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佐思汽研發(fā)布《2024年新能源汽車電驅(qū)動與動力域行業(yè)研究報告》。
電驅(qū)動系統(tǒng)圍繞著高集成度、高效率、高功率密度、高性價比、高可靠性、低噪聲等技術(shù)方向發(fā)展。高性能和低成本是永恒不變的主題，高轉(zhuǎn)速/扭矩、油冷、扁線電機、800V高壓化以及SiC功率模塊、多合一物理/系統(tǒng)集成等技術(shù)正迅速發(fā)展。
本報告研究框架包括：
來源：佐思汽研《2024年新能源汽車電驅(qū)動與動力域行業(yè)研究報告》
電驅(qū)動總成：向多合一集成、雙電機分布式驅(qū)動發(fā)展
電驅(qū)總成應(yīng)用趨勢：OEM主機廠主導“3+3+X平臺”集成開發(fā)，自制率不斷提升
主機廠從整車需求出發(fā)，對電驅(qū)總成的體積、成本、重量的追求越來越極致，而這也恰好與多合一集成方案的優(yōu)勢相契合。目前，車企正不斷加大自研多合一電驅(qū)系統(tǒng)的力度，甚至已經(jīng)不滿足于“六合一”或者“八合一”的產(chǎn)品了，而是不斷提升集成水平，目前業(yè)內(nèi)集成度最高的為“十二合一”電驅(qū)，典型代表是比亞迪和吉利。
2024年5月，比亞迪發(fā)布了e平臺3.0 Evo，該平臺首創(chuàng)了十二合一智能電驅(qū)系統(tǒng)，該十二合一電驅(qū)由此前的八合一加四個功能模塊組成，即集成了電機、電控、減速器、OBC、DCDC、PDU、VCU、BMS、能量管理智控系統(tǒng)、智能升壓模塊、智能升流模塊、智能自加熱模塊，首搭海獅07EV上市。
比亞迪十二合一電驅(qū)系統(tǒng)的集成思路在于提升系統(tǒng)的效率和可靠性。通過優(yōu)化能源管理策略、減少能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗以及強化熱管理效果，來提升車輛性能、增加續(xù)航里程。
2024年4月，吉利銀河在北京車展上發(fā)布了十一合一智能電驅(qū)，該電驅(qū)將電機、電控、減速器、VCU、HBMS、LBMS、OBC、DCDC、PDU、TMS、GWRC（智能防滑控制）等11個部件集成。海外版本為十二合一電驅(qū)，在十一合一電驅(qū)的基礎(chǔ)上，集成了EVCC（全球充電協(xié)議轉(zhuǎn)換）。
吉利十二合一電驅(qū)的集成思路是跨域集成，將動力域與底盤域的功能進行深度融合，以實現(xiàn)更為精準的車輛控制。在常規(guī)電驅(qū)與充配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入了熱管理集成模塊、低壓BMS以及GWRC智能防滑控制等特色組件。其中，熱管理集成模塊實現(xiàn)了熱泵與PTC控制的統(tǒng)一，實際上是在熱管理控制小集成上再執(zhí)行動力總成的大集成；低壓BMS順應(yīng)低壓鋰電化趨勢，與高壓BMS共享芯片資源，實現(xiàn)了車載蓄電池的智能補電；而GWRC智能防滑控制技術(shù)的集成，讓吉利完成了動力域與底盤域的部分融合，在跨域階段，動力域和底盤域融合，共同承擔車輛運動相關(guān)的控制，如動力系統(tǒng)的扭矩輸出與底盤系統(tǒng)的制動控制進行協(xié)同，可實現(xiàn)更精準的車輛控制。
部分OEM主機廠電驅(qū)動總成系統(tǒng)對比
來源：佐思汽研《2024年新能源汽車電驅(qū)動與動力域行業(yè)研究報告》
從純電驅(qū)動總成來看，多合一成為未來發(fā)展趨勢，多合一電驅(qū)的發(fā)展路線是一個從獨立分布到高度集成的演變過程，動力總成將向著“3+3+X平臺”演進。
“3+3+X”是新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)集成化的一個結(jié)構(gòu)框架：
第一個“3”表示電機、電機控制器、減速器的集成，即電驅(qū)三合一；
