• 作者：吳慶國

一. 新能源汽車發(fā)展背景

1.1 新能源汽車發(fā)展背景（經(jīng)濟性）

• 電池壽命：10年，24萬公里

• 電池使用里程數(shù)：4km/kWh*40kWh*1500次=24萬公里

• 40kWh電池價格=8萬元

• 電費： 0.6元/kWh*40kWh*1500次=3.6萬

• 總費用：8+3.6=11.6萬元

• 汽油費用：24萬公里*0.1L/km*7.5元/L=18萬元

▲汽油與（電池+電費）平衡點

1.2 新能源汽車發(fā)展背景（政治）

能源、氣候、排放需求

各國開始禁銷燃油車時間表（2020年-2040年）：

1.3 全球新能源汽車行業(yè)政策

1.4 技術(shù)路徑對減少CO2排放的貢獻(xiàn)

1.5 全球新能源汽車發(fā)展路徑

二.國內(nèi)新能源汽車發(fā)展概況

2.1 國內(nèi)新能源汽車市場銷量

2018年1-10月，新能源汽車?yán)塾嫯a(chǎn)銷分別完成87.9萬輛和86萬輛，比上年同期分別增長70%和75.6%。

2.2 國內(nèi)新能源汽車市場結(jié)構(gòu)

• 1-10月純電動汽車銷售完成65.3萬輛，比上年同期增長62.3%。

• 1-10月插電式混合動力汽車銷售完成20.7萬輛，比上年同期增長136.4%。
  

• 從銷量數(shù)據(jù)上看，純電動汽車仍是目前市場上主流技術(shù)路線，其占比達(dá)76%，但比去年的83%有所降低。
  

2.3 國內(nèi)新能源汽車1-10月累計銷量分車型車企排行榜

• 北汽新能源的EC系列車型已經(jīng)累計銷售68025輛，是市場最為大賣的純電動汽車車型。北汽新能源也因其強勢的市場表現(xiàn)，以17%的市場占有率成為純電動汽車市場2018年1-10月累計銷量的車企冠軍。

• 比亞迪以45%的市場份額是插電式混動汽車市場絕對的霸主，上汽以29%的占有率位居次席。

2.4 國內(nèi)新能源乘用車暢銷車型排行榜TOP10

排行榜中銷量前四名都是A0級和A00級車型，其中北汽新能源EC系列更是一枝獨秀，相比去年同期累計銷量增長了52.4%。比亞迪的幾款A(yù)級車型也表現(xiàn)不俗，單個車型累計銷量都突破了三萬大關(guān)。

2.5 新能源乘用汽車市場需求分析

目前消費者主要的需求是省油（高續(xù)航），安全性高、更環(huán)保的小排量（A00，A0級）的汽車。

三. 國內(nèi)電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展概況

3.1 新能源汽車驅(qū)動電機市場現(xiàn)狀

新能源汽車發(fā)展勢頭強勁，帶來新能源汽車電機市場快速發(fā)展。據(jù)中機中心統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年我國新能源汽車電機裝機量約87.4萬臺，同比增長56%。由此測算，截至到2020年新能源汽車電機、電控市場規(guī)模將增至500億元。

3.2 新能源汽車電機控制器市場現(xiàn)狀

整車廠成立電機電控公司配套整車公司已成為行業(yè)主流，有利于縮短研發(fā)周期，降低裝車成本，提高整車性能集成能力。像比亞迪、北汽新能源這種車企自我配套的電機電控產(chǎn)品占市場總體裝機量的五成以上。

新能源汽車電機電控市場正處于“百花齊放，百家爭鳴”蓬勃發(fā)展期，尚未有壟斷的企業(yè)形成，為后進(jìn)入這一領(lǐng)域的企業(yè)提供了一定的發(fā)展空間和時間。

四. 電驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

4.1 純電動乘用車動力總成現(xiàn)狀分析

4.2 純電動商用車動力總成現(xiàn)狀分析

4.3 純電動乘用車驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析

驅(qū)動電機＆減速機

最常見的純電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)集成方案，多應(yīng)用于乘用車上，像北汽407EV和佳寶V80L EV等商用車也開始采用的這種方案。

