合众汽车：新能源电驱系统发展现状及展望

2024年全年新能源乘用车电驱搭载量预测1150万套，三合一及多合一电驱动系统搭载量有望达到850万套，1~10月份新能源汽车销量975万辆，其中多合一的搭载比例超过了20%，主要应用于A级车。三合一或多合一集成的电驱系统逐步成为市场的主流技术路线。

2024年11月27日，在第五届汽车电驱动及关键技术大会上，合众汽车动力总成总工程师刘平宙认为，从消费者购买电动汽车的痛点和和整车开发需求出发，结合系统关键属性，零部件技术朝着集成化、平台化、模块化、低成本等方向发展。从当前行业痛难点来看，搭载于新能源汽车电驱关键技术需要突破低成本、小体积、高效率、长续航、高可靠、长寿命、高舒适、低噪音、高安全、高智能等十大技术指标。同时，电驱技术发展趋势大体可分为三代，第一代为分体式，第二代为三合一，逐渐走向第三代，即多合一深度集成。

刘平宙 | 合众汽车动力总成总工程师

以下为演讲内容整理：

电驱系统发展趋势

近年来，随着新能源汽车在市场渗透率的持续攀升，电驱系统集成化产品的应用日益广泛，尤其是“三合一”电驱系统，已占据市场的主导地位。与此同时，随着“多合一”技术的不断成熟与广泛应用，其市场占有率也显著提升。据统计，今年1至6月，该类型产品在整个市场的占比已达到20%，预计随着市场推广的深入，至10月其市场占有率可能达到30%甚至更高。

在新能源汽车的运营过程中，消费群体或终端用户对产品有着一系列重点关注的问题，我们将其归纳为七大痛点与八大需求。基于这些反馈，我们定义了一系列关键属性，并据此对技术发展方向的相关问题进行了梳理与归纳。

由于整车空间有限，且中间件繁多，对电驱系统的体积提出了极为苛刻的要求。系统效率的提升也成为了行业内的焦点话题，单电机效率高达98%的案例虽令人瞩目，但评估时需全面考虑，因为对于整车而言，整套电驱系统的效率才是决定其续航里程与性能优劣的关键因素。此外，高可靠性、舒适性、低噪声以及智能化等指标，在产品的发展过程中同样受到了行业内的高度关注。

图源：演讲嘉宾素材

整个产品的发展趋势经历了从传统分体式拼凑模式向三合一技术的演进，并进一步向未来的多合一技术迈进。目前，我们公司正规划一款十三合一的产品，该产品已完成整体设计，即将进入样机生产与制作阶段。

在整车制造过程中，我们对动力域和底盘域进行了深入探索，并与宁德时代合作开发了滑板底盘。该底盘在行业内推出较早，并已成功实现量产，目前已在猎装版车型上批量装配。滑板底盘所集成的功能十分齐全，我们打破了传统分工模式，不再是由不同企业分别负责底盘、电池和电驱系统的开发，而是由一家公司完成整个集成工作，整个开发过程需要整合不同的资源进行配合。

观察电驱系统的行业发展趋势，我们可以发现动力模式正呈现出集中式和中央分布式并存的局面，轮毂电机成为Tier1和整车厂规划的重要方向。

驱动桥更多应用于商用车领域，而由于乘用车空间限制，其实用性相对有限。我在2013年与整车厂联合开发的一款轮边驱动桥产品，当时已成功实现批量生产，并出口至美国市场。该产品性能卓越，但遗憾的是，由于电子差速设计上的不足，导致了严重的轮胎磨损问题。此外，针对充电焦虑问题，行业内推出了800V碳化硅产品的定义。800V系统带来了诸多优势，但同时也伴随着一些挑战。随着800V系统的普及，现在也已经有900V系统问世，那么未来的发展方向又将如何？我认为，1200V系统值得我们去探索。

在电驱系统中，我们定义了几个关键零部件，它们与动力性能紧密相关，有驱动电机、减速器以及控制器。这三者不可或缺，且在集成化趋势中，它们必须被整合在一起。至于其他组件如OBCD、CDC、PDU、BMS等是否集成，则取决于各家的技术策略，同样，热管理系统的集成与否也需根据具体情况而定。