第二個“3”表示OBC、PDU、DCDC的集成，即電源集成；電驅(qū)三合一和充配電三合一的集成奠定了電驅(qū)三合一的集成；
“X”是整車控制VCU、BMS、48V DCDC、熱管理控制器等具體產(chǎn)品部件集成，或是升壓、脈沖加熱等功能集成。該部分目前尚未有明確的定義出來。X也為后續(xù)電驅(qū)進一步集成提供了更大的延展空間。
與主機廠主導的高度集成方案相比，獨立第三方Tier1供應(yīng)商難以同時布局電驅(qū)動、車載電源、熱管理、整車控制等產(chǎn)品線，因此多推出“六合一”、“七合一”產(chǎn)品，并加強對相關(guān)產(chǎn)品線的拓展研發(fā)。
部分Tier供應(yīng)商電驅(qū)動總成系統(tǒng)對比
來源：佐思汽研《2024年新能源汽車電驅(qū)動與動力域行業(yè)研究報告》
電驅(qū)總成應(yīng)用趨勢：OEM主機廠加速開發(fā)多電機分布式輪邊驅(qū)動系統(tǒng)
分布式驅(qū)動具備效率高、能耗低、使用成本低等特性，可以讓傳動系統(tǒng)進一步減重，滿足輕量化需求。此外，這種驅(qū)動方式還具有傳動鏈短、結(jié)構(gòu)緊湊以及改善輪胎附著力分配與驅(qū)動效率的優(yōu)勢，可以使各輪驅(qū)動/制動轉(zhuǎn)矩獨立可控，為車輛提供靈活的動力分配。
分布式驅(qū)動的兩條重要技術(shù)路線分別是輪邊電機和輪轂電機，乘用車輪轂電機以東風為代表，輪邊電機以比亞迪為代表。目前，輪邊電機驅(qū)動的乘用車已經(jīng)開始上市，但輪轂電機在乘用車大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用尚未成熟。為了能夠更好的匹配應(yīng)用，市場上的新能源乘用車多采用中央集成的雙電機驅(qū)動系統(tǒng)，但由于成本的影響，目前雙電機主要在高端越野和豪華品牌車型上搭載。
比亞迪易四方平臺電驅(qū)總成
以比亞迪的易四方平臺為例，該平臺基于比亞迪成熟的輪邊電機技術(shù)自主研發(fā)，可實現(xiàn)四電機獨立驅(qū)動、整車深度融合感知、車身穩(wěn)定矢量控制。易四方平臺搭載的電驅(qū)總成系統(tǒng)集成了兩組電機、兩組電機控制器、兩組減速器，電機和減速器是平行布局，從兩組減速器左右各伸出一根半軸，來連接和控制左右車輪。最大馬力可超1100匹，最高轉(zhuǎn)速可達20500rpm。同時，易四方技術(shù)平臺全系車型標配800V高壓SiC電控系統(tǒng)，最高效率可達到99.5%。
易四方平臺最核心的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)+剎車系統(tǒng)都被集成到動力總成，用四個輪邊電機，分別控制每個車輪上的轉(zhuǎn)速與扭矩，從而實現(xiàn)了“剎車系統(tǒng)”與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”的功能。
驅(qū)動電機：向著高速化、扁線油冷、少稀土/無稀土發(fā)展
新能源汽車驅(qū)動電機發(fā)展的主線也是輕量化、低成本、高效率。圍繞著這三條發(fā)展主線，驅(qū)動電機向著高速化、扁線油冷電機、無稀土電機方向發(fā)展。
驅(qū)動電機應(yīng)用趨勢：高轉(zhuǎn)速
高轉(zhuǎn)速的發(fā)展可以讓電機的體積更小、質(zhì)量更輕，還能讓整車的能耗更低、續(xù)航更長、加速更快、車速更高，而這些都是新能源汽車體驗提升的重要維度，同時也是各大車企爭相追求更高轉(zhuǎn)速電機開發(fā)的重要原因。
與此同時，高速化對電機的設(shè)計提出了更高的要求，軸承選型、電機散熱、轉(zhuǎn)軸材料、定轉(zhuǎn)子硅鋼片材料、電磁仿真、機械強度仿真、熱仿真、公差計算匹配等等都變得更有挑戰(zhàn)性。
20000rpm及以上高轉(zhuǎn)速電機量產(chǎn)情況統(tǒng)計
來源：佐思汽研《2024年新能源汽車電驅(qū)動與動力域行業(yè)研究報告》
