新能源汽車電驅動總成及製造技（jì）術
2023-7-5 來源： 上海市汽車行業協會（huì） 作者：張書橋
1. 序言
發展新能源汽車是我國從汽車大國邁（mài）向汽車強國（guó）的（de）必由之路，新能源汽車概念最早（zǎo）於 “863”計劃中提（tí）出。在新能（néng）源汽車發展規劃中提出了“三縱三橫” 的（de）技術研發（fā）布局，即以純電動車、插電式混合動力（含增程式）汽車、燃料電池汽車為“三縱”，布（bù）局整車技術創新鏈，強化（huà）整車集成控製創新。以（yǐ）動力電池和（hé）管理係統、驅動電動機與電力電子、網聯化與智能化（huà）技術為 “三橫”，構建關鍵零部件技（jì）術供給體係，提升產（chǎn）業基礎能力（lì）。2022 年中國新能源汽車持續爆發式增長，全年（nián）銷量 680 萬輛，市場滲透率 25.6%。2023 年（nián）預計為 900 萬輛，同（tóng）比（bǐ）增長 35%。我國新能（néng）源汽車市場培育了全球最大的電（diàn）動車市場（chǎng），電池供應鏈體係遠遠領先美國和歐洲，但是品牌競爭力弱，尚未被全球市場廣泛（fàn）接受（shòu）。
2. 電驅動總成
電驅動總成是新能（néng）源電動（dòng）車的心髒，等同於傳統燃油車的動力（lì）總成（chéng）——發動機 + 變速器，作用是把化學能轉化成（chéng）電動車（chē）的動能，是直接決定車輛動力、能（néng）耗等性能的（de）核（hé）心部件。
電驅動總成是以電動機（jī）作為動力（lì）能源的驅動係統，包（bāo）括電動機控製（zhì）器、電動機及傳動機（jī）構。電驅動總成是電動車中至（zhì）關重要（yào）的（de）機構，直接影響到汽車壽命（mìng）以（yǐ）及駕駛員的安全。
純電動車（chē）的電驅動總成有四種形式，分別為傳統布置、電動機 & 驅動橋（qiáo）組合式、電動機 &驅動橋整體式、輪邊 / 輪轂電動機。四種電驅動總成的特點見表 1。
表 1 四種電驅動總成的特點
電動車驅動係統是電動車（chē）中最關鍵的係統，電（diàn）動車運行性能主要決定（dìng）於電動機驅（qū）動係統的類型（xíng）和性能。電動車驅（qū）動係統一般由牽引電動機、控製係（xì）統（包括電動（dòng）機驅動器、控製器及（jí）各種傳感器）、機（jī）械減速和傳動裝置（zhì）、車輪（lún）等構成。它有四種組合形式，分別為機械驅動係統、機電集成化驅動係統、機電一體化驅動係統及輪轂電動機驅動（dòng）係統。四種驅動係統的特點見表 2，幾種典型的驅動係統如圖 1 所示。
圖 1 典型的電驅（qū）動係統
表 2 四種驅動係統（tǒng）的特點
隨著中國新能源汽車銷量的逐步增加，電動化將催生（shēng）電驅動總成成為繼電池係統之後的第二個賽道，預計2025—2030年中國新能源汽車（chē）電驅動市場規模將達到 866 億 ~1572 億元（yuán）。縱觀全球新（xīn）能源汽車研發方向，由於受到車輛空（kōng）間限製和使用（yòng）環境的約束，電動汽車對電驅動總成提出了更高的要求 : ①更高的性能，低速大扭矩，寬恒功率等。②耐環（huán）境溫度更高，壽（shòu）命更長（zhǎng），噪聲更低。③耐高強度振動，結構（gòu）堅固，質量輕，體積小。④成本低。⑤參與整車（chē）熱管（guǎn）理。
3. 電動機
美國汽車行業（yè）指定了電動機（jī）發展路線圖，到2025 年效率＞ 97%，功率密度 5.7kW/kg，成本3.3$/kW。按照這樣的發展方向，今後電動機的（de）改（gǎi）進有以下幾方麵。
3.1 發卡電動機——Hair-pin扁線（xiàn）電動（dòng）機技術
相對圓（yuán）線電動機，采用 Hair-pin 扁線電動機（見圖 2）可以明顯減小電動機體積、減輕電動機質量、增加電動機功（gōng）率密度及（jí）轉矩密度。通常可將（jiāng）槽滿率（lǜ）提高至 70% 以上（shàng），超過普通繞組 20%~30%，有效降低繞組電阻，從而降低銅耗，產生更強的磁場強度，提升電動機功率密度。扁線之間接觸麵積大，可提高散熱效率。繞組（zǔ）端部更（gèng）短，可以降低電動（dòng）機端部空間用銅量15%~20%。
圖 2 Hair-pin 扁線電動機
3.2 永磁同步電動（dòng）機