• 結(jié)構(gòu)簡單；

• 開發(fā)成本和制造成本低；

• 電控系統(tǒng)單獨安裝，可避免與電機一起高頻振動；

• 整車NVH效果好；

• 減重效果一般。

驅(qū)動電機＆減速機＆電機控制器

此方案是目前主流乘用車的基礎(chǔ)配置，特斯拉、蔚來汽車、比亞迪等的驅(qū)動系統(tǒng)都至少是“三合一”起步。博世、吉凱恩、采埃孚等公司均有成熟的“三合一”電驅(qū)動產(chǎn)品配套。

• 集成度高，結(jié)構(gòu)緊湊；

• 開發(fā)成本高，制造成本低；

• 電控系統(tǒng)與電機一起高頻振動，耐久性受影響；

• 減重效果較好。

分布式驅(qū)動系統(tǒng)：輪轂電機

此方案是未來驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向，受限于電機尺寸過于龐大，目前主要應(yīng)用的車型是“電動客車”。以湖北泰特電機公司為首的輪轂電機公司已向電動客車廠批量供應(yīng)輪轂電機產(chǎn)品

• 集成度高，結(jié)構(gòu)緊湊；

• 開發(fā)難度大，制造成本低；

• 釋放整車布置空間，增加總布置的靈活性；

• 傳動效率高；

• 減重效果優(yōu)異。

4.4 純電動商用車驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析

沿用傳統(tǒng)車結(jié)構(gòu)：

與燃油車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同：用驅(qū)動電機和減速機替代發(fā)動機和變速箱，為了擴大電池組的布置空間，通常會縮減傳動軸的尺寸，通過原車驅(qū)動橋進(jìn)行動力傳輸。

• 用傳統(tǒng)燃油車車身改制，改制難度小，風(fēng)險低；
  

• 開發(fā)周期短，制造成本低；

• 占用車輛X向空間大，不利于電池包布置；

• 離地間隙小，無法用于低地板公交車；

• 驅(qū)動系統(tǒng)輕量化水平不高；

• 應(yīng)用此種改制方案的商用車輛整車EKg值在0.45左右，不滿足國家最新補貼標(biāo)準(zhǔn)（≤0.35）。

輪邊電機驅(qū)動橋：

驅(qū)動電機、減速機與車橋集成在一起；長江新能源和比亞迪均開發(fā)出了輪邊電驅(qū)動橋產(chǎn)品；這種結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于純電動重卡和公交等車型。

• 集成度高，結(jié)構(gòu)緊湊；
  

• 完全釋放地板下空間，有利于電池包布置；

• 特別適合低地板純電動公交車使用；

• 重量比傳統(tǒng)中央驅(qū)動方式稍輕；

• 簧下質(zhì)量較大，對操控性略有影響；

• 開發(fā)難度大，制造成本較高；

• 系統(tǒng)傳動效率高。

輪轂電機驅(qū)動橋：

驅(qū)動電機和減速機集成在車輪輪轂內(nèi)部空間。下圖為湖北泰特量產(chǎn)配套的輪轂電機。

• 高度集成，零件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)緊湊；
  

• 釋放地板下空間，有利于電池包布置；

• 適合所有車型使用；

• 對比前兩種布置方式重量最輕；

• 簧下質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量稍大，對操控性略有影響；

• 傳動效率高，能耗少。

4.5 純電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)常見集成案例

4.6 典型純電動乘用車驅(qū)動系統(tǒng)介紹

• 特斯拉MODEL S采用后置后驅(qū)的布置方式，驅(qū)動系統(tǒng)是交流異步驅(qū)動電機＆減速機＆電機控制器的“三合一”集成動力總成。

• 特斯拉MODEL X的后輪電驅(qū)動系統(tǒng)與MODEL S相同，額外增加了一套前輪“三合一”電驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)四輪驅(qū)動。

