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新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平臺(tái)化、高壓化和高效率趨勢(shì)

2022-02-03 21:31:24·  來源：驅(qū)動(dòng)視界  
　
1電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平臺(tái)化趨勢(shì)汽車的平臺(tái)化是在同一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)上，車身結(jié)構(gòu)中部分尺寸通用，通過調(diào)整其他橫向縱向尺寸及配備不同配置來達(dá)到滿足多個(gè)車型設(shè)計(jì)的目的。
1電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平臺(tái)化趨勢(shì)
汽車的平臺(tái)化是在同一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)上，車身結(jié)構(gòu)中部分尺寸通用，通過調(diào)整其他橫向縱向尺寸及配備不同配置來達(dá)到滿足多個(gè)車型設(shè)計(jì)的目的。
平臺(tái)化的設(shè)計(jì)可以減少成本，縮短研發(fā)周期，簡(jiǎn)化生產(chǎn)及設(shè)計(jì)步驟，同時(shí)能提高質(zhì)量穩(wěn)定表現(xiàn)的一種汽車研發(fā)先進(jìn)技術(shù)。
▲Karma E-Flex Platform
對(duì)于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商來說，要想以較小的代價(jià)獲取豐富的產(chǎn)品線，來滿足不同整車的需求，離不開平臺(tái)化開發(fā)理念。
通過核心技術(shù)的多次重復(fù)利用或零部件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)來提高技術(shù)和產(chǎn)品的通用化率，既可形成多樣化的產(chǎn)品組合方式來開發(fā)不同的產(chǎn)品，又能有效節(jié)省研發(fā)周期，提高研發(fā)效率，還能形成生產(chǎn)規(guī)模效應(yīng)從而降低成本，是行業(yè)未來重要的發(fā)展方向。
平臺(tái)化優(yōu)點(diǎn)：平臺(tái)化指基于同一平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)多款產(chǎn)品覆蓋所有車型的需求，在平臺(tái)化開發(fā)過程中，可通過核心技術(shù)多次重復(fù)應(yīng)用和零部件模塊化設(shè)計(jì)，來縮短產(chǎn)品的響應(yīng)周期，并基于相同工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)降低成本。
比亞迪基于同一平臺(tái)開發(fā)出四個(gè)三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，功 率 覆 蓋40kW-180kW，滿 足 A00 級(jí)小型車到B級(jí)及以上大型車的覆蓋，避免對(duì)不同級(jí)別車型進(jìn)行定制化開發(fā)的研發(fā)投入。
模塊化即將產(chǎn)品拆分為不同的模塊，通過組合各個(gè)模塊形成新產(chǎn)品。模塊化不僅使不同模塊集成變得更為簡(jiǎn)單，而且產(chǎn)品組合更加靈活，獲得豐富產(chǎn)品線，實(shí)現(xiàn)研發(fā)提速和成本降低。
此外，模塊化還可以根據(jù)客戶需求的性能進(jìn)行定制化組合，避免一體化驅(qū)動(dòng)總成成本過高。不過，模塊化設(shè)計(jì)初始開發(fā)階段難度大，投入高，一旦完成模塊化開發(fā)后，其優(yōu)勢(shì)將非常明顯。
比亞迪在其三合一平臺(tái)上，采用三種不同的電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器模塊理論上能組合成 27 種產(chǎn)品，滿足不同客戶需求。同時(shí)，未來還可以進(jìn)一步拓展 OBC 等其他模塊，形成集成度更高的產(chǎn)品。
2新能源汽車高壓化
2022年已經(jīng)成為800V高壓快充元年，各家主機(jī)廠紛紛布局。目前小鵬汽車、廣汽埃安、比亞迪e平臺(tái)、吉利極氪、理想汽車、北汽極狐等車企已經(jīng)布局了 800V快充技術(shù)。