驱动电机技术发展分析

就驱动电机的发展现状而言，扁形电机已成为主流选择，圆形电机或将逐渐退出市场。扁线电机在技术成熟度与产能方面均已达到较高水平。在冷却方式上，当前应用最广泛的是水冷技术。然而，随着对效率与体积要求的不断提升，油冷电机正逐渐取代水冷电机，成为新的趋势，同时相变冷却技术也备受关注。

转速方面，当前趋势是朝着35000转的高转速发展，高转速技术的提升带来了诸多优势。是否必须追求35000转，或是30000转、27000转，乃至25000转以上的电机，则取决于各家企业的技术路线与策略选择。每家企业会根据自身的技术特点与市场需求，做出最适合自己的技术决策。

图源：演讲嘉宾素材

集成化方面，发展趋势无疑是朝着多合一的方向迈进。无论是增程系统还是纯电系统，都呈现出显著的集成化特征。增程系统中，发电机GCU与发动机的集成已较为普遍，未来随着技术的进一步发展，可能会将驱动电机、减速器以及MCU等关键部件进行集成，形成六合一甚至七合一的高度集成模式。

扁线电机之所以能够获得行业内广泛的高度认可，与整车的严苛要求紧密相连。如果整车未设定如此高标准，相信在电驱动技术领域，行业内或许不会呈现出如此激烈的竞争态势。正是由于整车制造商的高标准带动了整个行业的共同进步，各方均在竭力推进技术创新。在原有技术基础上，迭代的速度日益加快。

扁线电机的绕组形式，无论是Hair-pin还是I-pin，均属于技术相对成熟的类型。然而，随着对体积、重量、成本及效率要求的持续提升，行业内对绕组方面也进行了诸多改进。例如X-pin绕组形式的出现，正是针对行业痛点所提出的一个创新概念，并迅速在行业内获得了广泛认可。

X-pin绕组形式虽然消除了直线段，但也随之带来了一些挑战，如在焊接工艺、振动控制以及可靠性方面可能存在的问题。相比之下，Hair-pin绕组形式的直线段相对较短。目前，通常的Hair-pin绕组出线端直线段长度约为8毫米。通过技术改进，可以将这一直线段长度进一步缩短，甚至减至2毫米。这种改进能够确保整个机械性能及严苛性达到与普通Hair-pin相当的水平。

W-pin这一产品最初由雷米电机在发电机领域应用并发展至相对成熟阶段。随着技术的持续进步与工艺的迭代探索，其应用范围逐渐拓展至驱动电机场景。W-pin对生产设备的要求极高，因此产品规划必须严谨周密，以避免因产品变更而导致整条生产线需重新改造的情况，此类生产线的成本往往高达近亿元。

W-pin在扩展至槽内时，要求槽口宽度相应增加，对效率、功率因数、温升、扭矩波动以及NVH等方面产生一系列影响。为解决这些问题，可能会考虑采用磁性槽楔。尽管磁性槽楔在工业电机中有一定应用，但在驱动电机中的效果却未必理想。驱动电机的工作频率变化极快，如果磁性槽楔在交变磁场中产生感应电势或电流，可能会带来不利影响。不同企业对这一选择可能存在差异。目前，国内首条W-pin生产线已正式投产，但其实际效果仍需进一步接受市场验证。

对于整个电驱动系统而言，提升效率并非单一方面的简单提升。超级硅钢、软磁材料以及非晶合金等材料均为当前可见的选择。然而，超级硅钢在市场价格及产能方面，目前市场的接受度尚显不足。软磁材料与非晶材料在高频电机中表现出色，但在中低频段或低转速条件下，由于磁饱和程度较高（约为1.5-1.6），磁路过早进入饱和状态，对于低速大扭矩的应用场景并不利。然而，在中高转速段，这些材料能带来一些显著的优势，主要得益于其较低的损耗。

软磁材料根据具体需求被细分为多个牌号，其颗粒度大小也有所差异。在国内，这一领域的发展尚不成熟。软磁材料更适用于轴向磁通电机，因为其成型工艺相对简单，无需复杂的卷绕式冲压工艺，可以直接采用压铸烧结工艺实现。

非晶材料的价格目前仍然偏高，接近每吨三万至四万元，相比之下，常规的硅钢（27、25牌号）价格仅为大几千元每吨，两者之间存在三至四倍的价格差异。对于主机厂而言，是否接受这一价格差异，即每套系统成本增加一千多元，需根据各厂家的具体决策而定。导线方面，无论是烧结铜还是利兹线，其主要目标均为降低导线损耗、减少温升以及提升效率。

