參考文獻：
1、《AWC 2018新能源材料及關鍵元器件技術大會》發言稿，趙慧超，公眾號【NE時代】，2018年8月。
2、《電動汽車電驅系統輕量化 小型化發展趨勢及實現路徑》，公眾號【驅動視界】，2018年6月；
3、《純電動汽車電機控制器,電動汽車電機控制器構造原理及發展趨勢詳解》，電動邦，2018年1月；
4、《新能源電動汽車驅動電機發展的五大趨勢》，公眾號【驅動視界】，2018年9月；
5、《電動汽車電驅動系統定義、分類和測試評價方法、標準及失效模式分析》，公眾號【驅動視界】，2018年9月。
6、圖片來源Yahoo。
第一部分 電驅動系統的六大技術
01 系統集成技術
由於新能源電動汽車種類繁多、功能各異，很難設計一種具有普遍、通用化意義上的電驅動系統來適應所有車型，所謂集成，也就是在功能和場景的約束下，實現緊湊和輕量化的設計。
目前行業內都在做“三合一”，就是把驅動電機、減速器和電控部分集成為一體，可以實現輕量化、高效、小型化,同時降低成本,在一定程度上解放空間、利於整車佈置。
通過集成化設計,一方面可以簡化主機廠的裝配,提高產品合格率;另一方面可以大規模縮減供應商數量,還可以達到輕量化、節約成本等目的。
電驅動系統的集成化設計不僅可以實現驅動系統的小型化和輕量化以降低成本，還可以提高效率：如果將驅動電機與逆變器集成一體，逆變器配置在驅動電機旁,連接電機與逆變器的線束就可以縮短或者置換,由此，不僅減小了機構的尺寸和重量，還降低了線束產生的能量損耗。
如博世,GKN Driveline,三菱電機和舍弗勒。不僅實現了逆變器與電機之間的連接配線縮短,尺寸更小,還降低了連接部位的電力損耗,提升了驅動系統效率。
再如,將驅動電機與減速箱集成為一體,減速器齒輪的潤滑油和電機的冷卻油就可以共用,精簡了冷卻機構,可以實現小型化。
綜合來看，目前大多數企業只能做到“二合一”(電機集成減速器)的電驅動總成方案，但預計未來幾年內,三合一電驅動總成方案將成為主流。
而從長遠來看,電機、減速器、電機控制器、高壓分線盒、DC/DC、DC/AC、充電機等零部件都會集成為一個大的動力總成:“多合一”,即將電機+減速器、電機控制器、充電機、直流變換器、高壓分線盒、部分整車控制器等都集成到一起,代表車型是寶馬i3。
02 功率電子技術
電動汽車中需要使用大量的功率電子器件。據豐田汽車統計，功率電子器件用量在電動汽車中佔到所有半導體器件的25%。
功率電子方面，分三個部分：芯片技術、封裝技術、集成應用技術。功率半導體是各行各業能源轉換的核心器件，處產業鏈核心環節，技術壁壘極高，對於電動汽車而言尤為關鍵，對於其他產業也非常重要。
芯片方面是國內比較薄弱的，在損耗和單位面積的輸出電能能力方面和國際有比較大的差距。從芯片角度，整體的趨勢是小型化、高功率密度和低損耗。
封裝現在國內有不少封裝廠，但是走的路線基本上是逆向封裝，正向設計的原創封裝能力是有欠缺的。封裝技術可實現功率模塊小型化，高功率密度，但要求散熱能力要好。
所以，從封裝的拓撲結構、封裝的材料選擇，散熱器的技術進步，以及導線互聯等封裝技術都需要不斷的進步。現在國際上芯片和封裝技術都在飛速發展，功率電子的技術革新比前些年的發展速度快的多。
集成應用技術是電機廠和整車廠比較關注的，每個公司都有自己公司的特殊技術和know-how。應用方面，如何發展功率電子器件的潛力，通過一些驅動設計、控制方面的設計優化它的性能，同時也要保障功率電子應用的可靠性以及耐久性。
03 電機控制技術
國內的電力電子技術起步相對較晚，功率電子一直是制約我們國內電機控制器發展的瓶頸。因為這些技術的時間差，使得國內電機控制器的功率密度水平和國外量產的產品比較存在有些差距。
