任务三
调研分析驱动电机控制系统的发展

学习目标

知识目标

●了解驱动电机控制系统的发展趋势。

●了解驱动电机控制系统的发展现状及困境。

●掌握新能源汽车对驱动电机控制系统的要求。

技能目标

●能够正确阐释驱动电机控制系统集成化的方向。

●能够正确识别八合一驱动总成的各个部件。

素养目标

●认真严谨、积极主动，安全生产、文明施工。

●获得多途径检索知识、分析解决问题以及多元化思考解决问题的方法，形成创新意识。

●严格执行各项规章制度及6S现场管理，培养精益求精的工匠精神。

知识索引

情境导入

新能源汽车驱动电机控制系统不同于工业用电机控制系统，由于受到车辆空间限制和使用环境的约束，应用于普通电机控制系统中的电力电子技术、电机技术已经不能适应其需求。你作为一名助理工程师，准备向新入职的销售人员讲解当前新能源汽车领域驱动电机控制系统的发展趋势。

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引导问题1

请查阅相关资料，简述新能源汽车驱动电机控制系统的发展趋势。

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新能源汽车驱动电机控制系统的发展趋势

电驱动系统集成化对于新能源汽车行业来说具有积极推动作用，但基于现阶段电动汽车供应链的技术水平，集成化过程中的设计和质量问题对于主机厂和供应商来说仍然是巨大的挑战。下面，我们从五个方面来分析集成化电驱动系统的发展趋势。

1.电机高速化

高转速电机能够提高功率密度，同时减小体积、降低成本，对于提高电动汽车的动力性能来说尤为重要。当前市场上，电驱动系统的电机最高转速一般在12000r/min以上。但是，随着新技术、新材料的不断发展及应用，加上消费者对驱动效率、加速体验的重视及追求，采用更高转速的驱动电机成为集成化电驱动系统的必然发展趋势。大众、沃尔沃等品牌新能源汽车驱动电机的最高转速不断提升，达到14000～16000r/min，特斯拉Model 3驱动电机的最高转速达到17900r/min，目前面市的转速超过16000r/min的高转速电机主要应用于中高端的纯电动车型中。

2.平台化设计

传统汽车产业是典型的规模经济产业，新能源汽车产业亦是如此。汽车产品平台化设计能够有效地缩短上市周期、降低研发成本。根据不同转矩、功率的需求以及不同级别的车型，可以规划不同系列的平台化电驱动产品，永磁同步平台化集成电驱动系统见表1-3-1。通过平台化设计集成电驱动系统，可以降低各部件的采购成本，实现技术经验共享。纯电动乘用车市场需要在短时间内产生规模效应、增量降本，因此集成化电驱动系统向平台化设计发展是大势所趋。

3.多档变速器

目前全球主流的集成化电驱动系统多采用电机匹配单档变速器的架构，其结构简单、成本较低。但是，在高转速情况下，电机效率和转矩会急速地衰减，当电动汽车达到高速后没有提升的空间，因此，经济性不高。而多档化设计能使整车获得更好的动力性和经济性，获得更高的最高车速、更短的加速时间和更大的最大爬坡度；特别是在高速状态以及低负荷条件下，高速档和低速档之间的切换，可以使电机尽量工作在高效率区间。因此，将来随着技术成熟度的提高和成本的降低，多档变速器（图 1-3-1）必然会成为更多集成化电驱动系统的选择。

4.高度集成化

高度集成化就是从一开始的全分体结构，逐步变化为电机与减速器共壳体，直到电机、控制器和减速器共壳体的集成模式。

这样从结构设计的角度减少了零部件的数量，缩小了体积，减小了质量，从而降低了成本。

5.输入输出同轴化

目前减速器基本是平行轴结构，相比平行轴齿轮系，采用同轴的行星齿轮系在结构紧凑性方面优势明显，有助于系统功率密度和转矩密度的最大化；同时同轴结构可使结构紧凑性最大化，整车布置适应性好。

