分别介绍了混合动力机电耦合系统和纯电驱动总成的现状和发展趋势。重点叙述了高压化、高速化、轻量化、模块化（特别是电驱动“三合一”、控制器“多合一”）等技术进展。提出了电驱动总成、电机系统和零部件/元器件技术和产品全产业链协同发展的需求，例如电机与控制器相互妥协系统优化、电机永磁化、矩形导体发卡式绕组和下一代矩形导体股线换位绕组、低重稀土永磁体、高频耐电晕绝缘和电磁线以及高性能导电材料（超级铜等）、硅钢片、齿轮、轴承、控制芯片和集成电路以及功率电子（特别是宽禁带功率半导体SiC、GaN等）和无源器件等。

”

首先看一下机电耦合混合动力总成，无论日系的丰田普里斯、本田雅阁、日产e-Power、凯迪拉克CT6、大众途观L、欧美的BMW-530Le、克莱斯勒的大捷龙，还是国产的首上汽的EDU，广汽的GMC,吉利的CHS系统，都是发动机与电机的集成系统。大部分含双电机，单电机的也有。我个人的观点，两个电机要比一个电机好，但是欧派和上汽等车企认为一个电机也能可以做好混动。技术路线历来是百花齐放，最终靠市场和用户认可。

一般而言，传动轮系与驱动电机集成一体，故机电耦合系统也被称为电驱动总成，不再象传统汽车那样有独立的传动总成。根据齿轮的种类和排布，动力传递可采用平行轴、同心轴或者其组合。为了提高功率密度，高频电机对高速齿轮，特别是同心轴驱的行星齿轮，形成挑战。我国相对德国和日本等在高速齿轮的开发制造方面尚需进一步努力，特别是效率和NVH指标。

电机系统与车桥集成电驱动桥或集集成电驱动模块形成轴驱动。电驱动模块大多由单电机与减/变速器集成，搭载整车形成前驱或后轮驱动。也可在前舱和后桥分别搭载一个电驱动模块，形成一主一副四驱电动车。五年前，电驱动总成由电机、功率电子控制器和减/变速器各自独立部件集成。自2018年以来，三个主要部件集成一体，简称“三合一”，逐步成为趋势。实际电驱动控制器往往还将泵类电驱动、离合器操作控制、液压阀控制和总成甚至整车控制等选择性地或全部集成到一起，俗称“多合一”控制器。

我们中国的三合一电机很可能在未来要出口给美国，我们的电机加上碳化硅控制器要出口给德国，所以这个我们大家可以看到我们国家的确在这些年当中有了的进步。在哈尔滨技术路线图会上，大家一起来讨论我们未来什么时候能产业化，怎么样产业化，产业化指标是什么？精进电动也在做包括两档变速器，而且我们不用电池，不用传统的摩擦片的离合器，而用齿嵌式的离合器，因为电动化，电机具备了这样的条件，我们有这样的基础。模块化、集成化是行业发展趋势，优点是集成度高、减少整体布置的空间、减少线束和电磁干扰、降低成本、无缝连接效率高等。精进电动已经在激烈的国际竞争中，获得欧洲著名主机厂“三合一”的电机和“多合一”碳化硅控制器的零部件研发合同，更进一步获得美国“三大车”之一的“三合一”电驱动总成的量产合同。

电机永磁化、作为主驱首选并逐步取代感应电机是主要发展方向。原因在WLTC工况（更接近实际驾驶工况）中，80%以上的电机运行区间是低速低转矩，而感应电机在WLTC的低速低转矩区效率比永磁电机相差5-8%,而不是象其在最高效率点附近只比永磁电机低1-3%。但是感应电机作为断续运行的辅助驱动电机，因其高速电耗低和不产生空载反电势，而彰显其优点。

