导读：电驱动系统的整体进化不仅仅是提高功率密度等物理性能，还会影响整车的智能性。
相较于燃油车，电动汽车优势明显，比如低碳环保、起步时更迅捷的动力响应，以及正常运行时更安静舒适的NVH等。
当然，众所周知电动汽车也还有很多问题没有解决，比如电池续航与自燃问题，比如补能问题，比如在高速工况下的高能耗，以及电动汽车普遍无法和燃油车媲美的最高速度。而这其中的许多问题，都可以通过电驱系统的发展来弥补。
比亚迪汽车工程研究院的凌和平副院长认为，作为新能源汽车最核心的一个系统，电驱系统整个成本大约占到新能源汽车的10%。
新能源汽车的快速发展也带动了电驱产业的快速发展。去年，经初步测算电驱产业整个产值大概在300多亿，“今年翻番肯定基本上是板上钉钉的事情”，凌和平表示。在8月8日于青岛召开的第十四届国际汽车变速器及驱动技术研讨会（TMC2022）上，多位专家就电驱系统发展的趋势进行了分享。
电驱系统包括电机、电机控制器和减速器等组件。其中电机是整车的动力核心，通过电池提供的电能将其转换成动能，通过减速器、半轴驱动电动汽车行驶。电机控制器是根据制动踏板和加速踏板的输入信号，发出相应的控制命令来控制电机的转速及转向，从而驱动电动汽车行驶。减速器则是将电动机的高速运转通过齿轮传动变成低速大扭矩的装置，目前大部分电动汽车减速器都只有一档速比。
以下，我们先来看一下当前电驱系统的发展趋势。
一、电机性能全面提升
首先，从电机方面来看，扁线电机是近两年的发展趋势。凌和平表示，“去年基本有20%左右的电机都采用了扁线电机，今年扁线电机有望突破40%—50%，当然在未来可能百分之百都会是扁线电机，这是整个的发展趋势。”
目前市场上的新能源车主要用的都是永磁同步电机和异步电机，而国内永磁同步电机的装机量更是高达94%。其主要原因就是永磁同步电机低速性能好，转化效率高。
此前，永磁同步电机一直使用的是传统的圆线技术，而圆线电机在市区频繁启停的工况中是低效率运转的。而且，圆线电机的槽满率偏低，仅有40%左右。槽满率指的是线圈放入槽内后占用槽内空间的比例。槽满率偏低意味着电机的功率密度偏低、重量偏大、电动车的动力也就偏弱。
扁线电机指的是导线横截面为扁平矩形的电机。
圆线之间存在空隙，扁线则更加紧密。将导线从圆线改为扁线后，槽满率可从40%提升到70%，电机转化效率提升1.12%。这意味着在低转速高扭矩的拥堵工况中，扁线电机的工作效率比圆线高出10%。
同时，槽满率的提升也代表着线圈中导线增多，产生的磁场会更强，从而进一步提升电机的功率以及整车的动力。此外，为了实现电动汽车能像内燃机一样长时间输出高动力，用于持续爬坡及连续加速等场景，就需要电机的持续扭矩时间增长。此时，目前的水冷冷却就不够充分，因而也催生了油冷需求。关于油冷技术在电机中的应用智驾网此前也写过一篇报道，参看《可以完全替代内燃机的电机出现了？》。同时，油冷电机也能有效降低电机本身的体积和重量，因而这几年油冷电机的发展也非常迅速。此外，扁线技术同样也能在一定程度上实现电机的轻量化和小型化，从而促进整体电驱系统的集成化。
二、从三合一到多合一
集成化也是电驱系统发展另一个大的趋势。
凌和平表示，从去年到今年，基本上整个行业都已经做到了三合一。三合一即指电机、电机控制器、减速器等部件的集成。电驱系统实现集成后，可省掉各部件之间的线束连接，减少电磁干扰，同时可明显缩小体积，使车辆内部空间布局更灵活。
同时，集成化后的电驱系统也更容易标准化和模块化，方便在整车上面布置。而且，集成化的电驱系统功率密度也更高。去年，比亚迪又在其E 3.0平台推出八合一电驱系统。八合一指的是集成了电机、减速器、电机控制器、高低压直流转换器（DCDC）、双向车载充电器（OBC）、高压配电箱（PDU）、电池管理器（BMS）和整车控制器（VCU）八大模块。相较于三合一系统，八合一具有更高的功率密度，在整体重量和体积上也能实现更进一步的压缩。
此外，长安也于2020年提出了多合一的超集电驱第三代。中国工程院院士，香港大学教授陈清泉表示，采用超集技术，可使工况效率提升5%，加之采用高效的功率器件、油冷系统，可使工况效率超过90%，总成最高效率超过95%，单车10年30万公里排放较燃油车降低20吨。
三、电控系统的进化
在电控方面的发展则主要是第三代半导体碳化硅技术的规模化应用。
碳化硅在功率半导体层级有显著的性能优势。相比硅半导体，碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，电场强度是硅的15倍，电子饱和率是硅的2倍，因而在高温下更加稳定，导通阻抗低，同时导通能耗也随之降低。
此外，碳化硅有更快的开关速度，可降低开关能耗，且其导热系数是硅的3.5倍，可带来更好的散热性能。因而，碳化硅电容器的元件体积可以做到更小，同时损耗降低，提升整车的系统性能。
而且，因为碳化硅的这些特性，其在800V高压系统中也有着天然的优势。
800V高压系统主要是为了实现高压快充。日前，小鹏刚刚发布其基于800V高压技术的快充技术。
