电动驱动系统趋于成熟,技术创新有望产生新的增量

四、电动驱动系统趋于成熟，技术创新有望产生新的增量

(一)乘用车电驱落入红海，技术创新优化成本效率

电动控制驱动电机系统是新能源汽车的核心系统之一。其性能决定了汽车行驶的主要性能指标，如爬坡能力、加速能力和最高速度，这也与驾驶员的控制体验有关。同时，电机在动能回收中也起着发电机的作用。目前，市场上常见的有直流电机、异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。

新能源汽车驱动电机的特殊性能要求主要体现在功率密度高、调速范围宽、启动扭矩大、效率范围广、散热需求强。

• 高功率密度：电机的尺寸和重量直接影响汽车的动力性能和驾驶体验。电机设计的方向和困难在于体积小、重量轻、功率大，尽可能提高功率重量密度和功率体积密度。

• 调速范围广：广泛的调速范围可以帮助新能源汽车节省多档变速箱，只使用固定齿轮组，方便电机电控减速器集成为三合一产品，有效降低成本。因此，新能源汽车驱动电机的调速范围越宽越好，最高转速可达基本转速的4倍以上。特斯拉Model S基本电机最高转速可达 18000 转/分钟，比亚迪E平台3.0电机最高转速超过17000转/分钟。

• 启动扭矩大：由于新能源汽车强调100公里加速等性能指标，甚至一些原始设备制造商也会选择双永磁同步电机来加速需求。新能源汽车的驱动电机在启动或低速时需要超高扭矩，以最快的方式将汽车速度泵送到预期速度。

• 高效范围广：电机效率直接影响续航里程，因此对电机效率要求很高。新能源汽车的驱动电机需要尽可能广泛的高效运行范围。在正常路况下，汽车不会频繁启动，也不会继续超高速运行。它更多的是在匀速行驶中加速或减速。因此，中间部分的运行效率尤为重要。目前，永磁同步电机的核心问题是高效范围低。一旦高速变化，弱磁性将导致效率直线下降。

• 散热需求强:由于新能源汽车驱动电机对功率密度要求高，散热问题也随之而来。1 台 150KW 传统动力系统总成体积约409L。峰值功率150KW电动汽车动力系统总成只有体积 82L，传统动力总成只有20%左右。散热、机械振动、电磁兼容、机械振动、电磁兼容NVH 需要解决啸叫等问题。电机的能量转换效率约为 90%以上，峰值效率约为 95%左右，平均能量损耗约为10%，这10%的能量损耗多以发热的形式体现，因此驱动电机的散热需求较强。

鉴于上述需求，我国新能源汽车多采用永磁同步电机，主要包括功率密度高、效率高、结构紧凑、扭矩大、运行平稳、调速性能好等优点，几乎已成为乘用车电机的首选。

近年来，乘用车领域的技术创新集中在以下几个方面：

• 高速化油冷却趋势：驱动电机的发展方向围绕高功率密度和小体积，旨在减少功耗，提高续航里程，同时保持相同的功率输出。因此，电机的高速化是不可避免的。由于其更好的散热和绝缘性能，预计油冷将取代水冷和风冷方案。特斯拉、宝马、比亚迪、丰田等主机厂的一些车型配备了油冷电机。

• 扁线趋势：扁线可有效降低电机体积，提高圆线，可以有效降低电机体积，提高功率密度。我国扁线电机功率的理论密度可达5kw／kg，比普通圆线电机高3kw／kg。扁线电机的整体材料成本也低于圆线电机的15%，电耗可降低15%。同时，扁线电机的自动化程度通常比圆线电机高10%，这也有利于大规模生产能力的扩大。

• 双电机方案：永磁同步电机启动扭矩大，高速条件弱，感应异步电机启动扭矩小，高速，条件强，互补，以特斯拉、BYD为代表的电动汽车龙头企业往往选择前驱感应异步电机和后驱永磁同步电机形成双电机系统。同时，一些主机厂选择双永磁同步电机方案加速性能，牺牲高速条件下的电池寿命。保时捷等国外主机厂将选择单电机+变速箱获得相同的功率输出。