电机对高功率密度、高效和低成本要求，推动未来电机的转速和频率提高。传统圆股线绕组的槽满率低、端部长(尤其对自动机器嵌线绕组)等劣势可用矩形“发卡式”绕组解决，发卡式绕组不仅可以调节槽口大小还可以通过设计同一铁芯不同槽口，以此减低转矩纹波和NVH。随着频率提高，圈股线绕组环流和扁铜线绕组涡流升高，使得损耗增加、效率下降、发热严重。限制扁导线槽高方向的尺寸（即增加槽高方向扁线层数）结合端部扭转换位可减少扁线导体内的涡流和并联扁线股线间环流损耗。为了进一步减小绕组高频损耗，多扁股线（多矩形导体股线）槽内换位和端部换位相结合的换位绕组将成为解决方案之一。

也就是说，一种环流和涡流都小、槽满率高、端部短的绕组是未来电机绕组设计技术和制造工艺的主要研究方向。基于电机峰值功率持续30秒与电机绕组、铁芯、永磁体、绝缘等有效材料之比的功率密度定义，国家“十二五”863到“十三五”重点研发计划和正在起草的电驱动技术路线图对功率密度的要求分别是2015年2.4kW/kg、2020年4.0kW/kg、2025年5kW/kg、2030年6kW/kg和2035年7kW/kg。以精进电动产品、研发样品和竞争获得国外量产合同电机为例，其乘用车驱动电机功率密度在4.5-5.0kW/kg范围内，2022年将量产的试验认证电机达到了6.5kW/kg以上，远超美国能源部2025年5.7kW/kg的指标。这也是我国电机企业战胜了众多全球顶级供应商，拿到了欧洲汽车公司扁铜线发卡式绕组电机+碳化硅控制器的产品研发项目，和美国三大车之一的“三合一”量产项目的技术和产品基础。

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未来电驱动系统技术的发展方向还包括高压化（150VDCè300VDCè800VDC）、高速化（12krpmè18krpm,即高频化）、多极化、轻量小型化等。除了部件和系统的性能指标外，高压安全、电磁兼容（EMC）和NVH要求也趋严。高速对轴承、润滑密封、材料和部件强度、齿轮、轴和花键、离合器等机械系统的材料和部件形成挑战；高电压和高频下列诸方面升级，包括绝缘材料的耐压和耐电晕等，电磁材料的电磁线、硅钢片、永磁体，功率电子系统的芯片与模块、电容和电感等无源器件、控制芯片和专有集成电路等。轻量小型化受到的挑战有，机电集成、高低压多电系统集成、电磁兼容、发热和冷却等。在降低转矩需求、提高转速能力方面，下一代电动车电机大多要求转速在16000rpm以上。通过巧妙的机电拓扑设计，利用有限的转速达到电驱动需求也是专家学者关注的研发方向。

与在工频50/60Hz下运行的工业电机转子用实心导磁钢不同，转矩和转速需要调节的电机转子要用硅钢片或者极低电阻率的复合导磁材料。旨在减少转子涡流损耗和发热。内置式永磁电机(IPM)因可产生较高磁阻转矩和调速范围宽而成为主流技术路线（汽车领域只有美国UQM一家仍表贴式永磁电机）。转子磁桥宽窄厚薄、位置和多少等主要取决于机械强度要求，高强度低损耗硅钢片颇受青睐。就电磁性能而言几何拓扑合理及薄磁桥有利于降低漏磁和提高电机性能。转子表面的辅助沟槽有助于解决电机振动噪音问题。为降低永磁体的涡流损耗，不同方向的分段分块以及绝缘涂层很有必要。电机的性能、效率、噪音和安全可靠等都与转子选材和拓扑结构紧密相关，千变万化的转子设计和工艺是行业工程师不竭的追求。对高性价比和低成本的追求，除了功率密度外，每千瓦的功率电磁线和永磁体用量也是常用于评价设计的经济指标，主要是因为铜和稀土永磁体价格较高。值得一提的是，用好的永磁体、差的永磁体和不用永磁体都可以做电机。