純電乘用車電壓通常在200-400V 之間。400V高壓系統(tǒng)通常包括：電池、電機(jī)、電控、充電機(jī)（OBC）、高低壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）、高壓控制盒(PDU)、連接器及線束、電機(jī)/電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)零部件。從核心部件功能上看：
1）電池是所有電器的供電單元，PDU對(duì)電池、電路起保護(hù)作用；
2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器是動(dòng)力源，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；
3）DC/DC 對(duì)高低壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化，滿足車內(nèi)低電壓器件用電需求；
4）OBC 將充電樁的交流電轉(zhuǎn)換成直流電進(jìn)而通過分線盒給電池充電。
800V高壓平臺(tái)車型出現(xiàn)后 ， 國(guó)內(nèi)車企從技術(shù)迭代角度開始進(jìn)跟進(jìn)800V架構(gòu) 。保時(shí)捷Taycan是首款800V高壓平臺(tái)的量產(chǎn)車型，已將最大充電功率提升至 350KW，可以在大約23分鐘內(nèi)，把動(dòng)力電池從5%充至80%，相當(dāng)于300公里的續(xù)航能力。
同等功率下，當(dāng)電壓從400V提升到800V后，工作電流將降低一半，進(jìn)而線束體積、功率損耗均有下降。國(guó)內(nèi)車企目前紛紛跟進(jìn)800V高壓平臺(tái)架構(gòu)，有望在2022年陸續(xù)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
對(duì)于電動(dòng)車來說，高壓化可大大減少同等功率需求條件下電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)阻的損耗，提高系統(tǒng)效率，繼而可進(jìn)一步減少達(dá)成同樣續(xù)航里程條件下的電池電量，減少電池成本的同時(shí)降低整車重量，另外，高壓化還能提高充電效率，極大改善電動(dòng)車用車體驗(yàn)。因而，提高電動(dòng)車整車電壓至 800V，甚至是 1000V+ 將成為行業(yè)發(fā)展方向。

▲當(dāng)前市面上已量產(chǎn)高壓車型和 800V+ 車型的規(guī)劃
保時(shí)捷 800V 高電壓平臺(tái)與奧迪 e-tron 400V 電壓平臺(tái)對(duì)比。800V 平臺(tái)電機(jī)系統(tǒng)能耗損失降低 50%，對(duì)續(xù)航里程的貢獻(xiàn)增加 10%，重量減少 20%，系統(tǒng)尺寸優(yōu)化 30%，其中電機(jī)尺寸優(yōu)化35%。
通過提高電壓，極大改善充電體驗(yàn)，大多數(shù)廠商宣稱可實(shí)現(xiàn)充電 5min 續(xù)航超過 100km。
電動(dòng)車要想實(shí)現(xiàn) 800V 及以上高壓平臺(tái)，除了技術(shù)上要采用耐高壓 SiC 第三代功率半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)兼容之外，電池包、電驅(qū)動(dòng)、PTC、空調(diào)、車載充電機(jī)、高壓線束等高壓部件也都需要重新適配，另外還要面臨更高電壓帶來的安全、熱管理、成本等方面的挑戰(zhàn)。如在成本方面當(dāng)前 SiC 成本過高，致使高壓電動(dòng)車商業(yè)化進(jìn)展相對(duì)緩慢；另外，市面上已存在 400V 低壓平臺(tái)已能滿足低速短里程小型車的需求。因而，長(zhǎng)期來看高壓和低壓系統(tǒng)將會(huì)持續(xù)共存。
SiC 商業(yè)化進(jìn)展緩慢的主要原因是較 IGBT 高 585$，另外工藝制備效率低和 8 英寸襯底尚處于研發(fā)中也是制約原因。隨著工藝優(yōu)化、高效運(yùn)行、減少電容等器件使用可大幅降低成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。