还有一种值得注意的材料——钴铁合金，其饱和磁感应强度极高，实际值可达2.43T，接近其理论值2.45T，相较于普通硅钢的1.8T左右，提升了约30%。这一特性对于产品的轻量化和小型化设计具有极大的帮助。然而，钴铁合金的价格同样较高。

在国外，该材料已有一些应用实例，但在国内，相关材料技术尚未完全成熟。如果该技术能够成熟应用，将标志着材料领域的一次突破性进步。目前硅钢材料的性能已接近其物理极限，难以进一步大幅提升至2T以上，而钴铁合金则能轻松达到2.4T以上，甚至通过特殊工艺可达到2.7T。

当前，许多连接工艺采用螺接，但螺接方式会引入接触电阻。如果接触电阻较大，可能导致局部热岛现象，对局部散热构成严峻挑战。散热不良的情况下，易发生烧蚀现象。相比之下，焊接工艺能显著减小接触电阻，从而有效规避热传导风险。

此外，采用高导热材料和优化绝缘材料也是提升电机性能的关键。绝缘纸的厚度如果能从现有的0.18提升至0.1，以及绝缘漆的导热系数从0.28提升至0.5或0.6，将对电机温度的优化产生极为有利的影响。这些改进旨在降低导线的载流密度，进而进一步降低电机的温升。

永磁体应用方面，当前行业内AH和EH成本较高，因此普遍采用UH。然而，如果设计方案不佳或冷却系统无法有效散热，UH永磁体面临较大的退磁风险。

通过提升绝缘材料的性能以及降低导线载流密度的策略，我们可以有效降低电机的主要热源——定子的温度，这对于防止电机转子发生退磁现象极为有利。至于冷却方式，虽然包括油冷、介入式冷却以及风冷等多种方法，但目前应用最为成熟且广泛的是水油冷却系统。

材料应用方面，我们探索了定子中取向钢与非取向钢的拼接使用，并已制作出相应的样机进行测试。在转子材料的选择上，由于当前电机转速普遍较高，超过25000转/分钟的电机通常需要采用碳纤维进行包覆以增强强度。无论是高强度钢还是碳纤维，都增加了电机的制造成本。因此，是否选择制造转速超过25000转/分钟的电机，各厂家的决策有所不同。如果决定生产此类产品，必须确保转子的强度满足要求。

目前广泛应用的电机多为三相电机，然而三相电机存在一个显著的缺陷，即绝缘问题，任何一相的绝缘失效都会导致电机无法正常工作。为了克服这一难题，我们内部研发了一款六相电机，并且该电机已被应用于我们的十三合一项目中。在整个产品开发过程中，我们获得了诸多益处，整个NVH、扭矩波动、EMC以及谐波大幅降低。此外，功能安全性和EMC等级也得到了显著提升。六相电机还能大幅降低轴电压和轴电流，可以减少对轴承，特别是陶瓷球轴承的依赖，对成本控制具有积极影响。当然，各家厂商的选择可能有所不同，但多相电机无疑是未来电机发展的一个重要方向。

在新技术领域，电励磁技术的应用可视为一种创新，其关键在于应用场景的迁移。原本应用于直流发电机的技术，现已成功转移至汽车领域，宝马公司已成功实现量产，其创新之处在于采用导电刷或无线传感技术为转子绕组提供励磁电流。

另一项值得关注的技术是混合励磁电机，我们在此项目上已申请多项专利，并有意将其推向量产。然而，由于混合励磁电机存在双重磁场，控制上面临较大挑战，因此该项目目前暂缓，我们首先着手研发了六相驱动技术。

此外，多相矢量磁阻电机也是一项值得探讨的技术。矢量磁阻电机，特别是十级和八级转子类型，其结构与开关磁阻电机相似，但实则不同。矢量磁阻电机采用正弦驱动，而开关磁阻电机则采用直流控制。我们可根据不同的性能需求，设计多尺度的矢量磁阻电机。

此类电机的转子上无磁钢，仅由铁片构成，其功率密度或扭矩密度相较于永磁电机略低。其优势在于省略了磁钢，带来了显著的成本效益。目前，相关产品已在飞行器、机器人关节电机以及物流车电机等领域得到应用。但在乘用车领域，由于其控制方面仍存在疑虑，尚未得到广泛推广。

