nèi)部空間布局更靈活。
同時(shí)，集成化后的電驅(qū)系統(tǒng)也更容易標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，方便在整車上面布置。而且，集成化的電驅(qū)系統(tǒng)功率密度也更高。去年，比亞迪又在其E 3.0平臺(tái)推出八合一電驅(qū)系統(tǒng)。八合一指的是集成了電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器、高低壓直流轉(zhuǎn)換器（DCDC）、雙向車載充電器（OBC）、高壓配電箱（PDU）、電池管理器（BMS）和整車控制器（VCU）八大模塊。相較于三合一系統(tǒng)，八合一具有更高的功率密度，在整體重量和體積上也能實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的壓縮。
此外，長(zhǎng)安也于2020年提出了多合一的超集電驅(qū)第三代。中國(guó)工程院院士，香港大學(xué)教授陳清泉表示，采用超集技術(shù)，可使工況效率提升5%，加之采用高效的功率器件、油冷系統(tǒng)，可使工況效率超過(guò)90%，總成最高效率超過(guò)95%，單車10年30萬(wàn)公里排放較燃油車降低20噸。
三、電控系統(tǒng)的進(jìn)化
在電控方面的發(fā)展則主要是第三代半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。
碳化硅在功率半導(dǎo)體層級(jí)有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。相比硅半導(dǎo)體，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍，電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的15倍，電子飽和率是硅的2倍，因而在高溫下更加穩(wěn)定，導(dǎo)通阻抗低，同時(shí)導(dǎo)通能耗也隨之降低。
此外，碳化硅有更快的開(kāi)關(guān)速度，可降低開(kāi)關(guān)能耗，且其導(dǎo)熱系數(shù)是硅的3.5倍，可帶來(lái)更好的散熱性能。因而，碳化硅電容器的元件體積可以做到更小，同時(shí)損耗降低，提升整車的系統(tǒng)性能。
而且，因?yàn)樘蓟璧倪@些特性，其在800V高壓系統(tǒng)中也有著天然的優(yōu)勢(shì)。
800V高壓系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)高壓快充。日前，小鵬剛剛發(fā)布其基于800V高壓技術(shù)的快充技術(shù)。
我們知道，功率等于電壓乘以電流，快充需要在盡量短的時(shí)間內(nèi)充入更多功率，因此，實(shí)現(xiàn)快充的方式是增加電流或者電壓。但加大電流意味著更粗的線束，發(fā)熱更多，需要更多附屬設(shè)備，而充電電壓提升則有更大的設(shè)計(jì)自由度。因而，800V高壓系統(tǒng)也成為近年的發(fā)展趨勢(shì)。
但當(dāng)電壓系統(tǒng)從400V升高到800V時(shí)，硅功率器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗都會(huì)明顯增加，此時(shí)，使用損耗更低，更耐高壓的碳化硅功率器件是目前最好的選擇。而且，據(jù)凌和平表示，隨著碳化硅大規(guī)模的使用后，整個(gè)成本也在降低。并且因?yàn)樘蓟鑾?lái)了系統(tǒng)效率的提升，整車所需裝備的電池量也在減少，因而其綜合成本和硅基的持平度或者差距正越來(lái)越小。因而，凌和平認(rèn)為兩者成本預(yù)計(jì)在2024年左右可能會(huì)達(dá)到一致，“一致之后可能會(huì)讓車的重量、效率、綜合性能都會(huì)達(dá)到大幅度提升。”
此外，據(jù)緯湃科技投資（中國(guó)）有限公司新能源科技事業(yè)部亞洲區(qū)創(chuàng)新總監(jiān)李智文表示，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速也是提高電驅(qū)系統(tǒng)功率密度和效率的又一有效方法。“目前我們?cè)谘械碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速要求已經(jīng)達(dá)到18000轉(zhuǎn)—20000轉(zhuǎn)的水平，下一代電機(jī)轉(zhuǎn)速很可能就會(huì)奔著25000轉(zhuǎn)的水平里邁進(jìn)。”
四、兩擋減速器提高能效
在減速器方面，為了提高能量的利用效率，目前兩擋速比的減速器也正成為電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。
由于車輛的工作特性，在低速時(shí)需要輸出大扭矩，實(shí)現(xiàn)加速，而在高速時(shí)則需要輸出恒功率。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的特性無(wú)法與車輛直接匹配，因而需要加一個(gè)多擋變速器。電機(jī)的特性則正好與車輛工作特性吻合，因而無(wú)需增加多擋變速器，只需要一個(gè)單級(jí)減速器或兩擋變速器即可。