保時(shí)捷 Taycan：該車型上擁有 800V-400V-48V-12V 四個(gè)電壓平臺(tái)，需借助升降壓DCDC 模塊進(jìn)行系統(tǒng)之間電壓調(diào)控。該車型動(dòng)力電池、PTC、電機(jī)控制器、直流充電器及線束等部件都針對(duì) 800V 進(jìn)行適應(yīng)性開發(fā)。
800V 還未大量普及的原因有：
1) 國(guó)家電網(wǎng)及充電樁等硬件設(shè)施需要重新布局；
2) 整車需要需要在高壓的絕緣設(shè)計(jì)、耐壓等級(jí)設(shè)計(jì)、功率半導(dǎo)體等方向做升級(jí)。
800V 及 1000V 產(chǎn)品推出的背后，是市場(chǎng)對(duì)于 15 分鐘快充技術(shù)的推崇。高電壓產(chǎn)品有助于快充產(chǎn)品的推廣，可以緩解終端用戶的里程焦慮和對(duì)電池的過度依賴。15 分鐘快充的技術(shù)基礎(chǔ)是 4C 的充電技術(shù)，加入未來 8C 快充變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，電驅(qū)產(chǎn)品一定會(huì)推出下一個(gè)電壓等級(jí)的產(chǎn)品，給消費(fèi)者更好的使用體驗(yàn)。
3高效率
3.1 扁線電機(jī)
相對(duì)圓形電機(jī)，扁線電機(jī)可以明顯減少體積、降低重量，增加電機(jī)功率密度、轉(zhuǎn)矩密度，提高散熱效率。

從2021年開始加速滲透，先在高檔車型中滲透，慢慢擴(kuò)展到中端和低端車型中，預(yù)計(jì)2022年滲透率達(dá)到40%，在2025年70%以上，市場(chǎng)前景非常廣闊。不過扁線電機(jī)也有一些缺點(diǎn)，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，投入成本高，加工難度大，良品率低，但這些不會(huì)阻擋扁線電機(jī)代替圓線電機(jī)。
在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，效率損耗主要源于電機(jī)和減速器，因此提高效率通常有兩個(gè)主要途徑。
一種途徑是提高電機(jī)效率。目前，Hair PIN 扁線電機(jī)技術(shù)、油冷技術(shù)和應(yīng)用高導(dǎo)低損材料等已成為明確的技術(shù)方向，另外現(xiàn)在電動(dòng)車常采用提高電機(jī)轉(zhuǎn)速來增加功率密度和效率，不過需要注意的是，電機(jī)高轉(zhuǎn)速下密封圈、軸承等機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來更多損耗，因而設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行平衡。
電磁優(yōu)化：采用扁線 Hair PIN 技術(shù)，通常可將槽滿率提高至 70% 以上；低速銅損更小；端部區(qū)域散熱面積增大，散熱能力增強(qiáng)等。
結(jié)構(gòu)冷卻：采用油冷技術(shù)，對(duì)電機(jī)繞組等液冷效果不好的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行油冷，選取的油應(yīng)具備絕緣、不導(dǎo)磁、非易燃、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)。
材料：包含高磁導(dǎo)率低損耗材料應(yīng)用，高耐溫磁性材料應(yīng)用，高等級(jí)絕緣材料應(yīng)用，耐油材料應(yīng)用等。
3.2 兩檔變速箱
另一種途徑是采用兩擋減速器來提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，主要有兩個(gè)原因：
一是兩擋減速器可以把一個(gè)電機(jī)的效率譜分成兩部分，既能保證低速大扭矩加速過程中的效率，又可以兼顧高速低扭矩時(shí)的效率；
二是兩擋減速器可以降低對(duì)電機(jī)的要求，即在同樣的輸出要求的情況下兩檔減速器可匹配更小功率扭矩的電機(jī)，從而可以減小整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的尺寸，易于搭載于混動(dòng)和純電動(dòng)整車平臺(tái)。
既然是多檔位，它就同樣擁有傳統(tǒng)燃油車上變速箱的一系列優(yōu)勢(shì)，比如可以提高低速加速能力、通過在高速工況下降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來提高驅(qū)動(dòng)效率。更加寬泛的齒比范圍能夠幫助Taycan擁有更多的高速續(xù)航里程，同時(shí)還可以提高加速能力。