引导问题2

请查阅相关资料，简述集成度高的驱动总成系统具备哪些优势。

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引导问题3

请查阅相关资料，简述驱动总成系统的高集成度带来了哪些问题。

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新能源汽车驱动电机控制系统的发展情况

1.发展历史

（1）驱动电机控制系统在国外的发展历史

博世、梅赛德斯-奔驰和宝马等汽车主机厂及零部件厂在2003年就一同建立了汽车开放系统架构（AUTomotive Open System ARchitecture，AUTOSAR）合作伙伴关系。该联盟制定的一系列标准规范使得控制系统软件的开发更高效，便于软件间的交互和版本更新，同时降低了开发成本，被越来越多的汽车主机厂、零部件厂和科研院校所采用。国外驱动电机控制系统的研发、生产、流程化和标准化等方面的完善程度很高，相关领域的研究起步较早，依靠长期的研发和经验积累，其整体技术水平领先于国内。

丰田公司早在1997年就发布了当时首款混合动力量产车型—第一代普锐斯（Prius），该车采用了丰田研发的新型混动系统THS（Toyota Hybrid System）。在2003年丰田推出了第二代Prius，该车搭载的驱动电机控制系统增设了升压（boost）变换电路，外形如图1-3-2所示，实现了系统损耗最小控制及电机功率密度的提升。增设的升压变换电路最高可将直流母线电压提升至650V，而整个控制系统在体积上缩小40%。

2009年，博世公司基于英飞凌的功率半导体封装技术，自主研发了一款新型IGBT模块（关于IGBT模块的作用与意义，我们会在后面的章节学习），并设立工厂进行生产。2010年，配备其自主研发IGBT模块的驱动电机控制系统INVCON完成量产化，博世还与标致公司合作研发出集发电机、电动机及控制系统为一体的INV2CON。在2017年法兰克福车展上，博世推出了电驱动系统eAxle，于2019年完成量产，外形如图1-3-3所示。eAxle实现了“三合一”，即将变速器、电机及控制系统集成一体，这使其生产成本降低的同时，总体积也减小了超过20%。这种集成化设计大大地减少了高压线缆的布置，增大了功率密度。

以上厂商生产的电机控制系统一般采用硅基功率半导体元器件，受材料性能限制，需要进行结构设计才能满足散热要求。为进一步提高各项性能，宽禁带功率半导体元器件在驱动电机控制系统中的开发和应用已经成为一种趋势。在电机控制系统中应用的宽禁带功率半导体元器件一般以碳化硅（SiC）为基，用SiC替代Si所制成的功率器件的开关频率可达100kHz，耐压值更高，工作温度适应性更好，可大大减小系统体积，使其具有更高的功率密度。

在2007年的SiC半导体国际会议上，丰田公司宣布，将在今后研发的混合动力车型中使用基于SiC功率器件的电机控制系统。2008年，日产研发出基于SiC肖特基二极管的电机控制系统，并搭载于该公司的新能源车型上，使得控制系统的质量与体积减小了15%～20%，极大地提升了功率密度。2014年，丰田中央研究所联合电装公司开发出了应用SiC功率器件的电机控制系统，其体积减小为采用硅基功率器件同功能控制系统的1/5，如图1-3-4所示，并可使混动车型燃油经济性提高10%。可以看出，国外对SiC器件的开发起步早，在相关研究方面已经有了丰富的经验和成熟的技术。

（2）驱动电机控制系统在国内的发展历史

“八五”到“十三五”期间的新能源汽车发展规划体现出了我国对该领域研究的重视。在国家政策的大力支持下，经过二十余年的发展，总体上来看，我国已经基本实现了驱动电机控制系统甚至是电驱动系统的国产化，能够自主开发产品，并应用于纯电动汽车整车上，在软硬件开发上都有了一定的能力积累，近年来也有厂商进行SiC器件的自主化研发，以摆脱国外技术封锁。但国产电机控制系统在散热、功率密度、标准化和产品化等方面与国外同期产品都存在一定差距。能实现产品化电机控制系统、电驱动系统或功率器件的国内厂商主要有天津松正、精进电动和比亚迪等。