目前，大部分高轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)速區(qū)間集中在18000-22000rpm，功率集中在200-300kW。2023年開始，中國車企多款搭載20000rpm以上轉(zhuǎn)速的電機的汽車開始落地。以華為、小米、廣汽等為代表的車企，正在尋求突破高轉(zhuǎn)速電機的新物理極限。小米最新發(fā)布的V8s電機最高轉(zhuǎn)速可達27200rpm，預計將于2025年實現(xiàn)上車。
小米V8s超級電機轉(zhuǎn)速達27200rpm
以小米V8s電機為例：小米基于轉(zhuǎn)子材料的突破，打造出了超級電機V8s，最高轉(zhuǎn)速達27200rpm。達成高轉(zhuǎn)速只是第一步，讓電機在高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作，需要克服更多技術(shù)難關(guān)，比如散熱和效率。
散熱方面：小米V8s電機采用雙向全油冷散熱和S型立體油路設(shè)計。定子部分通過雙循環(huán)立體油路，將散熱面積增加100%，同時將定子硅鋼片錯位疊放，增大了與油的接觸面積，讓導熱更充分；轉(zhuǎn)子部分利用S型油路，轉(zhuǎn)軸、鐵芯同步冷卻，將散熱面積增加50%，轉(zhuǎn)子最大降溫30°C。
在降低損耗方面，定子采用了0.2mm的硅鋼片，定子的鐵損占電機總鐵損的70%以上，定子采用薄的硅鋼片來降低電機損耗，提升效率。
在提升強度方面，該電機的轉(zhuǎn)子采用了抗拉強度960MPa 0.35mm厚度的高強度特種硅鋼片，防止在高轉(zhuǎn)速情況下，轉(zhuǎn)子磁橋的斷裂。
小米V8s電機轉(zhuǎn)子磁橋也做了優(yōu)化。大V磁鋼間的磁橋?qū)挾冗_到了3mm，外圓處磁橋厚度達到了1.5mm。隨著磁橋?qū)挾鹊脑龃?，漏磁也變的更大，因此需要使用更厚的磁鋼來增大磁勢?/p>
驅(qū)動電機應(yīng)用趨勢：扁線油冷電機
扁線電機具有體積小、重量輕、效率高、散熱性能好等優(yōu)勢，是新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)實現(xiàn)輕量化和小型化的重要技術(shù)路線。如今新能源汽車的動力電池成本居高不下，扁線電機作為新的降本方向逐漸走入行業(yè)視野，扁線間的空隙要比圓線緊密很多，具有更高的槽滿率和功率密度，可提升電機效率。此外，電機技術(shù)創(chuàng)新與工藝材料發(fā)展密切相關(guān)，新型繞組能使電機性能快速提升。
主機廠對扁線電機的規(guī)劃及應(yīng)用情況
來源：佐思汽研《2024年新能源汽車電驅(qū)動與動力域行業(yè)研究報告》
為進一步改善電機的效率或性能，在以扁線為繞組的基礎(chǔ)上，產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)出了不少創(chuàng)新型繞組工藝，如聯(lián)電/博格華納/廣汽埃安的X-pin、采埃孚的編織波繞組、上海電驅(qū)動的N-Pin、藝達電驅(qū)動的雙層U-pin、華域電動的Umini-pin等。
藝達電驅(qū)動雙層U-pin技術(shù)
在生產(chǎn)工藝上，藝達電驅(qū)動的8層繞組電機采用U-Pin雙排技術(shù)工藝，繞組端部結(jié)構(gòu)緊湊，導體間留有極小空氣間隙利于散熱。相較于常見扁線U-Pin工藝，進一步降低繞組端部高度和電機體積。但該U-Pin雙排技術(shù)工藝要求高、制造難度大，需要強大的生產(chǎn)裝備和研發(fā)技術(shù)支撐。
博格華納向心油路冷卻技術(shù)
驅(qū)動電機應(yīng)用趨勢：歐美企業(yè)加速布局少稀土/無稀土電機
目前，新能源汽車驅(qū)動電機的主要應(yīng)用類型有永磁同步電機和異步交流電機。其中，永磁同步電機因其具有效率高、體積小、較高的功率密度等優(yōu)點，占據(jù)了整個新能源市場的95%以上。永磁同步電機的核心材料是稀土，而由于稀土資源有限等原因，導致稀土永磁同步電機成本高，所以降低稀土使用量，或者以其他價格更低的材料進行完全替代，成了行業(yè)降本增效的思路之一。