一般而言，其功率和转矩密度随着永磁体的用量和磁能积升级而提高，功率因数也随着升高，从而减低对功率电子控制器的伏安需求和成本。也就是说，系统成本可以通过调节电机和功率电子控制器设计而调整其成本占比来实现。其边界条件是控制器的功率模块和电容等在电压椭圆和电流圆约束范围内，而永磁体在整个电机运行和非严重控制失效模式下不产生永久退磁。尽管铝镍钴合金、铁鉻钴合金、稀土钕铁硼和钐钴、铁氧体、复合材料等永磁体种类繁多，但由于稀土钕铁硼磁能积高而被绝大多数新能源汽车驱动电机公司选用。退磁是永磁电机的典型失效模式，既要保证稀土钕铁硼温度不超过330˚C左右的居里温度，也要使其在运行温度和负载下不会落在 “膝点”以下，即只能运行在B-H曲线第二象限的直线段，这些是通过设计保证的，要留有一定的安全裕量。对于已出厂的电机，退磁与温度、电流幅值和电流控制角有关，减少永磁体发热、做好其冷却、限制电流控制角在85-90电角度区间的电流幅值可减小或消除退磁风险。

综合多方预测，全球节能与新能源汽车将达到2020年628万辆、2025年1900万辆、2030年5800万辆，对应的稀土永磁材料分别为1.1万、3.3万和10万吨。中轻稀土资源充足，重稀土镝和铽会遇到资源挑战。按照钕铁硼传统生产方法，高矫顽力钕铁硼需要添加5%-8%的等效镝重稀土（1铽≈2x镝）。如果不改变传统稀土钕铁硼生产方式，2030年仅汽车产业就需要重稀土5-8千顿，超过重稀土资源承载。通过晶格细化、浸重稀土等工艺降低重稀土用量，低重稀土电机是电机和电驱动行业追求的未来技术方向。国外车企因对稀土永磁材料的担忧，已着手非永磁电机研发，作为“备胎”。

新能源汽车功率电子不仅包括驱动电机控制器，还有电动转向、空调、泵类、车载充电等多种电驱动系统。因充电时不开车、开车时不充电，故驱动和充电可以共享功率电子模块，实现一体化双功能设计制造。驱动和充电共用的系统是多功能集成化电驱动的发展方向。

现代功率半导体IGBT的结点耐温175˚C、开关频率12kHz等限制了控制器向高功率密度和高频的应用升级。以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和蓝宝石为代表的第三代宽禁带功率半导体具有耐高压、耐高温和开关损耗低等三个显著优点。可大幅将基于硅基IGBT器件的控制器功率密度15-25kW/kg提高到SiC基控制器的35-100kW/kg。因为碳化硅控制器在轻载低速下运行比IGBT控制节能效果更明显，可大幅降低电机系统在WLTC工况下的能耗/电耗。SiC芯片成品率低、价格高是行业多数主机厂不愿推动量产的原因，但是2029年采用SiC控制器的特斯拉Model3销量从2018年的14.6万增加到30万台。增加单车销量，整车成本和售价才能下降。我国平均每种车型产销不到万台，连开发模具的成本都摊不下来，加上每年补贴政策引起技术调整，连续生产受压，造成赔本销售。

电机的性能提升很大程度上取决于材料和部件水平的提高。随着高压高频电机和控制器的SiC开关频率提高，需要绝缘材料在耐压耐电晕导热等性能的突破，耐电晕矩形电磁线和换位电磁线等需要技术填补空白、产品替代进口。作为推动国家行业发展，有些前瞻性研发也很重要，例如美国能源部（DOE）已经启动的碳纳米管（Carbon Nino Tube,简称CNT），俗称超级铜，潜在做到现有铜导电能力的100倍，导热能力的10倍和强度的30倍。哈理工团队正在研发的多股线矩形导体换位绕组也已经取得阶段成果和应用。

全球竞争力才是真正的行业竞争力，新能源电机和电驱动系统要做的创新和前瞻研发还能多。电机系统和电驱动总成是节能与新能源汽车的关键零部件，核心零部件强中国汽车产业则强。希望我国行业产学研携手合作，走向世界！

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来源：本文是蔡蔚博士在 SAE 2019 汽车电气化与智能化技术论坛上的演讲，摘自《汽车电子电器信息》杂志

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