永磁同步（bù）電（diàn）動機（見圖 3）的優勢是體積小、質量小、功率密度高、運（yùn）行（háng）效率高（gāo）、結（jié）構簡單緊湊（còu）、扭矩大且平順、調速性能好。劣勢是（shì）弱磁控製（zhì）問題、反電動勢及高（gāo）溫（wēn）振動環境下的退磁問題。
圖 3 永磁同步電（diàn）動機
轉子轉速與定子磁場的轉速保持（chí）同步。降（jiàng）低定子、轉子的鐵耗也非（fēi）常重要，定子、轉子矽片內部會因（yīn）為電流磁場等（děng）變化而產生渦流，為了減少這部分的渦流（liú）損耗，矽鋼（gāng）片的（de）厚度越來（lái）越薄，從 0.35mm 降到 0.3mm 以（yǐ）下。為了優化電動機內部的磁場分布，提高電（diàn）動機效率，針對轉（zhuǎn）子鐵芯的磁道（dào）設計也（yě）得到越來越多的關注。
3.3 混合磁鐵技術
混合磁鐵技術就是用燒結永磁鐵 + 永磁體粉末與黏合劑混合。美國 Lucid Air 公司電動機每英裏（lǐ）的能耗為 218W · h，特斯拉（lā） Model S 每（měi）英裏能耗為 250W · h，續航（háng）裏程美（měi）國 Lucid Air公司超過特斯拉 Model S100 餘英裏（1 英裏=1609.344m）。
混合磁鐵技術把一切空間利用到（dào）極致，磁鐵填滿所有的空隙（xì）。釹（nǚ）鐵硼燒結永磁體是難加工成異型的，就是在燒結永磁鐵的基礎上，將永磁體粉末與黏合劑混合，直接填滿整個空（kōng）間，既解決磁鐵（tiě）固定的問題，又增加了磁通量，如圖（tú） 4 所示。
圖 4 混合磁鐵技（jì）術
3.4 碳纖維套筒
高轉速（sù）隔磁橋的設計一直是難點，轉子高速旋轉，轉速大，離心率大，轉子邊緣的（de）部位容（róng）易受壓破裂。如果加（jiā）厚隔磁橋，會產（chǎn）生閉合磁場，在轉子內部，沒有（yǒu）與定子磁場產生相互作用，磁場就會浪費，效率被限製，產生鐵耗、增加發熱，高熱加劇轉子的膨脹和解體的風險。
特斯拉在電動機轉子上增加了（le）碳纖維保護（hù）套，其核心作用是加強電動機和轉子的結構強度（dù），防止高速工況下永（yǒng）磁鐵的脫落。特斯拉碳纖維轉子如（rú）圖 5 所示。
圖 5 特斯拉（lā）碳纖維轉子
3.5 油冷卻
隨著電動（dòng）機（jī）功率密度和轉速的不斷提升，以（yǐ）及集成化使單體部件體積逐漸縮小，傳統電動機的風冷或者外殼水冷方（fāng）式已經（jīng）無法滿足散熱需求，油冷電動機（jī）技術路（lù）線逐漸興起。冷卻油可直接與電（diàn）動機發熱部件接（jiē）觸，散熱效率高於傳統的水冷和風冷（lěng），且油介質具有絕緣性好、介質常數高、凝固點低和沸點高等優勢，可提升電動機的效率密度。對原有的熱管理係統（tǒng）進行重新設計，將電動機腔體和減速（sù）器打通，然（rán）後通過電子油泵或機械設計，使（shǐ）減振器內部原有的冷卻潤（rùn）滑油能夠進入到電動機內腔，實現定子（zǐ）、轉子的物理降溫。另（lìng）外對油品的性能和清潔度有更高的（de）要求。扁線（xiàn）油冷電動機轉子如圖 6 所示。
圖 6 扁線油冷電動機（jī）轉子
4. 二（èr）級變速器
電動車電動機的工作範圍廣，轉速一般在0~20000r/min，甚至可以達到30000r/min。相對（duì）來說，中低轉速的情況下，電動機的扭（niǔ）矩非常足，工作效率相對較（jiào）高 ; 在高速的情況下（xià），電動機的效率和扭矩則會急速下降。而二級變速器（qì）的作用就是（shì）使（shǐ）電動機盡量工作在高效率的轉速區間，從
而降低損（sǔn）耗，提高續航裏程，可節省的電量高達13%。二級（jí）變速器的電（diàn）動機效率如圖 7 所示。
圖 7 二（èr）級變速器的電動機效率
5. 高壓化
美國汽車行（háng）業三電控製器發展路線（xiàn）圖中提出，到 2025 年（nián）電控效率＞ 98%，密度 100kW/L，成本 2.7$/kW。對（duì）於電動車來說，高壓（yā）化可大大減少同等功率需求條（tiáo）件下電驅動總（zǒng）成內組的損耗，提高係統效率，繼（jì）而可進一步減少達成同樣續航裏程條件下的電池電量。減少電池成本的同時降低整車質量。另（lìng）外，高壓化還能（néng）提（tí）高充電效（xiào）率（lǜ）。因此，提（tí）高電動車整車（chē）電壓至800V，甚至（zhì）1000V是行業的發展方向。