我们知道，功率等于电压乘以电流，快充需要在尽量短的时间内充入更多功率，因此，实现快充的方式是增加电流或者电压。但加大电流意味着更粗的线束，发热更多，需要更多附属设备，而充电电压提升则有更大的设计自由度。因而，800V高压系统也成为近年的发展趋势。
但当电压系统从400V升高到800V时，硅功率器件的导通损耗和开关损耗都会明显增加，此时，使用损耗更低，更耐高压的碳化硅功率器件是目前最好的选择。而且，据凌和平表示，随着碳化硅大规模的使用后，整个成本也在降低。并且因为碳化硅带来了系统效率的提升，整车所需装备的电池量也在减少，因而其综合成本和硅基的持平度或者差距正越来越小。因而，凌和平认为两者成本预计在2024年左右可能会达到一致，“一致之后可能会让车的重量、效率、综合性能都会达到大幅度提升。”
此外，据纬湃科技投资（中国）有限公司新能源科技事业部亚洲区创新总监李智文表示，提高电机的转速也是提高电驱系统功率密度和效率的又一有效方法。“目前我们在研的电机转速要求已经达到18000转—20000转的水平，下一代电机转速很可能就会奔着25000转的水平里迈进。”
四、两挡减速器提高能效
在减速器方面，为了提高能量的利用效率，目前两挡速比的减速器也正成为电驱系统发展的一个趋势。
由于车辆的工作特性，在低速时需要输出大扭矩，实现加速，而在高速时则需要输出恒功率。传统内燃机的特性无法与车辆直接匹配，因而需要加一个多挡变速器。电机的特性则正好与车辆工作特性吻合，因而无需增加多挡变速器，只需要一个单级减速器或两挡变速器即可。
目前，大部分电动汽车采用的都是单级减速器。其优点是传动效率高、开发难度小，但其缺点是要求电机扭矩较大，同时转速又较高。而且，单一速比的设计无法兼顾电动汽车对低速起步时的加速性、高速巡航时的速度以及爬坡时的性能的要求。同时，电机高效工作区间有限，会导致高速行驶时车辆耗电量明显增加，尤其是当车速超过80km/h时，也会出现动力加速薄弱的现象。而电机如果一直保持高速运转，对电机本身的可靠性也提出了较高的要求。
▲ 舍弗勒48V P4模块的两挡齿轮设计
使用两挡变速器时，利用速比调节，可扩大电机的高效区间，降低电机工作转速，有效提高能量利用效率。例如，在起步、超车、爬坡等需要较大动力时，使用一挡低速比，可以实现较大的扭矩，减小百公里加速时间，提高最高速度，也能保证最大的爬坡度。
而在高速巡航时则使用二挡高速比，保证驾驶平稳，并提供良好的NVH体验。但两挡变速器涉及换挡，由于换挡过程中，减速器输出轴扭矩的变化并不是连续的，因而就需要面对换挡平顺性的问题。
在TMC 2022大会上，法雷奥展示了其换挡控制策略。换挡控制的目标是在换挡时保持至少一个驱动单元连接车轮，以维持车辆在加速换挡过程中的加速度。
法雷奥的高性能电驱动方案是采用高压前驱来为换挡过程中加速度下降的瞬间提供额外的动力。当后驱换挡过程中加速度下降过大时，前驱可在2s内提供更高的驱动峰值功率，尽量减小后驱换挡过程中的加速度下降。由于前驱动力可以维持车辆加速度水平，车辆仍可以实现平顺的自动换挡品质。
目前，包括采埃孚、麦格纳、舍弗勒、吉凯恩等企业均已发布两挡减速器产品。
保时捷2020款Taycan是全球首款在后桥配备两挡减速器的电动汽车。此外，包括魏牌Wey P8，长安CS75插电式混动SUV，广汽埃安LX Plus等车型也均搭载了两挡减速器。
▲ 广汽埃安两挡双电机“四合一”集成电驱
五、电驱系统影响智能化
凌和平表示，在物理结构上，电驱系统发展的终极目标是要把整个功率密度提高，把整个体积做小，把整个功能复用好，成本降低。而另一方面，凌和平认为，电驱系统在软件上也有很大的潜力。
“因为电机本身的响应速度就比底盘系统高，比如电机的旋变响应速度和分辨率就比流速传感器高很多，这个时候怎么利用好电机的响应？并且电机本身就是一个正负扭矩特性的一个部件，既然可以驱动完全也可以采取制动，怎么样把整个制动的功能从底盘转移到电机上来，减少底盘的作用，这是我们电驱动系统未来要做的方向。”
此外，凌和平表示，把底盘控制和整个动力系统的控制融合好之后响应会很快，在复杂路面上的控制系统以及车的感觉都会更好，并且安全性会更高，这同时也是对智能化的赋能。
目前，因为智能驾驶的大逻辑都是以摄像头、雷达等远距离感知为主，很难知道路面的真实情况，传统的流速传感器反应又慢，因而前面看到的和脚下的就不合拍。而当把整个电机的控制和底盘控制融合完以后，借助于电机，对路面的识别就会变得很快。此时将其与上层眼睛的感知结合起来，就能达到很好的统一。因此，电驱系统的发展趋势也包括把电驱动系统和底盘的控制与智能驾驶的整个融合做得更好。
可以说，虽然电动汽车还存在着一定的缺陷和弱势，但随着其在电驱系统上的发展，电动机相较内燃机的差距正在逐渐缩小，而其优势也在渐行扩大。另一方面，得益于电气化的天然优势，电动汽车在整车的智能表现上也将有更大的想象空间。
来源：智驾网 作者：黄华丹
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