車企看上無稀土電機，不僅為降本提效，更是為了規(guī)避稀土材料的壟斷風險，尤其是歐美企業(yè)。中國是稀土資源大國，而這恰恰成了海外車企擔憂的地方，美國能源局早在幾年前便開始組織開發(fā)輕稀土或者無稀土電機，目前無稀土電機已成為是海外汽車競逐的熱點。
歐美企業(yè)加速布局少稀土/無稀土電機
來源：佐思汽研《2024年新能源汽車電驅(qū)動與動力域行業(yè)研究報告》
當前，對于電勵磁電機的應(yīng)用主要集中在海外企業(yè)，例如雷諾、寶馬、特斯拉、日產(chǎn)等汽車OEM廠商。2023年，特斯拉宣布下一代永磁電機將不再使用稀土材料。除了特斯拉以外，全球很多汽車品牌也都在開發(fā)不含稀土的電機，比如通用汽車和Stellantis也正計劃開發(fā)新一代無稀土永磁電機，梅賽德斯下一代MMA EV平臺的目標則是完全棄用重稀土。
在車企的影響下，產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)亦在積極規(guī)劃產(chǎn)品路線，法雷奧、博格華納、馬赫、緯湃等供應(yīng)商也推出了電勵磁電機。日本公司Proterial（原日立金屬）已試制出不含稀土元素釹的永磁電機，并計劃2035年前實現(xiàn)商用；采埃孚也開發(fā)出了一種零稀土無磁電機“2SM”。中國雖然有著稀土資源優(yōu)勢，但仍然有不少國內(nèi)企業(yè)包括比亞迪、華為、鯤騰泰克、星驅(qū)科技和松正電機等廠商也在進行EESM的相關(guān)布局。
動力域：采用多核高性能MCU芯片，以滿足跨域融合需求
新能源汽車的動力總成控制系統(tǒng)正在從整車控制器VCU向著動力域控制器PDCU、動力底盤跨域融合控制器、中央計算機方向演進。其主控芯片也將從32位MCU走向集成“CPU+XPU”的異構(gòu)式SoC，以支撐各種場景的硬件加速需求。
早期的多合一控制器屬于物理集成（單板多芯片），通過簡化連接、共用殼體降本減重，VCU、BMS、電機控制器等控制模塊集成一個PCB板上，PCB板還是有多個控制器，由多個單片機各自控制部分零部件，并由多個線束和接口進行物理性連接；動力域控階段下，VCU、BMS、電機控制器等控制模塊將實現(xiàn)芯片集成（單板單芯片），所有控制模塊都共用一個主控MCU，一個PCB板上采用一個控制器、一個單片機、一套算法，直接控制三電部件。
動力域?qū)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/AI%E7%AE%97%E5%8A%9B/">AI算力要求較低但對安全性的要求較高，因此需要一顆性能、資源更加強大的MCU芯片作為其主控芯片。動力域控的主控芯片一般采用ASIL-D級別的32位MCU芯片，配置一顆符合功能安全的電源，同時配置一顆簡單的安全監(jiān)控MCU。動力域MCU主要強調(diào)低功耗設(shè)計、控制實時性以及ASIL-D等級的功能安全等特性。
目前，在動力域市場中與控制相關(guān)的核心車規(guī)級MCU，仍以意法半導體、恩智浦、英飛凌等海外芯片巨頭為主，國內(nèi)芯片廠商在動力域市場的應(yīng)用集中在電機控制、發(fā)動機控制、BMS等動力域的基礎(chǔ)應(yīng)用。
恩智浦S32E系列芯片框圖
恩智浦的S32E處理器適合用于電動汽車控制和智能執(zhí)行系統(tǒng)。S32E系列可提供實時處理能力，主要針對低延遲、高實時性的應(yīng)用，包括制動，混動控制，功能安全，底盤，動力域控制器等。該系列芯片采用16nm制程，可滿足L3~L4功能，而下一代規(guī)劃中的產(chǎn)品將采用5nm制程，瞄準更先進的L4~L5自駕功能的系統(tǒng)需求。此外，S32E系列處理器還提供了額外的功能(5V模擬和具有復雜定時器的I/O)，可支持驅(qū)動應(yīng)用。
英飛凌的AURIX? TC4xx系列MCU，可以解決新能源汽車中的里程焦慮、充電速度和x in 1系統(tǒng)成本問題，推動e-Mobility、ADAS、EEA和AI等前沿應(yīng)用的發(fā)展。