例如保時捷 Taycan 是首款 800V 高壓平台的量產車型，同等功率下，當電壓從（cóng） 400V 提升到 800V 時，工作電流將降低一半，進而線束（shù）體積、功率損耗均有下降。與奧（ào）迪 e-tron 400V 電壓（yā）平台對比，係統能耗損失降（jiàng）低 5%，續航裏程增加10%，質量減少 20%，係統尺寸優化 30%，其中電動機尺寸可優化 35%。
6. 電驅動總成製造技術（shù）
電驅動總（zǒng）成不斷發展，其新的製造技術主要圍繞輕量化、高速（sù）化、低噪（zào）聲及一體化。
6.1 一體化壓鑄
三電（diàn）係統通（tōng）常占新能源汽車質量的30%~40%，因此（cǐ）三（sān）電係統是新能源汽車（chē）輕量化（huà）的主要方（fāng）向（xiàng）。與傳統汽（qì）車相比，新能（néng）源汽（qì）車三電（diàn）係（xì）統將導致整（zhěng）車質量增加，三電（diàn）係統會額（é）外增加200~300kg 的（de）質（zhì）量。新能源汽車動力總成（chéng）係統比傳統燃油車重 1.5~4.0 倍。目前三電係統的電子殼（ké）體、電（diàn）動機殼體、電控殼體、電池構件及電（diàn）池箱都在使用鋁壓（yā）鑄產品，雙電動機桶和電控殼（ké）體如圖 8、圖 9 所示。
圖 8 雙電動機桶 圖（tú） 9 電控殼體
6.2 強力珩齒
由於電動（dòng）車中電動機要求更高的轉速——15000~30000r/min，更嚴苛的噪聲限製NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度），更高精度（dù）的動力齒輪要求——4~5 級，更高的波紋度和表麵（miàn）粗糙度，更高的幾何公差（chà）來降低不穩定（dìng）性，所以要采用強（qiáng）力珩（héng）齒（chǐ）工藝。強（qiáng）力珩齒工（gōng）藝的特點是機床對於磨齒具有更小的退刀間隙，齒麵加工為魚刺紋，區別於傳統磨齒的直線型紋路，此外具有（yǒu）更好的NVH 特性，降低（dī）噪聲，適合高速旋轉的電動機軸。
6.3 行星（xīng）齒輪
錐齒輪（lún）結（jié）構跟傳（chuán）統的（de）差（chà）速器（qì）差別很大，采用（yòng）行星齒輪可實現小型化，多個外部齒輪繞著中間齒輪旋轉，行星齒輪承載能力大、體積小，多（duō）個行星齒（chǐ）輪相互配合作用，每個齒輪傳動之間的效率損失隻有（yǒu） 3%，幾乎無反衝。行星齒輪如圖 10 所示（shì）。行星齒輪加工工藝流程為 : 鍛造（zào）→車削→強力刮削→熱處理→磨孔珩孔→平麵磨→珩（héng）齒→清洗。
圖 10 行星齒輪
6.4 切削技術
電動機是新能源汽（qì）車的核心部件，其（qí）製造要求高精（jīng）度、高效率和高可靠性，特別（bié）是切削精度直（zhí）接影響汽車的質量。很多刀具企業針對驅動電動機殼可（kě）提供整體解決方案（àn），例如森泰英格的鏜刀（dāo）（見圖 11）采（cǎi）用合金鋼整體輕量化（huà）設計，刀體質量控（kòng）製在 18kg 以內，多台階 PCD 導條式（shì）可（kě）調鏜鉸刀（dāo），多切削刃，內冷設計。相較於單刃鏜刀，可提高效率 6 倍以上。另（lìng）外森泰（tài）英格自主研發的可轉位強力車（chē）齒（chǐ）刀（見圖 12），采用高剛性精密（mì）定位接口技術和複合基多熵納米塗層技術，刀片耐磨性更好，壽命更長。
圖 11 鏜刀 圖 12 車齒刀
電（diàn）動機（jī）軸花鍵的加工方法有很多，以往主要采用車削、銑削、滾切和磨削等（děng）加工方法。滾軋刀通過數控（kòng）機床進（jìn）給的優點是刀具可以在任意位置切入工件，而不像傳統的搓齒工藝（yì）工件成形圈數受齒條長度（dù）限製。如（rú）圖 13 所（suǒ）示為恒鋒工具（jù）股份有限公司開發的滾軋刀。
圖 13 滾軋刀
隨著電驅動（dòng）的一體化，電動（dòng）機軸（zhóu）最受青睞的加工方式還是冷擠壓成形工藝，冷擠壓的工件（jiàn）尺寸（cùn）準確、強度（dù）高。從生產廠家角度（dù）講，冷擠壓工藝節約材料，生產（chǎn）效率（lǜ）高，適用麵廣。
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