當前，新能源汽車行業(yè)正處于高速發(fā)展階段，截至2023年11月，新能源汽車滲透率接近30%。從核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展情況看，整體態(tài)勢相對較好。受益于新能源汽車的快速增長，新能源電驅(qū)動行業(yè)體量也隨之增長。
2023年12月15日，在第四屆汽車電驅(qū)動及關(guān)鍵技術(shù)大會上，中國一汽研發(fā)總院電機電驅(qū)動開發(fā)部部長王斯博指出，當前市場創(chuàng)新主要集中在四個方面，分別是構(gòu)型的創(chuàng)新和優(yōu)化、多部件深度集成、多域融合控制、新材料新工藝。電驅(qū)產(chǎn)品始終關(guān)注功率密度、效率、轉(zhuǎn)速、噪聲等核心指標。
王斯博介紹，近兩年，一汽紅旗在高轉(zhuǎn)速、高集成和新材料新工藝等電驅(qū)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)層面進展顯著。一汽長期致力于可持續(xù)演進的電驅(qū)技術(shù)體系，不斷提升技術(shù)競爭力。
中國一汽研發(fā)總院電機電驅(qū)動開發(fā)部部長
以下為演講內(nèi)容整理:
產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
當前，新能源汽車產(chǎn)業(yè)處于高速發(fā)展階段，截至2023年11月，新能源汽車滲透率接近30%。現(xiàn)階段的產(chǎn)業(yè)特征顯示，電動化方向堅定不移，新能源汽車處于高速發(fā)展窗口期，政策驅(qū)動轉(zhuǎn)向市場驅(qū)動。從核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展情況看，新能源汽車發(fā)展態(tài)勢良好。受益于新能源汽車的快速增長，電驅(qū)動行業(yè)體量也呈現(xiàn)出增長趨勢。
圖源:演講嘉賓素材
新能源汽車的盈利表現(xiàn)還未顯著體現(xiàn)在電驅(qū)企業(yè)，電驅(qū)市場存在大而不優(yōu)的現(xiàn)象，盈利成為普遍痛點，并且需加大投入才能不被市場淘汰。根據(jù)論證和分析，為保持競爭力，下一代電驅(qū)產(chǎn)品在重量和成本方面要下降20%以上。
目前純電動兩驅(qū)車加速時間在6~13s，電耗為12-16kWh/100km，四驅(qū)車加速時間在3~6s，電耗為14-21kWh/100km，多數(shù)車型續(xù)航里程為400~750km，少數(shù)車型可達1000km。
混合動力汽車插電和增程技術(shù)路線在市場嶄露頭角。一方面，混合動力汽車補能比純電動汽車用戶體驗更好；另一方面，伴隨著電驅(qū)技術(shù)升級，混合動力汽車駕駛體驗接近純電動汽車，混動車型的純電里程多數(shù)分布在100km以下，少部分分布在150-200km。
此外，當前市場創(chuàng)新主要集中在構(gòu)型優(yōu)化、多部件深度集成、多域控制集成和新材料新工藝方面。電驅(qū)產(chǎn)品仍關(guān)注功率密度、效率、轉(zhuǎn)速、噪聲等核心指標。
技術(shù)發(fā)展趨勢
從用戶端出發(fā)，整車對電驅(qū)的核心訴求正在發(fā)生變化，用戶結(jié)構(gòu)從創(chuàng)新引領(lǐng)者和早期嘗鮮者轉(zhuǎn)到早期主流群體，后續(xù)會更加關(guān)注高效率、低成本、高品質(zhì)、低噪音，消費會向理性和實用回歸。同時，不同車型對電驅(qū)系統(tǒng)的需求優(yōu)先級不斷調(diào)整，會影響技術(shù)開發(fā)過程中的技術(shù)定義。此外，有兩點需要重點關(guān)注，一是邊際效應，二是技術(shù)創(chuàng)新。
圖源:演講嘉賓素材
面向電驅(qū)高性能的趨勢導向，電機轉(zhuǎn)子拓撲設(shè)計逐漸從單層永磁向成多層永磁、從一字型向V型、從有磁橋結(jié)構(gòu)向無磁橋結(jié)構(gòu)不斷拓展，為滿足定制化需求，電機定子拓撲從常規(guī)槽型向異形槽型轉(zhuǎn)化。同時，在能集成盡集成的趨勢下，分布式電驅(qū)成為當前電驅(qū)系統(tǒng)構(gòu)型創(chuàng)新的焦點，滑板底盤概念也在持續(xù)掀起熱潮。