天津松正研发出了一款“五合一”驱动电机控制系统，如图1-3-5所示，其系统集成度较高，驱动电机类型为永磁同步电机，可应用于纯电动物流车，采用了轻量化设计，使得系统质量减小至30kg。

精进电动在2017年实现了电驱动“二合一”，2018年发布了一款“三合一”纯电驱动系统JJE-EDM3000F，集成了其自主研发电机、减速器和电机控制系统，如图1-3-6所示。

比亚迪自主研发出了SiC MOSFET模块，如图1-3-7所示，将在旗下所有电动汽车车型中实现SiC基功率器件对硅基功率器件的全面取代，相关车型在加速和续驶里程等性能指标上将会提升。

2.发展现状

早期的驱动电机控制系统并没有进行集成化设计，驱动电机、电机控制系统、减速器等部件均单独布置，各部件之间通过插接件（例如线束等）进行连接，因此当时的驱动电机控制系统十分繁杂。而随着技术壁垒逐渐被打破、技术成熟度不断提高以及新能源汽车市场的逐步繁荣，出于提升产品竞争力的需求，电驱动系统技术必须向着集成化的方向发展。

目前，各大主机厂已经将电驱动系统的深度集成化作为三电系统的重要发展方向之一。在当前进行量产的纯电动汽车中，三合一电驱动系统已成为主流。其将电机、电控系统和减速器集成在一起，根据车辆的类型将其与车桥相结合或提供更加轻巧的三合一电驱动系统，在电机转速、电能转化效率、机械空间紧凑化、线束精简化等方面都起到了很大的作用。

目前，电动汽车的驱动电机控制系统已经有了多种集成方式，从最初的电机+减速器的二合一驱动总成发展至大规模使用的电机+电机控制器+减速器的三合一驱动总成再到最新的八合一驱动总成。

图1-3-8、图1-3-9及图1-3-10所示分别为二合一驱动总成、三合一驱动总成及八合一驱动总成实物。

图1-3-11所示为搭载在比亚迪海豚车型上的e平台3.0八合一驱动总成，融合集成了电机控制器、单档变速器、驱动电机、DC/DC变换器、双向车载充电机（OBC）、高压配电系统、动力域控制器（VBU），其中VBU包含了整车控制器（VCU）和电池管理系统（BMS）的部分功能。可以看到在传统三合一驱动总成的基础上，比亚迪e平台3.0的八合一驱动总成还集成了由双向车载充电机、DC/DC变换器、高压配电系统、整车控制器、电池管理系统组合成的五合一电驱动模块，实现了更深度的整合能力，也实现了软硬件云端深度融合。

集成化电驱动系统发展的初期，结构形式都较为简单。比如，图1-3-12所示的雪佛兰Bolt所搭载的二合一电驱动系统，将永磁同步电机和减速器集成在一起，再与车桥结合形成一体式电驱动桥，虽然该系统的连接部分仍然比较复杂，但是至少实现了二合一的设计，缩短了各部件之间的距离，使得电驱动系统整体结构更加紧凑。

随着电驱动集成技术的不断发展，三合一电驱动系统出现，如图1-3-13～图1-3-15所示。国外的特斯拉、日本电产、宝马、麦格纳、吉凯恩、博世、采埃孚，国内的比亚迪、上海电驱动、巨一科技、汇川技术、精进电动、上汽集团等公司均推出了三合一电驱动总成系统。

