宁德时代智能科技：一体化智能底盘的电驱动系统开发

2024年11月27日，在第五届汽车电驱动及关键技术大会上，宁德时代（上海）智能科技有限公司副总裁庄朝晖介绍到，一体化集成电驱动桥MR220的技术亮点主要体现在其独特的构型、卓越的性能以及显著的技术优势上。该电驱动桥采用轴后倾斜布置，还提供了在同平台下选择同轴方案的灵活性。在性能方面，MR220展现出系统效率高和持续功率高的特点，确保了出色的动力输出和能效表现。此外，其技术优势尤为突出，包括优化的绝缘设计，这一设计得到了多项核心专利的保障，确保了产品的安全性和可靠性。同时，MR220的功能安全等级达到了ASIL D的高标准，并且在电磁兼容性（EMC）设计方面，满足了CISPR25 Class3等级的严格要求，进一步提升了产品的整体性能和市场竞争力。

庄朝晖重点围绕CIIC一体化智能底盘、一体化智能底盘的电驱动技术创新、分布式驱动应用在一体化智能底盘的优势等方面展开分享。

庄朝晖 | 宁德时代（上海）智能科技有限公司副总裁

以下为演讲内容整理：

CIIC一体化智能底盘

关于我们的一体化智能底盘，核心是围绕电池系统进行底盘构造。该技术主要通过机械集成、能量集成与控制集成的方式，构建出一个功能完备的可行驶底盘。这一创新设计的初衷，最初是来自于提升电池的成组效率。

从CTM到CTP，再到如今的CTC技术，相较于CTP方案，在相同轴距的条件下，CTC技术能使整个底盘的电池成组效率提升约5%至10%以上。这一提升带来了实际应用中的显著优势。例如，在某些长续航里程的车型设计中，如果若轴距受限而需采用高能量密度的三元锂电池来实现CTP方案时，CTC技术的应用提供了另一种可能性——使用磷酸铁锂电池。因为CTC技术优化了空间布局，使得能够装载更多的磷酸铁锂电池，从而在保持相同续航里程的同时，实现了成本的降低。

图源：演讲嘉宾素材

经过为期三年的底盘研发，我们现已顺利迈入量产阶段。车辆已达成若干卓越性能指标：采用92千瓦时电量，续航里程超过800公里，能效比高达11.2。在适配不同电池体系，尤其是应对低温环境下续航衰减的挑战时，我们成功将衰减率控制在30%至33%之间。在一体化底盘的研发过程中，我们面临着一个核心课题，即不仅要提升电池本身的成组效率，还需通过电池、电驱动系统及热管理的协同整合，以全面提高电池在整车中的综合使用效率。

在开发电驱动系统及一体化智能底盘的过程中，我们针对底盘在不同应用场景下的需求，明确了电驱动系统需关注的几大技术方向。例如，针对主要用于运营的小型一体化智能底盘平台，我们不仅在其底盘设计上实现了兼容性，还融入了换电功能。由于此类底盘类似于“滑板”，能够实现上下车体的分离，因此，在底盘寿命内，上部的座舱可以在运营周期内进行替换，以此方式有效降低公里成本。对于此类应用场景下的电驱动系统开发，我们着重强调低成本与长寿命。

图源：演讲嘉宾素材

上图的M平台主要服务于当前主流的B/C级乘用车市场，也是我们当前量产开发的主力产品。该平台对电驱动系统的要求极为严苛，要求我们在成本、性能等多个方面都达到最优状态。

同时，我们也在规划L平台，涵盖越野等多种应用场景。在此平台基础上，我们正着手开发分布式驱动系统。

一体化智能底盘的电驱动技术创新

下图展示的是我们在电驱动中底盘中所采用的电驱动系统。我们实现了电驱动结构与底盘的一体化设计，以后轮驱动为例，我们在设计过程中采用了特殊的布置方式。与传统的Tier 1所开发的电驱动系统有所不同，我们追求更高的通用性，以适应更多车型的需求。为此，我们采用了极致且特殊的布局，使得车内空间及三排座椅的腿部空间得到了一定程度的增加。