電機驅動汽車前行,而電機控制器驅動電機工作。電機控制器由逆變器和控制器兩部分組成。
逆變器接收電池輸送過來的直流電電能,逆變成三相交流電給汽車電機提供電源。控制器接受電機轉速等信號反饋到儀表,當發生制動或者加速行為時,控制器控制變頻器頻率的升降,從而達到加速或者減速的目的。
電動汽車電機控制器技術發展趨勢
①高安全性,這個是基本要求。集成功能越來越多,安全要求越高。
②高功率密度化。外形體積隨分裝向小型化發展。
③高壓化是基本趨勢。GBT的方向是650V IGBT的設計往更高的750V以及1200V 。
④EMC等級越來越高。接下來要做到class5水平。
我們很多人都是知道了電動汽車，但其內在蘊含的深意甚少人懂。電動汽車電機控制器就是很好的案例。
04 性能設計技術
電驅動性能包含NVH性能、安全性能、電磁性能等幾個方面，電磁性能方面目前流行高磁阻設計，以實現大扭矩、高轉速和反電勢均衡，當然也會帶來諧波的惡化。
還有一些熱問題需要同步解決：熱性能一般從一維做到二維、三維，還有一些根據工況循環進行瞬態仿真、安全方面的退磁和疲勞等問題。
- 一維：數據實時顯示曲線圖
- 二維：電機特性曲線圖
- 三維：的電機特性分佈圖
關於短時過載能力，目前設計指標多規定為30秒，實際應用中常用的是0.5秒、3秒、5秒。
05 材料工藝技術
驅動電機的功率、轉矩、效率和壽命與所用的硅鋼片有很大關係，尤其是電機轉子所用的無取向電工鋼片，磁性能決定了電機的轉矩和效率，鐵損越低電機效率越高，磁感增大電機轉矩才能增加，力學性能決定了定子和轉子的加工精度、承載強度和最大轉速。
新能源電動汽車對驅動電機電工鋼片的要求：
- 電機需要提供高扭矩用於啟動，要提高扭矩必須提高電流和電工鋼的磁感
- 常用駕駛模式下電機效率一般85%～93%，要提高能源轉換效率，要求電機所用電工鋼片具有優秀的磁性能，即中低磁場下的高磁感和高頻下的低鐵損
- 電機轉速6000～15000r/min，要求使用的電工鋼片具有足夠高的強度抵抗離心力，這要求使用高強度電工鋼，特別是永磁驅動電機，磁極鑲嵌於轉子之中，因此保證轉子的強度至關重要
- 縮小轉子和定子之間的間隙可有效提高磁通密度，這要求電工鋼薄片具有良好的衝片性
- 在汽車的使用週期內，處於服役期的高速旋轉的電工鋼片不能發生疲勞破壞，即要求有高的疲勞壽命
為了減少繞組線的長度，減小電機的體積和用銅量，減少銅損耗，提高電機效率，降低電機重量，提高功率密度，需要合理選擇電機繞組方式，可以改善電機繞組的磁勢正弦，降低定子磁勢的諧波含量，減少電機鐵耗和定子繞組引起的電機紋波轉矩，提高電機效率，降低電機振動和噪聲，合理選擇電機繞組方式，可以提高電機凸度，提高磁阻轉矩，減小繞組電流，降低電機銅耗。
總體上定子中繞線的量是決定電機功率大小的重要因素。而決定繞線量的則主要是在有限空間內銅線可以繞機芯的圈數。技術方面目前插入器的使用由於適合高功率的定子加工，並有逐漸成為行業生產標配的趨勢。
為了實現電機小型化，本田增加了繞線的佔積率(空間中銅的比例)，使定子變小。通過使用大截面的方形導線作為線圈，使得佔積率達到了60%。 在傳統的電動機中，使用薄的圓形線圈，佔積率一般只能達到48%。
為了使定子小型化，線圈使用截面積大的方形導線。與傳統的圓形線圈相比，方形導線可使佔積率從48%增加到60%。但是，由於和圓線相比方線變粗，導體(銅)中的“過電流損失”會增大。通常通過增大定子的槽寬度或減小每個線圈的厚度來減小過電流損耗。
▲Tesla motor coil