“三合一”驱动总成技术，将驱动电机、电机控制器、减速器集成为一个紧凑型的产品单元，其具有高集成度、高效率、高转速、高性能、高安全性的特点，是当前主流的电驱动总成技术方案，使得车辆各系统布局更加灵活，让消费者获得最大化的乘坐空间以及宽敞的车辆储物空间，也为汽车成为住宅、办公室以外的移动“第三空间”打下了基础。

综上所述，集成度高的驱动总成系统具备的主要优势如下：

1）总成体积缩小，系统总质量减小，一定程度上也降低了汽车能耗、提升了续驶里程。

2）采用集成度高的多合一驱动总成系统，不仅使机舱变得更加简洁、汽车各系统布局更加灵活，也使乘坐及储物空间能够被最大化地利用。

3）通过集成化设计，多合一驱动总成系统也能够降低接口复杂度及成本。

3.发展困境

不可否认的是，就目前来看，高集成度也确实带来了一些难题。

多合一驱动总成的集成化设计需要多维度开发和能力验证，如图1-3-16所示。其中系统总成导致各部件与空气接触面积减小，为保证各部件处于正常工作温度区间，整个散热系统需要重新设计优化。同时，噪声振动（NVH）、电磁兼容性（EMC）、安全性等性能指标的控制，以及零部件开发协同都是目前主机厂和供应商需要重点攻克的难题。在后期用车方面，动力总成的集成化可能对消费者产生不良影响。一定程度上，动力总成的集成会导致各部件的可靠性降低，各部件的质量控制尤为重要；当某个零部件出现问题，需要维修或者更换总成，会导致维修时间和成本的增加。

虽然三合一电驱动系统是当前的主流研究对象，但仍有一些公司对多合一集成设计进行了不同程度的尝试。比如，零跑汽车的“八合一”驱动总成技术是在“三合一”的基础上又集成了MCU、VCU、DC/DC变换器、OBC及配电单元（PDU），“三合一”和“五合一”两个模块集成在一起，称之为“八合一”。整个系统结构更加小巧，水冷系统的工作效率也得到大幅提升，但整体结构集成后柔性化程度降低，影响机舱的总布置。

引导问题4

请查阅相关资料，简述电动汽车对于驱动电机控制系统的要求。

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新能源汽车对驱动电机控制系统的要求

对新能源汽车驱动电机控制系统和工业电机控制系统而言，它们的分类及控制的理论和方法大致是相同的。但由于应用场景的不同，新能源汽车对驱动电机控制系统的性能要求更加严格，具体差别可参考表1-3-2。

新能源汽车对于驱动电机控制系统的要求可以归纳为以下几点：

1）为满足车辆对于低速爬坡、频繁起停及起动初始加速等复杂工况的要求，其应具有低速大转矩的特性。

2）基于新能源汽车对于高速行驶和高速超车的需要，其基速以上（即高速）应具有较宽的恒功率区，其恒功率区范围应为恒转矩区的3～10倍。

3）为确保新能源汽车在全工作范围内具有高效率，从而提升车辆的续驶里程，电驱动系统效率在95%及以上区域覆盖需大于50%。

4）新能源汽车对于整车空间与高效节能的要求需要电驱动系统具有高功率密度，如驱动电机功率密度应大于1kW/kg，电机控制器的功率密度应为3～4kV·A/kg。

5）环境适应度高，工作环境温度为-40～105℃，最大振动加速度大于10 g 。

6）可靠性高，电驱动系统的寿命应达到20万km以上。

7）结构坚固、体积小、质量小。

8）结构简单，成本低，适合大批量生产，便于维修。

任务分组

进行任务分工，填入表1-3-3中。

工作计划

按照前面所了解的知识内容和小组内部讨论的结果，制订工作方案，落实各项工作负责人，如任务实施前的准备工作、实施中的主要操作及协助支持工作、实施过程中相关要点及数据的记录工作等，并将结果填入表1-3-4中。