图源：演讲嘉宾素材

如果想消除底盘最后一排的台阶，采用同轴设计更有机会，不过这要求同轴设计足够紧凑。针对大型平台MPV等车型的应用需求，我们正积极研发后排长导轨技术，旨在将现有的平行轴技术拓展至同轴，从而显著降低Z向高度至290以内。这一目标的实现，将真正优化后排空间，实现长导轨的应用。电驱动系统需兼顾成本、性能与质量等多个方面。一个额定功率超过200千瓦的电驱动系统平台，其成本构成主要包括铜、铁、磁钢等大宗材料，以及电力电子功率模块中的碳化硅等关键部件。

在产品开发的初期阶段，为了有效控制长期成本，我们采取了基础的方案，实现高电密设计，致力于提升电流和电密水平，以此减少铜、铁以及磁钢等原材料的使用量。在保持外径为220的条件下，我们的铁芯长度仅为98，磁钢重量约1.7公斤，相较于市场上同功率等级的产品，我们的材料使用量更为精简。

为了实现高电密设计，我们在三年前就已着手准备，并意识到需要采用性能优异的碳化硅功率模块。当时，我们的设计标准是基于850伏、500安培的最大电流需求来制定的。500安培的碳化硅模块在当时属于非常规产品，其价格甚至高达4000元以上。尽管如此，我们仍坚定地选择了这一方案，当时碳化硅模块的成本是同等电流能力的IGBT模块的三倍以上，但我们预测其成本将会降低至约2.5倍，并有望继续下降。而当前相较于我们的预测展现出了更为显著的下降趋势，约为两倍左右，未来两到三年下降得可能更多，预计降幅将达到1.5倍。

与此同时，我们内部已着手研发专用的低成本、高电密功率模块，有望于明年年底与铜轴产品同步推向市场。此模块在电流能力上相较于当前使用的产品提升了20%，且在成本控制方面有望实现约30%的进一步降低。因此，采用高电密解决方案的判断是正确的。

从长远成本角度考量，尽管电机尺寸略显紧凑，对整体效率造成了一定程度的影响，但幸运的是，我们可以通过应用碳化硅材料来提升效率。在CLTC工况下，如果新品已确定，提升效率的唯一途径便是提高开关速度与关断速度。鉴于CLTC工况下开关操作频次占比极高，加快开关与关断速度将有效降低损耗，从而提升效率。

因此，我们目前将开关速度提升至传统IGBT的40倍以上。为了获得更高的效率，利用碳化硅模块提高开关速度本身并非难事，但关键在于如何控制由此产生的负面影响。真正的挑战转移到了电机方面，因为当DV/DT极高时，绝缘可靠性成为了亟待解决的核心问题，同时还可能引发轴电流等现象。面对这些挑战，我们投入了大量精力开发和解决。

最终，我们设计了一套优化的应力绕组。与传统绕组模式相比，该方案在电机各部分的电应力方面均实现了显著提升，特别是在接近400V的系统中，某些部分的电应力下降了60%。我们采取了将逆变器和绕组作为一个整体进行建模仿真的方法，精确分析了绕组内部任意点的电场分布，并据此评估了不同绕组拓扑结构下的电应力情况。

在这个经过标定的模型中，我们反复寻优，旨在探索并确定最佳的绕组拓扑模式。通过这一方法，成功找到了一个能有效大幅度降低电应力的绕组模式。从本质上讲，这一模式确保了绝缘系统的可靠性。然而，仅凭绕组结构的优化尚不足以完全达到目标，我们还需开发相应的绝缘系统材料，并进行全面的测试验证。

经过我们自身的严格验证，该系统基本符合一类绝缘的标准，绕组间的电应力不会超出安全范围，且不会发生局部放电现象。在一类绝缘的条件下，验证过程主要关注热应力的验证，以确保电机系统在全生命周期内的可靠性。相比之下，二类绝缘则是基于统计标准来评估的。然而，在当前800V碳化硅应用领域中，由于使用量和样品量相对不足，从评估的角度来看，存在一定的风险。