為了實現小型化，本田同時還縮短了從定子突出的線圈部分(“線圈末端”)。本田技術人員認為線圈末端部分“對電機工作沒有貢獻”。
為了縮短線圈末端，採用了新的繞線結構方法：
- 首先，將矩形線圈塑形成U字形，以形成“並列分割線圈”。
- 接下來，將該分割線圈從定子鐵心的軸方向插入。
- 之後，將插入側以及對側伸出的線圈前端焊接在一起而形成線圈。
新的繞線工藝需要投資新的製造設備。與傳統工藝相比，新工藝不需要繩子捆綁，也不需要將線圈末端壓扁，從而更易於自動化。由此實現高效率大批量生產，成本也能降低。
06 試驗驗證技術
產品開發過程中需要結合車型特點進行更嚴格的驗證（NEDC），重點關注實驗前後輸出功率和系統效率，以及電氣元件的絕緣和老化內容。
在試驗過程中，可以在不改變失效機理的前提下，提高應力來縮短試驗時間，常用的加速模型需要結合試驗數據進行驗證。
整個測試以額定功率或峰值功率、惡劣環境考核電機和總成產品，可分為市區路況、郊區路況和高速路況。
為了解電機實際行駛工況，採用轉轂試驗和路試相結合的方式採集電機系統的電壓、電流、扭矩和轉速。
電驅動系統的絕緣失效，溫度是最大因素，需要重點關注溫度應力加速模型。具體壽命要考慮溫度模型、熱循環模型、電壓關係、振動關係、溫度及其他應力關係。
可靠性測試主要聚焦電驅動總成標準工況及機、電、熱應力綜合及加速技術，測試內容可參考國際標準、國家標準和行業標準等，具體根據產品標準、企業標準制定統一的測試規範。
在具體測試中，振動傳感器在電機系統安裝點附近佈置；在通縣試驗場不同強化路面在XYZ三個方向進行振動數據採集；通過對數據進行分析來研究合理振動的測試條件及臺架試驗條件。
第二部分 新能源電驅動系統的設計開發需求
首先，新能源電驅動系統做開發一定要秉承正向設計，自上而下地進行需求分解。一汽把電驅動系統分為多種不同的屬性支撐整車商品性達成，包括用戶感知屬性和產品的基本屬性，各屬性都做了技術詳細分解和指標設定。
第二，針對不同的車型、不同的應用場景、不同的對象對電驅動系統開發的要求是不一樣的。同時，在開發的優先級方面，包括技術方式選擇方面也是不一樣的。
比如說高性能車追求的是高性能、高舒適性。我們在做技術方案選擇時會選擇大功率、大電流的模塊，同時犧牲一部分成本去滿足這種NVH特性。
再比如說網約車主要要求低電耗，需要犧牲一些材料成本實現高的電耗水平，增加可靠性。把一些關鍵的技術做細、做透才能同時滿足汽車產品的可靠性、成本、性價比等多種要求。
第三部分 新能源電驅動系統的發展趨勢
整體發展趨勢，新能源汽車系統包括PHEV，話題太大，本次報告把純電動作為主要的研究對象。目前新能源電驅動系統技術發展非常迅速，這種迅速來源於市場的刺激，來源於新的整車需求，來源於各個基本零部件的技術進步。
其中新能源驅動系統的主要技術驅動力是功率電子技術，其次是新型的材料和生產工藝，現在甚至可以稱得上是一個革新的時代。
另外，從整個需求來講，汽車產品要求低成本、輕量化，容易佈置。這樣的話，推動了電驅動系統向高速、集成、大功率，方向發展。適度的高壓化也是迎合高功率來的。所以集成化、高速化、高壓化是發展趨勢。
電機本體方面，材料工藝水平在迅速提升，大家可以看到這個曲線，基本上比功率3到5年就提升一倍。一汽對比功率的定義是千瓦每公斤，重量指是有效部分。
電機技術創新與工藝材料發展密切相關，例如硅鋼在不斷變薄，耐電暈導線，繞阻工藝等。逆變器這塊主要是功率電子的技術升級與性能提升，有封裝技術、芯片技術、電容技術，大概五年左右體積降低一倍，性能提升一倍，成本降低30%以上。
參考文獻：