• 零跑汽車研發(fā)的“七合一”電驅(qū)動系統(tǒng)代表了電驅(qū)動的發(fā)展方向。

4.7 輪轂電機技術(shù)優(yōu)缺點分析

輪轂電機的技術(shù)優(yōu)點：

• 省略大量傳動部件，讓車輛結(jié)構(gòu)更簡單，有利于電池包布置，使車輛地板結(jié)構(gòu)更簡單；

• 傳動效率高；

• 重量輕；

• 可實現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動方式：由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅(qū)動的特性，因此無論是前驅(qū)，全時四驅(qū)在輪轂電機驅(qū)動的車輛上實現(xiàn)起來非常容易。

• 同時輪轂電機可以通過左右車輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)實現(xiàn)類似履帶式車輛的差動轉(zhuǎn)向，大大減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，對于特種車輛很有價值；

• 適用于幾乎所有車型。

輪轂電機的技術(shù)缺點：

• 輪轂電機較大幅度地增大了簧下質(zhì)量，同時也增加了輪轂的轉(zhuǎn)動慣量，這對于車輛的操控性能是不利的。

• 電制動性能有限，維持制動系統(tǒng)運行需要消耗不少電能：

• 由于輪轂電機系統(tǒng)的電制動容量較小，不能滿足整車制動性能的要求，都需要附加機械制動系統(tǒng)；

• 沒有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機帶動的真空泵，就需要電動真空泵來提供剎車助力，但也就意味著有更大的能量消耗。

• 輪轂電機工作的環(huán)境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，在密封方面也有較高要求，同時在設(shè)計上也需要為輪轂電機單獨考慮散熱問題。

4.8 輪轂電機和輪邊電機的方案對比

4.9 經(jīng)典的混動電機結(jié)構(gòu)分享

4.10 總結(jié)

• 高功率密度：國家“十三五”新能源汽車重點研發(fā)計劃明確指出到2020年峰值功率密度達(dá)到4.0kW/kg，連續(xù)功率密度達(dá)到2.2kW/kg。

• 系統(tǒng)集成化：多部件集成設(shè)計和制造有利于減小系統(tǒng)重量和體積，降低系統(tǒng)制造成本。同時也提高了整車廠的生產(chǎn)效率，降低了管理成本。

• 電機永磁化：永磁電機憑借著高轉(zhuǎn)矩和高功率密度的特點，占據(jù)著接近八成的車用驅(qū)動電機的市場份額；

• 高速化：高速電機可以大量節(jié)省昂貴的永磁體材料，也能減小電機體積，對提升功率密度，降低制造成本效果顯著；

• 減速系統(tǒng)多擋化：經(jīng)模擬仿真和實車試驗證實，多擋（≥2）變速系統(tǒng)可以拓寬電機高效區(qū)的應(yīng)用區(qū)間，降低系統(tǒng)能耗，NEDC工況下能提升10%左右續(xù)駛里程；

• 冷卻手段多樣化：為提升電機功率極限，提高電機的散熱能力是卓有成效的技術(shù)手段之一。隨著MODEL 3的大賣，油冷電機將成為市場的新寵。在未來，綜合應(yīng)用內(nèi)部油冷與殼體水冷的驅(qū)動產(chǎn)品將成為主流。

五. 驅(qū)動電機設(shè)計常見技術(shù)分享

5.1 降低電機損耗的技術(shù)方案

降低發(fā)熱損耗

• 優(yōu)化電與磁的匹配

• 合理選用鐵心材料

• 有效增大銅面積

降低雜散損耗

• 合理設(shè)計齒槽關(guān)系和氣隙

• 提升制造工藝，減少磁場畸

• 采用Y—Δ串接的正弦繞組

降低風(fēng)磨損耗

• 合理的軸承結(jié)構(gòu)、潤滑設(shè)計

• 提高熱傳導(dǎo)效率，對流散熱

• 提高冷卻熱交換效率

5.2 矩形導(dǎo)體繞組電機設(shè)計

• 繞組排列布置緊密，體積小；
  

• 槽滿率比傳統(tǒng)繞組可提高15%，效率高；

• 磁阻轉(zhuǎn)矩高；

• 導(dǎo)熱和散熱能力好；

• 繞組剛度好，可降低振動噪聲； 

• 端部不用綁扎，可降低成本。

5.3 繞組直接噴淋冷卻技術(shù)