• 电子换挡电机：通过半导体元件切换绕组，获得不同工况下的电机特性；如低速高扭矩、高速效率等，预计将取代乘用车双电机方案或商用车领域的电机+变速箱方案，尚未批量生产和运输。

• 轮毂/轮边电机：由于成本因素的限制，分布式驱动尚未大规模推广。目前，它主要用于商用车和军事场景。国外转子方案主要是国内转子。目前，电机的散热和弹簧重量尚未完全解决。

(二)驱动单元集成，系统效率显著提高

主机厂在动力和经济方面的车辆需求迫使电动驱动产品的低成本、高性能、小型化和轻量化。总成产品通过集成不同部件，实现更高的功率密度和冷却性能，降低电动驱动系统的成本。

国内外主流汽车企业电动驱动系统有三合一、四合一、六合一、七合一等多种集成形式。三合一电驱动系统=驱动电机+电机控制器+减速器。2019 年后，三合一驱动系统开始逐步大规模生产；2020年 年，集成电驱动系统占比超过 50％。根据 NE 2021年时代公布的数据 年，三合一及以上的产品占据了新能源乘用车电动驱动系统整体装机量 53．85％。

目前比亚迪/弗迪动力的八合一电力总成集成度较高，集驱动电机、电机控制器、减速器、车载充电器于一体OBU、直流变换器DC／DC、配电箱PDU、整车控制器VCU、电池管理器BMS。随着集成度的进一步提高，散热相关的结构设计、系统稳定性和生产工艺成熟度已成为需要解决的核心问题。

（三）SiC MOSFET 替代 Si IGBT，确定高压平台的趋势

电机控制器通过接收整车控制器的行驶控制指令，控制电机的扭矩和转速，驱动车辆行驶，整车价值占20%。

电机控制器由逆变器和控制器组成，其中逆变器的核心部件是IGBT控制器主要由控制电路、驱动电路和电流传感器组成。

一方面，逆变器将动力电池端的直流电转化为交流电，为驱动电机提供能量。另一方面，控制器接收从加速踏板、制动踏板和变速箱齿轮输出的控制信号，监控电机状态（转子位置、温度、电流和电压），通过调整驱动电机输入侧的电流和电压，最后通过减速器、传动轴、差速器、半轴等机械传动装置驱动车轮旋转。

数据源：势乘整理

新能源汽车电气控制系统需要适应频繁启动、停止、加速、减速、扭矩变换，变速范围大；混合动力汽车电气控制系统还需要处理驱动电机启动、发电、能源回收等功能。因此，对电机控制器具有高控制精度、高动态响应速率、高安全性和可靠性的要求，直接影响车辆的性能。

IGBT作为电控系统的主要功率变换元件，电机控制器的成本占近1/3，是电机控制器的核心。我们可以单身IGBT芯片被视为一个理想的开关，在模块内构建了几个开关IGBT芯片的并串联结构，当直流通过模块时，通过不同开关组合的快速开关，改变电流的流出方向和频率，从而输出交流电。

IGBT长期高负荷运行，其内芯片温度可达50-80℃；其一般预期寿命大于20年，功率循环数万次甚至数百万次。因此，需要通过热循环、热冲击、功率循环等一系列测试，以确保其可靠性和散热，汽车规则非常严格。数据显示，中国的新能源汽车IGBT大约90%的电子产品都是进口的。

特斯拉率先使用SiC MOSFET替代Si IGBT。与 Si 与基器件相比，SiC 随着电压等级、功率等级和开关频率的提高，装置具有体积小、功率大、频率高、能耗低、损耗小、耐高压等优点，SiC优势逐渐显现。新能源汽车的优势体现在：

