電驅動系統的發展已經歷了獨立模塊、電機與變速箱集成、電控與電機及變速箱部分集成、三合一及多合一集成等多個階段,在“軟件定義汽車”趨勢引領下,電子電氣架構越來越走向域控制、中央控制,電驅動系統從傳統的機械層面“三合一集成”,向功率電子層面“多合一集成”+動力域層面“軟件集成”演進,通過深度的FOTA,不斷提升整車動力系統性能。
主機廠:加速量產高效、智能電驅動系統方案
主機廠選擇電驅動方案時會考慮五大因素——功率密度、集成化程度、高效率、安全性和智能化。不管是自研還是選擇其他零部件廠商的產品,這幾點都是重中之重。下一階段,多合一集成電驅、800V電壓平臺、SiC/GaN功率器件的研發與應用、動力域等新技術將推動電驅動系統行業快速發展。
比亞迪 “八合一” 電動力總成:2021年,比亞迪在e3.0平臺上推出八合一電動力總成,將電機、變速器、電機控制器、PDU、DC-DC、OBC、VCU、BMS高度集成,系統占用空間得到進一步壓縮,重量變得更輕。其整體性能較上一代功率密度提升20%,整機重量和體積分別降低15%、20%,系統綜合效率達到89%。
比亞迪基于整車定位,400V中壓、800V高壓同平臺打造,獨立升壓裝置+復用驅動系統功率器件組成升壓充電拓撲,實現模塊化式的升壓架構。高壓平臺采用1200V/840A的SiC功率模塊,SiC相對IGBT控制器體積縮小60%,開關損耗降低70%,電控系統最高效率可達99.7%。
比亞迪e3.0平臺電驅動系統電路及芯片集成
來源:網絡
蔚來第二代電驅動系統:確立了前永磁同步電機后感應異步電機的路線,并做到了永磁同步電機最大功率達到180KW,感應異步電機最大功率可達300KW的水平,蔚來第二代電驅動系統的前永磁同步電機選用了安森美最新的VE-Trac™Direct SiC 功率模塊。
蔚來汽車的電驅動系統由旗下的XPT蔚來驅動科技公司提供,XPT已在南京、上海、合肥形成一線多點的制造布局。
蔚來第二代電驅動系統
來源:網絡
零部件廠商:布局電驅動系統新品,加快技術迭代
“三合一”集成電驅動系統已經發展成熟,下一步將實現功率電子層面的“多合一”,將OBC車載充電器+高電壓DC/DC轉換器+逆變器+PDU配電單元進行深度整合,Tier1供應商紛紛推出了全新的電驅動系統產品。
部分Tier1供應商電驅動系統產品對比
來源:《2022年電驅動和動力域行業研究報告》
上海電驅動GaN“三合一”電驅動總成:2021年11月,上海電驅動的GaN三合一電驅動總成在安世半導體的展臺展出,因其超高的效率,備受青睞。在相同的工況下,對比傳統的硅基IGBT電機控制器,其效率提升非常明顯;诘壍碾姍C控制器最高效率可到99.34%,效率大于90%的面積占比為93.58%;基于硅基IGBT的電機控制器最高效率可到98.3%,效率大于90%的面積占比為83.94%。
華為“多合一”電驅動系統DriveONE:集成了BCU(電池控制單元)、PDU(動力驅動單元)、DC/DC(驅動電源)、MCU(微控制單元)、OBC(車載充電器)、電動機、減速器七大部件,實現了機械部件與功率部件的深度融合。同時華為利用其軟件方面的優勢,將智能化帶入到電驅動系統中,實現端云協同與控制歸一。這一多合一電驅動系統實現了體積減小20%,重量減輕15%的目標,降低了開發成本,實現了整車前后驅適配。
來源:網絡
緯湃科技第四代電驅動系統EMR4:緯湃科技前身為大陸集團動力總成部門,2021年7月,緯湃科技推出了第四代產品EMR4,新產品集高功率密度、緊湊型體型和輕量化多項優勢于一體,功率范圍覆蓋80kW至230kW。與EMR3相比,EMR4效能提升5%,成本卻下降了30%,重量減少25%,可搭載400V及800V兩個高壓平臺。
• “三合一”電驅繼續向“多合一”集成電驅演進
傳統“三合一”電驅動技術升級,將向著“3+3+X平臺”演進,即是將三合一的電驅動系統(電機、變速器、電機控制器)與三合一高壓充配電系統(DC/DC、OBC、PDU)集成為“六合一”產品,或再進一步與BCU(電池控制單元)、VCU(整車控制器)等集成,形成“七合一”或“八合一”產品,實現機械部件和功率部件的深度融合。