由于各主流企業(yè)都采用數(shù)字化方案對電驅(qū)進行設(shè)計，因此如果能把每一項影響指標的因子拆分出來，所形成仿真平臺的設(shè)計效果將十分優(yōu)異。從電機拓撲角度看，趨勢上表現(xiàn)為常規(guī)的8級48槽有向8級72槽發(fā)展，常規(guī)的定子模型有向各類異形槽發(fā)展，以滿足靜音、油冷電機等定制化需求。集成化層面，分布式驅(qū)動是當前的研究熱點，但其價格較高，成本是一大痛點，行業(yè)需求推動降本。同時，輪轂電機趨從與底盤協(xié)同開發(fā)，作為未來重要技術(shù)方向之一，也在持續(xù)升溫。
高速化對于電驅(qū)技術(shù)來說是大方向，目前行業(yè)比較追求適當方案，市場推出了適應高速化的電機轉(zhuǎn)子拓撲、高剛度軸系及防護結(jié)構(gòu)等一系列提高電驅(qū)極限轉(zhuǎn)速的技術(shù)。轉(zhuǎn)子拓撲通過磁路避讓增強電機抗退磁能力，增加去重孔、優(yōu)化槽型，降低轉(zhuǎn)子機械應力，提高電機高速可靠性。
行業(yè)對效率的追求是永無止境的，各企業(yè)都在結(jié)合用戶駕駛工況進行效率尋優(yōu)。材料工藝方面，碳化硅應用、扁線方導體等都對效率提升有促進作用。
當前油冷技術(shù)發(fā)展較快，許多主流的高性能電驅(qū)產(chǎn)品都有采用了油冷的技術(shù)方案。目前配置油冷技術(shù)的電驅(qū)系統(tǒng)最大持續(xù)功率普遍可達成峰值功率的40%~60%。伴隨新型導熱絕緣材料的應用與新拓撲設(shè)計的突破，持續(xù)/峰值功率有望達成90%以上。
NVH評價指標正逐步結(jié)合用戶場景進行細化，通過低電磁激振拓撲優(yōu)化、低噪聲傳動部件、高剛度總成模態(tài)、噪聲改善型結(jié)構(gòu)和工藝、優(yōu)化控制算法等綜合技術(shù)手段，以消、隔、阻、控進行協(xié)同電機振動噪聲優(yōu)化。
高壓化可大幅縮短整車充電時間，然而是否采用高壓更多是整車系統(tǒng)方案的抉擇。高壓會對電機帶來EMC等挑戰(zhàn)，包括高壓后的軸電壓等問題，但同時也為電驅(qū)帶來了性能潛力。在高壓化趨勢下，碳化硅技術(shù)是未來高壓逆變器的重點技術(shù)。電驅(qū)高壓化后，碳化硅具有效率高、聲音小、體積小的特點，對整車電驅(qū)系統(tǒng)性能提升有極大幫助。
高可靠技術(shù)層面，伴隨著油冷化進程加速，高壓耐油專用電磁線、高導熱絕緣材料的研究助力提升絕緣系統(tǒng)的可靠性；通過磁鋼分塊、精益化磁鋼制備、晶相重構(gòu)等技術(shù)提高磁鋼工作穩(wěn)定性，從配方、設(shè)計及加工制造等多維度開發(fā)更高穩(wěn)定性的材料。
軸向磁通電機因其更高的性能密度，逐步成為一項熱點，很多廠家啟動了12000r/min以上的高速軸向磁通電機，其中雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更具性能優(yōu)勢。軸向磁通電機的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在高強度盤式轉(zhuǎn)子和定子繞組高效冷卻設(shè)計，其工藝開發(fā)被認為是產(chǎn)業(yè)化應用的難點。
伴隨著底盤的深度集成、輕量化設(shè)計以及先進的冷卻技術(shù)開發(fā)，輪轂電機技術(shù)有了大幅進步，目前在“滑板底盤”、自動駕駛巴士等車型中有所應用，但該技術(shù)在高速可靠性和工程化應用層面面臨諸多挑戰(zhàn)。
減速器以更高效率、更低噪聲為主要技術(shù)方向，超高轉(zhuǎn)速對減速器開發(fā)提出更高要求，也是高速化的主要技術(shù)瓶頸。高速齒輪、高速軸承等零部件的設(shè)計和工藝以及減速器系統(tǒng)綜合性能仿真開發(fā)技術(shù)將成為重點的技術(shù)攻關(guān)方向。
關(guān)鍵技術(shù)進展