1、《AWC 2018新能源材料及關鍵元器件技術大會》發言稿，趙慧超，公眾號【NE時代】，2018年8月。
2、《電動汽車電驅系統輕量化 小型化發展趨勢及實現路徑》，公眾號【驅動視界】，2018年6月；
3、《純電動汽車電機控制器,電動汽車電機控制器構造原理及發展趨勢詳解》，電動邦，2018年1月；
4、《新能源電動汽車驅動電機發展的五大趨勢》，公眾號【驅動視界】，2018年9月；
5、《電動汽車電驅動系統定義、分類和測試評價方法、標準及失效模式分析》，公眾號【驅動視界】，2018年9月。
6、圖片來源Yahoo。
第一部分 電驅動系統的六大技術
01 系統集成技術
由於新能源電動汽車種類繁多、功能各異，很難設計一種具有普遍、通用化意義上的電驅動系統來適應所有車型，所謂集成，也就是在功能和場景的約束下，實現緊湊和輕量化的設計。
目前行業內都在做“三合一”，就是把驅動電機、減速器和電控部分集成為一體，可以實現輕量化、高效、小型化,同時降低成本,在一定程度上解放空間、利於整車佈置。
通過集成化設計,一方面可以簡化主機廠的裝配,提高產品合格率;另一方面可以大規模縮減供應商數量,還可以達到輕量化、節約成本等目的。
電驅動系統的集成化設計不僅可以實現驅動系統的小型化和輕量化以降低成本，還可以提高效率：如果將驅動電機與逆變器集成一體，逆變器配置在驅動電機旁,連接電機與逆變器的線束就可以縮短或者置換,由此，不僅減小了機構的尺寸和重量，還降低了線束產生的能量損耗。
如博世,GKN Driveline,三菱電機和舍弗勒。不僅實現了逆變器與電機之間的連接配線縮短,尺寸更小,還降低了連接部位的電力損耗,提升了驅動系統效率。
再如,將驅動電機與減速箱集成為一體,減速器齒輪的潤滑油和電機的冷卻油就可以共用,精簡了冷卻機構,可以實現小型化。
綜合來看，目前大多數企業只能做到“二合一”(電機集成減速器)的電驅動總成方案，但預計未來幾年內,三合一電驅動總成方案將成為主流。
而從長遠來看,電機、減速器、電機控制器、高壓分線盒、DC/DC、DC/AC、充電機等零部件都會集成為一個大的動力總成:“多合一”,即將電機+減速器、電機控制器、充電機、直流變換器、高壓分線盒、部分整車控制器等都集成到一起,代表車型是寶馬i3。
02 功率電子技術
電動汽車中需要使用大量的功率電子器件。據豐田汽車統計，功率電子器件用量在電動汽車中佔到所有半導體器件的25%。
功率電子方面，分三個部分：芯片技術、封裝技術、集成應用技術。功率半導體是各行各業能源轉換的核心器件，處產業鏈核心環節，技術壁壘極高，對於電動汽車而言尤為關鍵，對於其他產業也非常重要。
芯片方面是國內比較薄弱的，在損耗和單位面積的輸出電能能力方面和國際有比較大的差距。從芯片角度，整體的趨勢是小型化、高功率密度和低損耗。
封裝現在國內有不少封裝廠，但是走的路線基本上是逆向封裝，正向設計的原創封裝能力是有欠缺的。封裝技術可實現功率模塊小型化，高功率密度，但要求散熱能力要好。
所以，從封裝的拓撲結構、封裝的材料選擇，散熱器的技術進步，以及導線互聯等封裝技術都需要不斷的進步。現在國際上芯片和封裝技術都在飛速發展，功率電子的技術革新比前些年的發展速度快的多。
集成應用技術是電機廠和整車廠比較關注的，每個公司都有自己公司的特殊技術和know-how。應用方面，如何發展功率電子器件的潛力，通過一些驅動設計、控制方面的設計優化它的性能，同時也要保障功率電子應用的可靠性以及耐久性。
03 電機控制技術
國內的電力電子技術起步相對較晚，功率電子一直是制約我們國內電機控制器發展的瓶頸。因為這些技術的時間差，使得國內電機控制器的功率密度水平和國外量產的產品比較存在有些差距。