• 采用電機繞組端部冷卻可以使電機繞組溫度降低68%以上，大大提升了電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度水平；

• 高槽滿率下繞組間的導(dǎo)熱能力是低槽滿率的150%；

• 繞組在熱傳導(dǎo)能力上具有各向異性，軸向的熱傳導(dǎo)能力是徑向方向的100倍。

5.4 常用的電機水冷機殼流道構(gòu)型

不同構(gòu)型流道換熱效率對比：

不同構(gòu)型流道損耗對比：

從換熱效率而言，軸向式最大，但流阻最大，流路損耗最大。螺旋式結(jié)構(gòu)構(gòu)型最簡單，流阻最小，但換熱效率最差。

圓周式水道是比較流行和平衡的選擇，流道數(shù)目一般在3-6之間為宜。

5.5 特斯拉Model S電機冷卻方案

電機采用的軸向式與圓周式綜合運用的是迷宮水道，同時對轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行冷卻，電機內(nèi)外同步水冷。

5.6 FEV兩擋油冷電驅(qū)動系統(tǒng)

電機、電機控制器、兩檔變速箱共用油冷系統(tǒng)。具有體積小、重量輕、效率高、功率密度高等特點，是目前流行的先進(jìn)技術(shù)與高品質(zhì)結(jié)合的經(jīng)典“三合一”驅(qū)動產(chǎn)品。

5.7 FEV兩擋油冷電驅(qū)動系統(tǒng)：油液分布和電機內(nèi)部冷卻

• 內(nèi)部油冷可以提高電機的持續(xù)功率， 最大可達(dá)50%；

• 油液分布和流動非常復(fù)雜，因為速度變化很大 （離心效應(yīng)，內(nèi)部繞組影響）。

5.8 油冷與殼體水冷并用的驅(qū)動電機介紹

廣汽SUV GE3應(yīng)用的Chevrolet Volt的永磁同步電機

Chevrolet Volt的電機同時采用了端部噴油和水冷機殼兩種冷卻技術(shù)。水冷機殼采用的是圓周式水道構(gòu)型，水道數(shù)目為5.

結(jié)論：噴油冷卻和水冷外殼都能有效提升轉(zhuǎn)矩極限，但水冷外殼的貢獻(xiàn)量更大。建議兩種冷卻方式并用。

5.9 高導(dǎo)熱膠定子灌封技術(shù)

• 為了更好的散熱，在電機定子繞組端部采用灌封工藝，即采用導(dǎo)熱性能良好的灌封膠將端部熱量通過機殼有效的散出。

• 如采用耐高溫的環(huán)氧類灌封膠或有機硅型灌封膠，在采用合適的添加劑條件下，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)2.0（空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.23），能提高電機輸出功率15%~20%。

• 同時也增加了電機線圈的機械強度及防潮能力，可降低電機振動噪音，提升可靠性。

5.10 高性能軟磁材料

• 定子采用低鐵損軟磁材料，提高效率。選用高導(dǎo)磁，低損耗的薄片磁性材料。為了減少鐵心損耗，可選用各向同性的0.35mm甚至更薄（0.2mm）的硅鋼片；

• 采用高導(dǎo)磁低鐵損的硅鋼片，增加輸出轉(zhuǎn)矩，提高電機的整體效率。

5.11 多層永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

• 有限空間內(nèi)可以放置更多磁鋼，可以使用剩磁密度較低牌號磁鋼來替代稀土永磁，降低成本。

• 與單層磁鋼相比，多層磁鋼的凸極比更高，增加磁阻轉(zhuǎn)矩比重，提高轉(zhuǎn)矩密度與弱磁能力。

• 多層永磁體，更多的磁橋，有利于提高轉(zhuǎn)子強度，更適合高速運轉(zhuǎn)。

• 降低永磁體退磁風(fēng)險、提高電機可靠性。

后記：

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