减速器技术发展分析

减速器领域，目前的主流设计仍以平行轴减速器为主。然而，随着对体积和空间布置要求的日益提升，同轴式或行星结构的减速器正逐渐增多。行星结构减速器有望在未来几年内取代平行轴减速器。虽然行星结构减速器的成本不一定更低，但由于其体积减小、材料用量减少，其主要的挑战在于噪声、振动与NVH的控制。如果能有效解决NVH问题，或即使NVH表现稍逊，但若能带来空间布置的优化、重量的减轻或体积的缩小，对整车制造商而言仍将是极具吸引力的选择。

图源：演讲嘉宾素材

随着电机转速的不断提升，我们需要权衡是追求更高的转速，还是仅确保动力性能输出满足要求即可。如果不需过分追求高转速，可考虑采用多档减速器方案。多档方案包括两档、三档等，但超过三档的结构将变得非常复杂。两档减速器可能存在换档冲击的问题，影响驾乘舒适性，但对于越野车而言，这一点或许并不被过分关注，因为越野车用户更看重动力性能。采用多档减速器可以降低电机转速要求，例如将转速控制在12000转/分钟以内，这有利于材料、扭矩和体积的小型化。然而，多档减速器的结构会相对复杂一些。

对于热衷于户外驾驶和越野活动的用户而言，如果车辆采用单减速器或单驱动系统，为了应对脱困和自救等场景，限滑差速器或电子差速器显得尤为重要。当然，在分布式驱动系统中，这一问题可能得到较好的解决，因此无需过多考虑。但对于采用前后两台电机的单驱动系统产品，尤其是非轮毂电机驱动的系统，这一问题仍需关注。因为在某些极端情况下，如果一个或多个车轮悬空，车辆如何顺利脱困便成为了一个关键问题，此时差速器的应用便显得尤为重要。目前，市场上对于此类产品的需求仍然较为旺盛。

800V技术属于电控领域的发展范畴，当前其市场渗透率正逐步提升。在材料选择上，碳化硅并非唯一路径，氮化镓在某些特定应用场景下同样可作为备选方案。随着技术的不断进步，目前已有将硅基材料与碳化硅混合使用的做法，这种做法既能实现约60%至70%的性能提升，又能显著降低成本。

控制器技术发展分析

电控领域的实际应用中，多合一技术主要表现为板级集成、芯片集成以及软件集成。从硬件架构的角度来看，我们可以观察到物理集成、板级集成以及芯片集成等多种形式。硬件融合是直观可见的，而软件融合则隐藏于系统内部。多合一系统对芯片算力提出了较高要求，通常需要采用多核芯片进行控制。如果采用多个芯片进行技术部署，不仅复杂度高，而且在成本上并无明显优势。

控制算法方面，诸如斜坡注入、主动发热技术等，在行业内已较为常见。我们也在此基础上进行了一些创新性的探索，其中一项关键技术是双载波自适应技术。该技术旨在最大限度地提升电流的正弦流动，从而有效减少交流铜损以及磁钢涡流损耗，同时抑制电机的谐波和振动。这对NVH、EMC以及效率都有所帮助。

我们还首创了一种轴电压控制算法。该算法无需采用陶瓷球轴承或导电环，即可将轴电压控制在3V以内。相比之下，行业内采用陶瓷球轴承和导电环的方案，其测试数据通常约为5V。由于该技术的实施需要对底层软件和应用层软件进行大幅调整，因此我们不敢轻易将其植入现有软件系统中。不过，我们所获得的数据表明，在400V系统下，轴电压仅为3V，这一表现明显优于行业内其他依赖硬件的解决方案。

关于转子温度估算技术，自去年以来，行业内对此进行了广泛的讨论，我们也对此进行了深入的探索。这项技术相当复杂，与磁钢的工艺、电池电压的高低以及开关频率等因素都有着密切的关联，，并非简单地通过标定即可实现，而是需要投入大量的工作。

我们组建了一个小团队，持续数月对此进行了深入的摸索。我们发现，如果产品型号不发生变化，该技术尚可应对；但一旦涉及产品换型或材料更换，工作将变得异常繁琐。尽管我们已掌握这项技术，但在应用方面却极为谨慎。因为一旦应用，就意味着需要对算法进行修改，这可能会潜在地给软件带来一些Bug。虽然我们在技术上进行了诸多探索，但在实际应用上，我们始终保持高度的审慎态度。

（以上内容来自合众汽车动力总成总工程师刘平宙于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《新能源电驱系统发展现状及展望》主题演讲。）