进行决策

1）各组派代表阐述资料查询结果。

2）各组就各自的查询结果进行交流，并分享技巧。

3）教师对各组的计划方案进行点评。

4）各组长对组内成员进行任务分工，教师确认分工是否合理。

任务实施

引导问题5

想一想，目前电驱动系统的供货形态基本是总成化了，从二合一、三合一到目前八合一的出现，它的关键技术主要在哪些部件上？

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请根据图1-3-17所示结构，将与各部件名称匹配的序号填入表1-3-5中。

评价反馈

1）各组代表展示汇报PPT，介绍任务的完成过程。

2）以小组为单位，对各组的操作过程与操作结果进行自评和互评，并将结果填入表1-3-6中的小组评价部分。

3）教师对学生工作过程与工作结果进行评价，并将评价结果填入表1-3-6中的教师评价部分。

工匠精神

拿下中国汽车工业科学技术进步奖一等奖、北京市科学技术奖二等奖，连续两年获得“中国心”新能源汽车动力系统最高奖项，打造全球首款乘用车无模组动力电池，攻克全地形越野模式开发难题……8年来，全国劳动模范、北汽新能源工程研究院副院长代康伟带领团队，一直在电动汽车“三电”核心技术领域奔跑、攀登。

她和她带领的团队，就像一束永远向前的电流，突破电阻的同时发出光和热，并形成“电磁场”，为中国新能源汽车技术和产业的发展贡献力量。

2008年，代康伟加入北汽集团，成为当时为数不多“科班出身”的新能源汽车开发工程师。2013年，她开始专注纯电动乘用车的研发。

在完成整车控制器、电池管理系统开发后，她带领的三电团队迎来一道重要的选择题——电机控制器是自主开发，还是找供应商开发？“如果我们这次不努力，以后连努力的机会都没有了。”在核心技术研发上，代康伟带领团队做出了关键抉择。

但向山顶攀登的道路上，挑战只会越来越大。电动汽车电子零部件越来越多，一旦高安全等级控制器失效，将产生无法估量的事故风险。代康伟敏锐地认识到功能安全技术在未来电动汽车发展中的关键作用，决定在国内率先立项启动研发。

“就像当时我们做电控系统一样，一切从零开始。”代康伟回忆道，“没有可以借鉴的整车功能安全风险评估经验，没有三电功能安全系统设计方案，没有支撑开发的工具链和芯片……”在国内找不到同行者，代康伟就直接找到最权威的认证机构——德国莱茵TÜV集团，探讨电动汽车功能安全的标准与认证问题。在代康伟的推动下，双方签署战略协议，成就了一段合作佳话，最终还使北汽新能源成为国内唯一一家完整自主掌握电动化功能安全产品及流程技术的整车企业。

2020年10月28日，北汽新能源又一次登上中国汽车工业科学技术奖的领奖台。由公司独立完成并申报的“电动汽车三电平台关键技术与产业化”项目，获得中国汽车工业科学技术进步奖一等奖。

这是对代康伟带领的三电团队的肯定。电动汽车开发技术不断迭代，所以在这个领域，永远没有成熟的经验可以参考。代康伟定义目标的方法就是问自己：“如果我是一名消费者，我想要什么样的性能？油车已经做到的，电车做到了没有？”

秉承着这样的理念，她带领团队不断向前：完成高性能动力总成开发项目、通过系统集成创新提升能量密度从而增加续驶里程、通过动力电池精准热管理延长电池寿命……

12年来，代康伟从一名大学毕业生成长为带领500多名研发工程师的三电技术带头人。“在发展新能源汽车的国家战略指引下，在一个重视研发和创新的企业里，才会有我和三电团队的成长。”成为全国劳动模范，代康伟觉得担子更重、责任更大，“我要以更好的业绩回报北汽，回报国家。” w1EN4+sraFWxU7Ia//pPeqOpwITsBW3/7hFszq7l12x2dTm0X+VaXa+A3V1xR7iV