電機驅動汽車前行,而電機控制器驅動電機工作。電機控制器由逆變器和控制器兩部分組成。
逆變器接收電池輸送過來的直流電電能,逆變成三相交流電給汽車電機提供電源。控制器接受電機轉速等信號反饋到儀表,當發生制動或者加速行為時,控制器控制變頻器頻率的升降,從而達到加速或者減速的目的。
電動汽車電機控制器技術發展趨勢
①高安全性,這個是基本要求。集成功能越來越多,安全要求越高。
②高功率密度化。外形體積隨分裝向小型化發展。
③高壓化是基本趨勢。GBT的方向是650V IGBT的設計往更高的750V以及1200V 。
④EMC等級越來越高。接下來要做到class5水平。
我們很多人都是知道了電動汽車，但其內在蘊含的深意甚少人懂。電動汽車電機控制器就是很好的案例。
04 性能設計技術
電驅動性能包含NVH性能、安全性能、電磁性能等幾個方面，電磁性能方面目前流行高磁阻設計，以實現大扭矩、高轉速和反電勢均衡，當然也會帶來諧波的惡化。
還有一些熱問題需要同步解決：熱性能一般從一維做到二維、三維，還有一些根據工況循環進行瞬態仿真、安全方面的退磁和疲勞等問題。
- 一維：數據實時顯示曲線圖
- 二維：電機特性曲線圖
- 三維：的電機特性分佈圖
關於短時過載能力，目前設計指標多規定為30秒，實際應用中常用的是0.5秒、3秒、5秒。
05 材料工藝技術
驅動電機的功率、轉矩、效率和壽命與所用的硅鋼片有很大關係，尤其是電機轉子所用的無取向電工鋼片，磁性能決定了電機的轉矩和效率，鐵損越低電機效率越高，磁感增大電機轉矩才能增加，力學性能決定了定子和轉子的加工精度、承載強度和最大轉速。
新能源電動汽車對驅動電機電工鋼片的要求：
- 電機需要提供高扭矩用於啟動，要提高扭矩必須提高電流和電工鋼的磁感
- 常用駕駛模式下電機效率一般85%～93%，要提高能源轉換效率，要求電機所用電工鋼片具有優秀的磁性能，即中低磁場下的高磁感和高頻下的低鐵損
- 電機轉速6000～15000r/min，要求使用的電工鋼片具有足夠高的強度抵抗離心力，這要求使用高強度電工鋼，特別是永磁驅動電機，磁極鑲嵌於轉子之中，因此保證轉子的強度至關重要
- 縮小轉子和定子之間的間隙可有效提高磁通密度，這要求電工鋼薄片具有良好的衝片性
- 在汽車的使用週期內，處於服役期的高速旋轉的電工鋼片不能發生疲勞破壞，即要求有高的疲勞壽命
為了減少繞組線的長度，減小電機的體積和用銅量，減少銅損耗，提高電機效率，降低電機重量，提高功率密度，需要合理選擇電機繞組方式，可以改善電機繞組的磁勢正弦，降低定子磁勢的諧波含量，減少電機鐵耗和定子繞組引起的電機紋波轉矩，提高電機效率，降低電機振動和噪聲，合理選擇電機繞組方式，可以提高電機凸度，提高磁阻轉矩，減小繞組電流，降低電機銅耗。
總體上定子中繞線的量是決定電機功率大小的重要因素。而決定繞線量的則主要是在有限空間內銅線可以繞機芯的圈數。技術方面目前插入器的使用由於適合高功率的定子加工，並有逐漸成為行業生產標配的趨勢。
為了實現電機小型化，本田增加了繞線的佔積率(空間中銅的比例)，使定子變小。通過使用大截面的方形導線作為線圈，使得佔積率達到了60%。 在傳統的電動機中，使用薄的圓形線圈，佔積率一般只能達到48%。
為了使定子小型化，線圈使用截面積大的方形導線。與傳統的圓形線圈相比，方形導線可使佔積率從48%增加到60%。但是，由於和圓線相比方線變粗，導體(銅)中的“過電流損失”會增大。通常通過增大定子的槽寬度或減小每個線圈的厚度來減小過電流損耗。
▲Tesla motor coil