同時,電驅動與整車熱管理系統進一步聯動融合,形成高效能、一體化電驅動熱管理系統,通過電機、電控、減速器、DC/DC、電源等冷卻系統集成,統一熱管理,實現熱源集成,減少熱交換與熱損失,增加熱泵吸熱效率,以提升電動汽車續航里程。
高效能、一體化電驅動熱管理系統
來源:網絡
但同時,多合一系統面臨的技術問題(如熱管理、電磁干擾、故障率)仍然存在,同時成本偏高,目前只有數家廠商(如華為、比亞迪等)實現了量產搭載,多合一仍是未來各大主機廠和Tier1重點研發的方向。
• 扁線電機滲透率大幅提升
扁線電機具備功率密度高、成本低、溫度性能好等優勢,國外車企較早應用了扁線電機技術,2021年,國內扁線電機應用大放異彩,比亞迪 DMI車型和e++平臺全系、特斯拉Model 3 /Model Y 、大眾MEB、蔚來ET7、智己L7、極氪001、長城歐拉黑貓等眾多重磅車型均選擇搭載扁線電機,總體市場滲透率已超過20%
扁線電機對工藝、制造技術及設備自動化程度要求很高,國內供應商方正電機、弗迪動力、蜂巢電驅、華域電動等已實現扁線電機量產。
以比亞迪為例,相比上一代圓線,比亞迪e3.0采用發卡扁線永磁同步電機,提升槽滿率降低銅損,且能夠平臺化覆蓋70-270kW。采用超薄硅鋼片抑制鐵損,電機功率提升40%,最高效率97.5%。減速機械機構方面,應用低摩擦軸承及導油式結構,提升潤滑效果且降低攪油損失,齒輪精細設計降低齒輪滑移損耗,同時首次應用低粘度油品,傳動最高效率97.6%。
比亞迪e3.0 發卡扁線永磁同步電機
來源:網絡
• 800V SiC高壓平臺量產加速
國內車企紛紛跟進800V高壓平臺架構,在2022年陸續實現量產交付。小鵬汽車采用來自匯川技術的800V SiC高壓產品,小鵬G9將搭載XPower 3.0動力系統,提供兩驅單電機與四驅雙電機兩種選擇,其中單電機最大功率230kW(312馬力),雙電機最大功率分別為175kW(238 馬力)/230kW(312馬力) ,電驅系統最高效率可達95%以上。
• 多檔減速器技術
電機高速化趨勢明顯,帶動減速器向兩檔減速方向發展。目前,特斯拉 Model 3 電機轉速已達到17900rpm,國內車企基本也都達到了 16000rpm,下一步規劃便是 18000-20000rpm。然而高轉速需要多檔減速器技術進行配套。
兩檔減速器從最初的混動系統中的應用走向了純電系統的應用。相較于單檔減速器,兩檔減速器一方面使驅動電機在更高效的區域運行,從而提升驅動系統效率。另一方面,采用兩檔減速器后,傳動比可以做到更高,汽車動力性隨之增加、減少百公里加速時間。
此外,采用兩個檔位后,驅動電機可以更加小型化、低速化,從而降低電機及電控的成本。目前,采埃孚、GKN、麥格納等企業均已推出兩檔減速器產品。
采埃孚兩檔減速器
來源:網絡
• 動力域控,進一步向中央域控、中央計算+區域架構演進
當前三合一集成電驅動已成為行業主流做法,隨著“軟件定義汽車”的進化,電子電氣架構越來越走向域控制、中央控制。目前多家OEM和零部件廠商已實現三域架構,分別為車輛控制域、智能駕駛域和智能座艙域,“車輛控制域(Vehicle Domain Controller,VDC)”整合進底盤域、動力域、車身域三大功能域。
獨立的動力域控制器:動力域可以將整車控制、電機控制、BMS、車載充電機控制等組合在一起,以哪吒PDCS動力域控制器為例,將VCU(整車控制系統)和BMS(電池管理系統)的軟硬件功能集成、算法集成,在硬件架構上應用英飛凌多核CPU/GPU 芯片,提供了更大的代碼存儲空間和更強更安全的運算能力,具備豐富的輸入輸出通信端口,可支持多種形態的組合應用和OTA升級能力。軟件架構上具備AUTOSAR架構+MBD建模應用,可以有效提高軟件可靠性和可移植性。
哪吒汽車PDCS動力域控制器
來源:網絡
跨域融合中央域控:以理想汽車為例,理想LEEA2.0是理想L9上使用的域控制器架構,整車分為三個控制域:中央控制域(包含動力、車身和部分底盤的功能),這里主要實現的是車身控制單元(BCM)和中央網關進行融合。
理想L9中央域控制器將使用恩智浦最新的S32G車規級芯片,并由理想完成全部硬件、系統、軟件的研發,對增程電動系統、空調系統、底盤系統和座椅控制系統等在內的功能實現全自研,更好地保證了理想L9未來OTA的范圍和時效性。
理想汽車中央域控制器