轴电流的产生，特别是在DV/DT变化及碳化硅材料的应用场景下，往往会导致轴电流腐蚀，这是一个颇为棘手的问题。对此，我们主要采取类似的方法论进行建模，旨在深入理解其基本原理与机制，进而通过标定过程，最终探寻出低成本的解决方案。

在处理轴电流问题时，不同的方案提供了各自的解决路径。例如配置小型陶瓷轴承，虽然成本相对较低，但相较于其他部件仍显得较为昂贵。然而，同轴电驱的使用却使得小型陶瓷轴承的选用成为不可能。针对这一难题，我们现已发现了一种新方法，该方法基本上无需再使用陶瓷轴承，同时保持较低的成本，并能有效且彻底地解决轴电流腐蚀问题。这依旧依赖于对机理的深入剖析，以及基于模型的标定与验证，通过明确其工作原理，最终达成问题的解决。

在产品开发的过程中，无论是成本控制还是效率提升，都面临着诸多挑战。特别是在追求体积小型化的背景下，冷却系统的设计与优化成为了一个至关重要的环节，为此我们广泛运用了各种仿真技术。此外，关于NVH性能的提升，也是当前行业内普遍关注的重点。我们同样投入了一定时间，旨在在保持低成本及利用现有成熟加工技术的前提下，进一步优化NVH表现。在这个过程中，大量运用了仿真软件，并结合了基于算法的迭代与优化技术。通过仿真，我们能够将多种不同的优化工况纳入考量，并观察其效果。

在此过程中，我们也注意到了行业内普遍存在的“跷跷板”现象，即在小扭矩条件下通过优化NVH性能得到提升时，大扭矩条件下的性能却可能下降，反之亦然。

图源：演讲嘉宾素材

通过AI技术及大量的仿真研究，我们发现了一个有趣的现象，在最大扭矩条件下，某些参数并不如另一个参数敏感。在识别出这一更敏感的参数后，我们重新进行了整个参数的设计与优化。经过这种方式，小扭矩和大扭矩整体下降了8-10个分贝。

当前，如何将电驱系统在整车中的优势真正转化为终端消费者的直观体验是一大挑战，这离不开整车工程的深入配合与实施，特别是当电驱系统与滑板底盘相结合时，其中蕴含了诸多可拓展的可能性。

就电驱本体而言，电驱系统呈现出同质化趋势。这主要是由于其出色的可控性，使得电驱系统相较于发动机，缺乏多样化的特性和动力表现。电机因其高度的可控性，通过软件的调制，可以灵活适应整车与底盘的不同需求，从而打造出风格各异的车辆，而硬件本体则相对稳定。未来，我们需要投入更多时间，深入探索并结合整车的动力性能、舒适性以及各类应用场景，在控制策略上进行更为精细的研发与优化。

目前，我们开发了一套电机系统，为分布式控制提供一个流畅且精确的矢量分配功能，该系统已经历了两轮严格的测试验证。产品规划涵盖了两种应用场景，其中一种是为轿跑车型设计的，在采用约九点几的速比配置下，最高车速可达到280公里/小时。

另一种是针对SUV与皮卡车型设计的，该方案能在单轴上输出超过一万牛米的扭矩。尽管提升功率相对容易，但在特定的尺寸限制下实现这一目标则极具挑战性。值得注意的是，该电机的尺寸为235毫米，整套系统,Z向高度为320毫米，Y向宽度仅为485毫米，X向长度为430毫米，与先前提及的平行轴单电机系统尺寸相同。在相同的空间内，该系统的功率实现了一倍甚至更多的提升，扭矩则增长了50%以上，这是通过采用轴向磁通技术来解决特定应用场景需求的成果。

为了实现这一目标，我们投入了大量精力。特别是在滑板底盘的设计初期，我们就设定了一个目标：在相同的底盘副车架空间内，将现有的200千瓦至300千瓦单电机驱动系统升级为双电机系统，并集成TV功能。这将使经济型、舒适型车辆能够较为容易地升级为豪华性能车。

（以上内容来自宁德时代（上海）智能科技有限公司副总裁庄朝晖于2024年11月27日-28日在第五届汽车电驱动及关键技术大会发表的《一体化智能底盘的电驱动系统开发》主题演讲。）