• 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（經濟性）

• 電池壽命：10年，24萬公里

• 電池使用里程數：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 技術路徑對減少CO2排放的貢獻

1.5 全球新能源汽車發(fā)展路徑

二.國內新能源汽車發(fā)展概況

2.1 國內新能源汽車市場銷量

2018年1-10月，新能源汽車累計產銷分別完成87.9萬輛和86萬輛，比上年同期分別增長70%和75.6%。

2.2 國內新能源汽車市場結構

• 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%。
  

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

2.3 國內新能源汽車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，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級車型也表現不俗，單個車型累計銷量都突破了三萬大關。

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. 國內電驅動系統(tǒng)發(fā)展概況

3.1 新能源汽車驅動電機市場現狀

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。據中機中心統(tǒng)計數據顯示，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，為后進入這一領域的企業(yè)提供了一定的發(fā)展空間和時間。

四. 電驅動系統(tǒng)現狀及發(fā)展趨勢

4.1 純電動乘用車動力總成現狀分析

4.2 純電動商用車動力總成現狀分析

4.3 純電動乘用車驅動系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析

驅動電機＆減速機

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

• 結構簡單；

• 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配置，特斯拉、蔚來汽車、比亞迪等的驅動系統(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”電驅動產品配套。

• 集成度高，結構緊湊；

• 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。

分布式驅動系統(tǒng)：輪轂電機

此方案是未來驅動系統(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輪轂電機產品

• 集成度高，結構緊湊；

• 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 純電動商用車驅動系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析

沿用傳統(tǒng)車結構：

與燃油車驅動系統(tǒng)結構相同：用驅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，通過原車驅動橋進行動力傳輸。

• 用傳統(tǒng)燃油車車身改制，改制難度小，風險低；
  

• 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；

• 驅動系統(tǒng)輕量化水平不高；

• 應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準（≤0.35）。

輪邊電機驅動橋：

驅動電機、減速機與車橋集成在一起；長江新能源和比亞迪均開發(fā)出了輪邊電驅動橋產品；這種結構常應用于純電動重卡和公交等車型。

• 集成度高，結構緊湊；
  

• 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)中央驅動方式稍輕；

• 簧下質量較大，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。

輪轂電機驅動橋：

驅動電機和減速機集成在車輪輪轂內部空間。下圖為湖北泰特量產配套的輪轂電機。

• 高度集成，零件數量少，結構緊湊；
  

• 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；

• 簧下質量和轉動慣量稍大，對操控性略有影響；

• 傳動效率高，能耗少。

4.5 純電動汽車電驅動系統(tǒng)常見集成案例

4.6 典型純電動乘用車驅動系統(tǒng)介紹

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

• 特斯拉MODEL X的后輪電驅動系統(tǒng)與MODEL S相同，額外增加了一套前輪“三合一”電驅動系統(tǒng)，實現四輪驅動。

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

4.7 輪轂電機技術優(yōu)缺點分析

輪轂電機的技術優(yōu)點：

• 省略大量傳動部件，讓車輛結構更簡單，有利于電池包布置，使車輛地板結構更簡單；

• 傳動效率高；

• 重量輕；

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

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

• 適用于幾乎所有車型。

輪轂電機的技術缺點：

• 輪轂電機較大幅度地增大了簧下質量，同時也增加了輪轂的轉動慣量，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 經典的混動電機結構分享

4.10 總結

• 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年峰值功率密度達到4.0kW/kg，連續(xù)功率密度達到2.2kW/kg。

• 系統(tǒng)集成化：多部件集成設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效率，降低了管理成本。

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

• 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，綜合應用內部油冷與殼體水冷的驅動產品將成為主流。

五. 驅動電機設計常見技術分享

5.1 降低電機損耗的技術方案

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

• 合理設計齒槽關系和氣隙

• 提升制造工藝，減少磁場畸

• 采用Y—Δ串接的正弦繞組

降低風磨損耗

• 合理的軸承結構、潤滑設計

• 提高熱傳導效率，對流散熱

• 提高冷卻熱交換效率

5.2 矩形導體繞組電機設計

• 繞組排列布置緊密，體積?。?br>

• 槽滿率比傳統(tǒng)繞組可提高15%，效率高；

• 磁阻轉矩高；

• 導熱和散熱能力好；

• 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

• 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矩密度水平；

• 高槽滿率下繞組間的導熱能力是低槽滿率的150%；

• 繞組在熱傳導能力上具有各向異性，軸向的熱傳導能力是徑向方向的100倍。

5.4 常用的電機水冷機殼流道構型

不同構型流道換熱效率對比：

不同構型流道損耗對比：

從換熱效率而言，軸向式最大，但流阻最大，流路損耗最大。螺旋式結構構型最簡單，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，同時對轉子軸進行冷卻，電機內外同步水冷。

5.6 FEV兩擋油冷電驅動系統(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，是目前流行的先進技術與高品質結合的經典“三合一”驅動產品。

5.7 FEV兩擋油冷電驅動系統(tǒng)：油液分布和電機內部冷卻

• 內部油冷可以提高電機的持續(xù)功率， 最大可達50%；

• 油液分布和流動非常復雜，因為速度變化很大 （離心效應，內部繞組影響）。

5.8 油冷與殼體水冷并用的驅動電機介紹

廣汽SUV GE3應用的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。水冷機殼采用的是圓周式水道構型，水道數目為5.

結論：噴油冷卻和水冷外殼都能有效提升轉矩極限，但水冷外殼的貢獻量更大。建議兩種冷卻方式并用。

5.9 高導熱膠定子灌封技術

• 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，其導熱系數可達2.0（空氣的導熱系數為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?。?.2mm）的硅鋼片；

• 采用高導磁低鐵損的硅鋼片，增加輸出轉矩，提高電機的整體效率。

5.11 多層永磁體轉子結構

• 有限空間內可以放置更多磁鋼，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，增加磁阻轉矩比重，提高轉矩密度與弱磁能力。

• 多層永磁體，更多的磁橋，有利于提高轉子強度，更適合高速運轉。

• 降低永磁體退磁風險、提高電機可靠性。

后記：

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