紅旗重點攻關(guān)了高速電機轉(zhuǎn)動系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計技術(shù)，并于2023年在國家檢測中心取得了22000r/min電機最高工作轉(zhuǎn)速的試驗報告，相應電驅(qū)產(chǎn)品將搭載在紅旗E001車型中上市首發(fā)。紅旗還開發(fā)了相應的高速電機裝配技術(shù)，包括高速轉(zhuǎn)子去應力液氮裝配技術(shù)等，以保證電驅(qū)高速穩(wěn)定運行。還在短跨距方導體、高磁阻低諧波轉(zhuǎn)子設(shè)計方面進行了相應優(yōu)化，降低電機端部尺寸、縮減電機體積，同時提升了磁阻轉(zhuǎn)矩比例，實現(xiàn)電機進一步小型輕量化。
面向系統(tǒng)效率提升的高效節(jié)能驅(qū)動及控制方面，紅旗開發(fā)了基于SiC功率模塊的封裝工藝、高精度結(jié)溫預測和高安全模塊驅(qū)動技術(shù)，提升電驅(qū)系統(tǒng)工況效率2%。此外，還攻克了全域智能分區(qū)變頻技術(shù)，實現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)頻率自適應調(diào)制，市區(qū)工況電驅(qū)系統(tǒng)效率可提升1%~3%。
圖源:演講嘉賓素材
電驅(qū)系統(tǒng)集成及智能化技術(shù)開發(fā)方面，一是重點攻關(guān)更高集成度的三合一電驅(qū)系統(tǒng)，電驅(qū)系統(tǒng)功率密度可達3KW/kg；二是布局了兩款高性能矢量雙電驅(qū)，未來將搭載在高級電動轎車上進行量產(chǎn)首發(fā)。
大數(shù)據(jù)方面，紅旗搭建了全新云端和邊端可靠性預警平臺，上線了多種預測算法，實現(xiàn)提前預警，達到了預期效果。例如，當識別電驅(qū)系統(tǒng)存在斷線等隱患時，能夠提前通知用戶進行更換。
基于新材料新工藝的電機技術(shù)開發(fā)方面，重點研究高能量密度磁鋼、高性能鐵心及新型低損耗繞組，助力實現(xiàn)電驅(qū)的性能及成本差異化。
先進冷卻結(jié)構(gòu)和全局性噪聲抑制電機技術(shù)開發(fā)方面，針對油冷技術(shù)，搭建全新智能冷卻平臺，可在車輛運行過程中控制油溫和電機溫度，同時兼顧減速器的潤滑冷卻，保證發(fā)熱部件在工作中處于最優(yōu)狀態(tài)。
電磁激振力仿真技術(shù)開發(fā)方面，通過細化拆分影響因子，通過智能化仿真平臺尋優(yōu)，實現(xiàn)全域的電磁激振力下降。
高等級功能安全控制技術(shù)開發(fā)方面，通過三層安全監(jiān)控以及多條關(guān)斷路徑，能夠達成最高ASIL-D的功能安全等級。開發(fā)精準油冷潤滑控制算法，旨在通過對流量的精準控制減少油泵的功耗，同時兼顧冷卻和潤滑需求，可以實現(xiàn)每個循環(huán)工況平均泵功耗降低近50%。
高效傳動技術(shù)開發(fā)方面，紅旗主要聚焦高效齒輪技術(shù)、高效按需潤滑技術(shù)、斷開裝置技術(shù)等。目前行業(yè)先進減速器的CLTC綜合傳動效率達到97%以上，通過高效齒輪、高效按需主動潤滑、斷開裝置技術(shù)應用等可進一步提升傳動系統(tǒng)的綜合使用效率。
未來，電驅(qū)行業(yè)面臨著諸多挑戰(zhàn)。政策、市場和用戶需求隨時都在調(diào)整，直接影響著新能源整車和電驅(qū)產(chǎn)品方案的屬性優(yōu)先級定位，技術(shù)研發(fā)應緊跟市場需求。需要加快引領(lǐng)性和原創(chuàng)性技術(shù)創(chuàng)新，進而驅(qū)動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增強行業(yè)整體競爭力。
其次，新能源整車賽道進入淘汰賽階段，上量和迭代創(chuàng)新成為這一階段的核心特點，這兩者沖突明顯，成本管控和技術(shù)創(chuàng)新是必須掌握的生存技能，提升體系效率是決勝關(guān)鍵。同時，電驅(qū)系統(tǒng)融合了軟硬件、功率電子、電磁、熱、結(jié)構(gòu)、材料、工藝多學科的研究成果，顛覆式技術(shù)創(chuàng)新對未來至關(guān)重要，數(shù)智化技術(shù)的突破將產(chǎn)生革命性的變革。
基于以上變化，我們需要構(gòu)建長期可持續(xù)演進的電驅(qū)技術(shù)體系，實現(xiàn)技術(shù)競爭快人一步。
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