為了實現小型化，本田同時還縮短了從定子突出的線圈部分(“線圈末端”)。本田技術人員認為線圈末端部分“對電機工作沒有貢獻”。
為了縮短線圈末端，採用了新的繞線結構方法：
- 首先，將矩形線圈塑形成U字形，以形成“並列分割線圈”。
- 接下來，將該分割線圈從定子鐵心的軸方向插入。
- 之後，將插入側以及對側伸出的線圈前端焊接在一起而形成線圈。
新的繞線工藝需要投資新的製造設備。與傳統工藝相比，新工藝不需要繩子捆綁，也不需要將線圈末端壓扁，從而更易於自動化。由此實現高效率大批量生產，成本也能降低。
06 試驗驗證技術
產品開發過程中需要結合車型特點進行更嚴格的驗證（NEDC），重點關注實驗前後輸出功率和系統效率，以及電氣元件的絕緣和老化內容。
在試驗過程中，可以在不改變失效機理的前提下，提高應力來縮短試驗時間，常用的加速模型需要結合試驗數據進行驗證。
整個測試以額定功率或峰值功率、惡劣環境考核電機和總成產品，可分為市區路況、郊區路況和高速路況。
為了解電機實際行駛工況，採用轉轂試驗和路試相結合的方式採集電機系統的電壓、電流、扭矩和轉速。
電驅動系統的絕緣失效，溫度是最大因素，需要重點關注溫度應力加速模型。具體壽命要考慮溫度模型、熱循環模型、電壓關係、振動關係、溫度及其他應力關係。
可靠性測試主要聚焦電驅動總成標準工況及機、電、熱應力綜合及加速技術，測試內容可參考國際標準、國家標準和行業標準等，具體根據產品標準、企業標準制定統一的測試規範。
在具體測試中，振動傳感器在電機系統安裝點附近佈置；在通縣試驗場不同強化路面在XYZ三個方向進行振動數據採集；通過對數據進行分析來研究合理振動的測試條件及臺架試驗條件。
第二部分 新能源電驅動系統的設計開發需求
首先，新能源電驅動系統做開發一定要秉承正向設計，自上而下地進行需求分解。一汽把電驅動系統分為多種不同的屬性支撐整車商品性達成，包括用戶感知屬性和產品的基本屬性，各屬性都做了技術詳細分解和指標設定。
第二，針對不同的車型、不同的應用場景、不同的對象對電驅動系統開發的要求是不一樣的。同時，在開發的優先級方面，包括技術方式選擇方面也是不一樣的。
比如說高性能車追求的是高性能、高舒適性。我們在做技術方案選擇時會選擇大功率、大電流的模塊，同時犧牲一部分成本去滿足這種NVH特性。
再比如說網約車主要要求低電耗，需要犧牲一些材料成本實現高的電耗水平，增加可靠性。把一些關鍵的技術做細、做透才能同時滿足汽車產品的可靠性、成本、性價比等多種要求。
第三部分 新能源電驅動系統的發展趨勢
整體發展趨勢，新能源汽車系統包括PHEV，話題太大，本次報告把純電動作為主要的研究對象。目前新能源電驅動系統技術發展非常迅速，這種迅速來源於市場的刺激，來源於新的整車需求，來源於各個基本零部件的技術進步。
其中新能源驅動系統的主要技術驅動力是功率電子技術，其次是新型的材料和生產工藝，現在甚至可以稱得上是一個革新的時代。
另外，從整個需求來講，汽車產品要求低成本、輕量化，容易佈置。這樣的話，推動了電驅動系統向高速、集成、大功率，方向發展。適度的高壓化也是迎合高功率來的。所以集成化、高速化、高壓化是發展趨勢。
電機本體方面，材料工藝水平在迅速提升，大家可以看到這個曲線，基本上比功率3到5年就提升一倍。一汽對比功率的定義是千瓦每公斤，重量指是有效部分。
電機技術創新與工藝材料發展密切相關，例如硅鋼在不斷變薄，耐電暈導線，繞阻工藝等。逆變器這塊主要是功率電子的技術升級與性能提升，有封裝技術、芯片技術、電容技術，大概五年左右體積降低一倍，性能提升一倍，成本降低30%以上。
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