保時(shí)捷自主研發(fā)的這臺(tái)變速箱重約70kg，可以承受最大550Nm的扭矩。擁有一個(gè)行星齒輪組和兩個(gè)離合器，一個(gè)離合器負(fù)責(zé)完成正常的換擋動(dòng)作，而第二個(gè)則可以使后橋電動(dòng)機(jī)和整個(gè)后軸分離。
整個(gè)變速箱中只有一個(gè)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過控制兩個(gè)離合器的開合負(fù)責(zé)一檔、二檔、倒檔、空檔、P檔所有檔位的執(zhí)行。也就是說，需要省電的情況下，Taycan可以只用前軸驅(qū)動(dòng)，變身成一臺(tái)更加經(jīng)濟(jì)的前驅(qū)車。
動(dòng)力性提升：減小百公里加速時(shí)間；提高最高車速；保證最大爬坡度。
經(jīng)濟(jì)性提升：利用速比調(diào)節(jié)，擴(kuò)大電機(jī)高效區(qū)間，降低電機(jī)工作轉(zhuǎn)速；優(yōu)化換擋策略，增大低速擋速比，利于擴(kuò)展制動(dòng)能量回饋范圍，增加電池續(xù)航里程。
舒適性提升：全電控操作，一擋起步、高速自動(dòng)換擋，駕駛平穩(wěn)；高速工況下，巡航、超車、NVH 性能有保證。
4問題和短板
4.1 電控芯片
電力電子未來發(fā)展的趨勢(shì)之一是使用更高的開關(guān)頻率以獲得更緊密的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以如何降低動(dòng)態(tài)損耗至關(guān)重要。因?yàn)?SiC 材料的本征特性,SiC 器件的電容相當(dāng)小。在高頻開關(guān)系統(tǒng)中，電容小也意味著開關(guān)損耗小。因?yàn)槠骷娙菪?，在高開關(guān)頻率高功率的應(yīng)用中 SiC 器件優(yōu)勢(shì)明顯。
SiC 被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)已有百余年的歷史，但是將其用于功率電子領(lǐng)域則是最近一二十年的進(jìn)展。其物理、電子特性使得 SiC 材料的器件擁有比傳統(tǒng) Si 材料制品有更好的耐高溫耐高壓特性,從而能獲得更高的功率密度和能源效率。
MCU 作為電機(jī)的控制大腦，包含控制板、電容器和功率模塊等部分。功率模塊作為 MCU 的核心，目前應(yīng)用最多的是IGBT，未來隨著電動(dòng)車電壓系統(tǒng)的提高，SiC 第三代功率半導(dǎo)體將會(huì)逐漸上量，與 IGBT 形成互補(bǔ)的態(tài)勢(shì)。
在 IGBT 模塊方面，國(guó)內(nèi)代表企業(yè)有比亞迪、斯達(dá)和中車時(shí)代等，但因產(chǎn)品可靠性仍需驗(yàn)證致使其當(dāng)前市占率有限，全球和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主體仍被以英飛凌為代表的國(guó)外企業(yè)占據(jù)。
4.2 電控軟件開發(fā)
純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是純電動(dòng)汽車的機(jī)械輸出單元。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配，如：峰值/額定功率、最高/額 定轉(zhuǎn)速及峰值/額定扭矩等，需要根據(jù)整車的動(dòng)力性要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，在兼顧性能的同時(shí)需要考慮成本因素。
汽車產(chǎn)業(yè)軟件開發(fā)多數(shù)遵循 V 字型開發(fā)流程，包含需求分析 - 設(shè)計(jì)方案 - 測(cè)試驗(yàn)證整個(gè)環(huán)節(jié)。
在電機(jī)控制器軟件開發(fā)方面，目前，國(guó)內(nèi)基本上已具備底層軟件和應(yīng)用層軟件開發(fā)能力，但在軟件架構(gòu)和整車匹配標(biāo)定以及軟件測(cè)試等領(lǐng)域還存在較大不足，尤其是當(dāng)前對(duì)ISO26262 功能安全需求以及如 AUTOSAR 軟件架構(gòu)開發(fā)儲(chǔ)備與國(guó)外還存在不小差距。

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