目前，大部分電動(dòng)汽車采用的都是單級(jí)減速器。其優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)效率高、開(kāi)發(fā)難度小，但其缺點(diǎn)是要求電機(jī)扭矩較大，同時(shí)轉(zhuǎn)速又較高。而且，單一速比的設(shè)計(jì)無(wú)法兼顧電動(dòng)汽車對(duì)低速起步時(shí)的加速性、高速巡航時(shí)的速度以及爬坡時(shí)的性能的要求。同時(shí)，電機(jī)高效工作區(qū)間有限，會(huì)導(dǎo)致高速行駛時(shí)車輛耗電量明顯增加，尤其是當(dāng)車速超過(guò)80km/h時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力加速薄弱的現(xiàn)象。而電機(jī)如果一直保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)電機(jī)本身的可靠性也提出了較高的要求。
▲ 舍弗勒48V P4模塊的兩擋齒輪設(shè)計(jì)
使用兩擋變速器時(shí)，利用速比調(diào)節(jié)，可擴(kuò)大電機(jī)的高效區(qū)間，降低電機(jī)工作轉(zhuǎn)速，有效提高能量利用效率。例如，在起步、超車、爬坡等需要較大動(dòng)力時(shí)，使用一擋低速比，可以實(shí)現(xiàn)較大的扭矩，減小百公里加速時(shí)間，提高最高速度，也能保證最大的爬坡度。
而在高速巡航時(shí)則使用二擋高速比，保證駕駛平穩(wěn)，并提供良好的NVH體驗(yàn)。但兩擋變速器涉及換擋，由于換擋過(guò)程中，減速器輸出軸扭矩的變化并不是連續(xù)的，因而就需要面對(duì)換擋平順性的問(wèn)題。
在TMC 2022大會(huì)上，法雷奧展示了其換擋控制策略。換擋控制的目標(biāo)是在換擋時(shí)保持至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元連接車輪，以維持車輛在加速換擋過(guò)程中的加速度。
法雷奧的高性能電驅(qū)動(dòng)方案是采用高壓前驅(qū)來(lái)為換擋過(guò)程中加速度下降的瞬間提供額外的動(dòng)力。當(dāng)后驅(qū)換擋過(guò)程中加速度下降過(guò)大時(shí)，前驅(qū)可在2s內(nèi)提供更高的驅(qū)動(dòng)峰值功率，盡量減小后驅(qū)換擋過(guò)程中的加速度下降。由于前驅(qū)動(dòng)力可以維持車輛加速度水平，車輛仍可以實(shí)現(xiàn)平順的自動(dòng)換擋品質(zhì)。
目前，包括采埃孚、麥格納、舍弗勒、吉?jiǎng)P恩等企業(yè)均已發(fā)布兩擋減速器產(chǎn)品。
保時(shí)捷2020款Taycan是全球首款在后橋配備兩擋減速器的電動(dòng)汽車。此外，包括魏牌Wey P8，長(zhǎng)安CS75插電式混動(dòng)SUV，廣汽埃安LX Plus等車型也均搭載了兩擋減速器。
▲ 廣汽埃安兩擋雙電機(jī)“四合一”集成電驅(qū)
五、電驅(qū)系統(tǒng)影響智能化
凌和平表示，在物理結(jié)構(gòu)上，電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展的終極目標(biāo)是要把整個(gè)功率密度提高，把整個(gè)體積做小，把整個(gè)功能復(fù)用好，成本降低。而另一方面，凌和平認(rèn)為，電驅(qū)系統(tǒng)在軟件上也有很大的潛力。
“因?yàn)殡姍C(jī)本身的響應(yīng)速度就比底盤系統(tǒng)高，比如電機(jī)的旋變響應(yīng)速度和分辨率就比流速傳感器高很多，這個(gè)時(shí)候怎么利用好電機(jī)的響應(yīng)？并且電機(jī)本身就是一個(gè)正負(fù)扭矩特性的一個(gè)部件，既然可以驅(qū)動(dòng)完全也可以采取制動(dòng)，怎么樣把整個(gè)制動(dòng)的功能從底盤轉(zhuǎn)移到電機(jī)上來(lái)，減少底盤的作用，這是我們電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)未來(lái)要做的方向。”
此外，凌和平表示，把底盤控制和整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的控制融合好之后響應(yīng)會(huì)很快，在復(fù)雜路面上的控制系統(tǒng)以及車的感覺(jué)都會(huì)更好，并且安全性會(huì)更高，這同時(shí)也是對(duì)智能化的賦能。
目前，因?yàn)?a href='http://www.mgsoxford.com/kw-13.html' target='_blank'>智能駕駛的大邏輯都是以攝像頭、雷達(dá)等遠(yuǎn)距離感知為主，很難知道路面的真實(shí)情況，傳統(tǒng)的流速傳感器反應(yīng)又慢，因而前面看到的和腳下的就不合拍。而當(dāng)把整個(gè)電機(jī)的控制和底盤控制融合完以后，借助于電機(jī)，對(duì)路面的識(shí)別就會(huì)變得很快。此時(shí)將其與上層眼睛的感知結(jié)合起來(lái)，就能達(dá)到很好的統(tǒng)一。因此，電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)也包括把電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和底盤的控制與智能駕駛的整個(gè)融合做得更好。
可以說(shuō)，雖然電動(dòng)汽車還存在著一定的缺陷和弱勢(shì)，但隨著其在電驅(qū)系統(tǒng)上的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)相較內(nèi)燃機(jī)的差距正在逐漸縮小，而其優(yōu)勢(shì)也在漸行擴(kuò)大。另一方面，得益于電氣化的天然優(yōu)勢(shì)，電動(dòng)汽車在整車的智能表現(xiàn)上也將有更大的想象空間。
來(lái)源：智駕網(wǎng) 作者：黃華丹
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