• 能耗低，续航里程增加。SiC模块的禁带宽度远大于Si，开关损耗和导通损耗明显低于同等IGBT有助于减少电池用量的模块。

• 封装尺寸较小，提高功率密度。碳化硅功率模块在相同功率等级下体积明显较小。

• 实现高频开关，耐高压。SiC材料的电子饱和漂移率是Si两倍有助于提高设备的工作频率。高临界击穿电场的特其能够承受高压，克服高压IGBT拖尾电流问题在开关过程中，减少能量损耗，减少电容、电感等无源设备的使用，从而减少系统的体积和重量。

• 耐高温，散热能力强。SiC禁带宽度和热导率约为Si三倍，热量更容易释放，温度更高，冷却部件小型化，有利于系统小型化和轻量化。

但目前SiC随着全球半导体高。未来，随着全球半导体制造商的加快研发和扩大，衬底良率和晶圆利用率将逐步提高，设备成本将有效降低。

（四）BMS进一步放大了电池安全管理的重要性

BMS通过电压、电流、温度和管理，监控和管理电池SOC（State of Charge，采集和计算电池的充放电状态等参数，然后控制电池的充放电过程（防止过充寿命，提高电池的综合性能，是连接电池和汽车的重要环节。目前，新能源汽车80%的故障来自电池组，80%的故障来自电池组BMS。

BMS应用的主要背景是锂电池在大规模生产过程中质量难以掌握，电池出厂时电量可能存在细微差异，电池间不一致性明显，因此需要通过BMS准确测量电池组的使用情况。

BMS根据拓扑结构，可分为集中式和分布式。集中式在机器人、IOT智能家居、电动低速汽车等。所有电池模块由2-3个分布式电池板采集，通道利用率高，节约成本，系统配置灵活性高。随着乘用车动力电池系统向高容量、高总压、大体积发展，混合动力和纯电动汽车主要是分布式结构。

BMS核心在于SOC估计算法，属于BMS核心控制算法的精度和鲁棒性(纠错能力)极其重要。国内主流厂商在室温下一般可以达到6%以内的精度，很难估计高低温和电池衰减。多种算法常用于实际应用中。此外，随着汽车的高端化，主动平衡算法技术也将成为未来的发展趋势。由于成本低、复杂性低、故障率低，被动均衡管理得到了广泛的应用。但主动平衡是将能量从多个单体转移到少个单体，不会造成能量损失，可以消除电池单体的不一致性，减少桶短板效应的影响，但其结构复杂，成本高，对电气元件的要求高。

三元锂电池安全性能稍差，单体电池容量少，数量多，BMS它起着关键作用。比如特斯拉18650电池，一个电池包含7000多个单体电池，BMS难度很大。

未来BMS沿以下方向迭代发展:1)边云组合:云计算数值（SOC／SOH），在云计算能力的帮助下，管理计算(均衡/热管理)。2）无线BMS解决方案：德州仪器 （TI）22年1月发布，功耗低、可扩展性强、电缆和连接器减少、能量密度提高、主板间无高压风险，可大大提高电池管理的可靠性和精度，降低整体成本。

五、总结

经过2022年新能源汽车的快速增长，我们认为未来汽车电气化将有以下趋势：

1.市场层面预计23年上半年后将进入下行周期。需求不足导致市场竞争加剧。传统原始设备制造商具有明显的优势。新力量可能面临更大的现金压力，新能源汽车的整体渗透速度将放缓，但海外市场仍有很大的机会；

2.受上游原材料结构短缺和制裁的影响，缺芯缺电将继续，国内替代路径将继续优化。同时，我们也预计，未来各类电池回收企业将迎来三年的黄金发展时期，包括但不限于各类电池的拆卸利用和其他路径的电池材料生产工艺；

3.电池功率密度短期内已达到瓶颈。电动驱动和电气控制方向的优化有利于提高车辆范围。国内替代需求导致供应链系统的变化。创业公司仍有机会进入细分领域，这对工程能力有很大的考验；

4.新能源电气化趋势已经结束，三电系统和基础硬件运动平台已经基本确定。初创企业的产品已经得到验证和大规模生产和运输。在现有系统下，市场上不再存在结构性投资机会，但我们仍对其他电池路线和氢能的破坏性创新应用持乐观态度。