年4月26日，精进电动科技股份有限公司首席技术官蔡蔚，在百人会未来出行学院课程上做了“电驱动系统效率提升与技术发展趋势”的演讲，并与学员现场展开互动。本文在课程的基础上进行编辑和整理。文章比较长，约字，预计阅读时间26分钟。欢迎分享和收藏。

本文将通过以下三部分，介绍新能源汽车电机与电驱动系统及相关零部件的技术发展和未来趋势：

一、汽车电动化的动因

二、电机系统总览

三、电机系统产业链未来发展趋势

一

汽车电动化的动因

我们做一个比较，假设电动汽车所使用的电%来自于煤发电，让其与燃油车比较清洁度：

根据春夏秋冬不同季节在不同区域使用电动车的电耗统计数据，1.6t以下A级车和B级车的百公里电耗分别约为15-20度和20-30度电左右。

据统计，年时，煤电厂每发一度电将排放小于等于6克与雾霾相关物质，包括有毒气体、微颗粒、氮氧化物等；到了年，这项数据降为1克/度电，而年的污染排放已经进一步下降。

假设输电过程有6%的电力损耗、充电期间有10%的电力损耗，可以算出，年时，电耗30度的B级车，其排放仅为国六排放标准限值的一半左右。众说周知，内燃机车辆的国六排放标准尚未实施。可见电动车比传统高效燃油车的污染排放更低。

电动车比燃油车更清洁的结论是在假设电动车%用的是煤电的极端情况下得出的。实际上，中国目前只有65%-68%的电来自于煤发电。随着电力产业和国家国民经济的发展，政府已经出台了规划，到年时，将只有13%的电力来源是煤发电。可再生能源包括风能、光能、潮汐发电、水利发电、核电等占比将逐年提高。按照这个规划来看，以特斯拉modelS为例，目前每公里二氧化碳排放为g，到了年（仅13%的电力来源为煤电）时每公里二氧化碳排放为58g。可见，考虑到国家长远电力发展布局，随着国家电能的清洁化，电动车二氧化碳的排放将逐步下降。上述数据是假设特斯拉ModelS在技术上未做任何改进的情况下保守估计的。实际上，将特斯拉电动车的感应电机升级成永磁电机等，也会降低其二氧化碳的排放，使其更加绿色节能。

尽管目前电动汽车对于减少碳排放的贡献还较小，但是随着电能不断向清洁化进展，电动车将逐步达到真正意义上的节能减排。也就是说，电动化汽车的节能减排不仅跟汽车有关，而且跟能源的清洁化和高效利用息息相关。可以说，能源清洁化和汽车的电动化是国家长期的战略布局。

此外，国家的节能减排政策法规日益严苛，要求传统汽车企业平均油耗在年达到5L/km、年4L/km、年3.2L/km，没有汽车电气化很难达标。最近双积分政策正式上线，使得汽车电动化不再是一个可选项，而是一个必须项。这样的规划不仅仅是中国，全世界也是这样。例如美国加利福尼亚州要求整车企业在加州销售的汽车其运行期间零排放车辆的占比从年的4.5%提高到年的22%。

二

电机系统总览

目前中国存在一大批汽车驱动电机供应商。据不完全统计，在册的有个新能源汽车电机供应商。考虑到汽车行业特点，个人认为只需要十几个，最多二十个就够了。多而散是中国汽车零部件企业缺乏全球竞争力的原因之一。

传统动力总成以发动机和变速箱为核心，未来将会发展成由发动机、变速箱、电机共同组成的电驱动总成，后者市场份额将会逐步增大。

除动力电池外，电动化系统总成包括电机、减速器或变速器、电力电子控制器、车载充电器/电源、空调、动力转向和泵类等辅助电驱动等。随着汽车的电动化，原有燃油汽车上的辅助系统都将逐渐电动化。

1.车载充电器

个人认为，普及电动汽车，最简单的办法就是使用车载充电器。车载充电器能够让电动汽车避免充电站位置的限制，只要有安全保障的插座，就可以进行汽车充电。特别是慢充，不能借用传统汽车建集中建加油站的思维打造大型充电站。当然，对充电环节还是需要进行安全防护的，充电站建设主要是为了快充，特别是在高速路休息区等。

2.算法与软件

算法和软件将电驱动系统各个环节连接在一起，就形成了动力总成。可以说，算法和软件是最重要的。世界各国，特别是我国的电动车混合动力效率没有做到极致，主要原因除了电机系统自身硬件的原因外，算法协同不到位和软件开发做得不到位是主要短板。算法和软件需要引起重视。

算法和软件同时包含了通讯和网络，未来，车一定是联网的。

3.发动机与电机的区别

一是运行方式。在转矩转速平面上，发动机只能运行在第一象限，即朝一个转向输出转矩；而电机则可以四象限运行，即朝正反转任意方向旋转时既可以驱动负载又可以制动馈电。

二是变速箱的使用。因为发动机从静止到怠速不能输出转矩，故没有变速箱它是无法驱动车辆的。而电机则不然，它从静止即可恒转矩运行直至设计转矩拐点，即恒转矩输出直到接近最大功率所对应的转速。尽管变速器可以帮助提升起动转矩和拓展最高车速，但由于电机可调速范围宽，汽车电动化有利于降低变速箱的复杂性。仅用减速器不用变速器，电驱动系统仍可满足电动车在各种工况下的行驶需求。

目前来看，主流的纯电动车主要采用减速器，较少采用变速器。故对电机转速要求越来越高，传统汽车的发动机转速最高rpm，而市场上销售的电动车驱动电机大部分都在rpm以上。因为电机的大小与转矩需求成正比，减小电机转矩有利于其轻量化。而电机输出功率是转矩和转速的乘积，所以轻量化电机可以通过提高其转速来满足功率需求。因此，与减速器搭配的电机转速未来会向、甚至rpm的高速发展。

电机的转速提升，一方面受转子机械强度和轴承寿命限制，也会引起其铁耗增加，另一方面高速齿轮的振动和噪音也是不断升速的制约。如果使用两档变速器，电机就不见得需要那么高的转速。因为设计了低速档，可以通过齿轮使电驱动系统在车辆低速区间的输出转矩提升，以满足电动车坡起和加速需求。电机配两档变速器可以满足电动轿车需求，但是大型工程车以及欧美等国要求兼顾起动转矩、爬坡速度和最高车速等指标的商用车等仍然需要电机配4档以上的变速器。对于特殊用途的电驱动系统变速器档位少了，会造成电机尺寸和系统重量、成本等增加。

三是机械零部件，例如齿轮、花键轴、轴承等。传统燃油车要求转速在-00rpm，而新能源汽车则要求rpm甚至更高，这对于机械零部件的精度和加工工艺要求有很大区别。另外，新能源汽车的电机驱动与制动回馈导致齿轮和花键两面受力、易损程度增加、寿命受挑战，因此传统燃油车向新能源汽车转型的同时，机械零部件也要同步更新换代。

4.功率电子器件

功率电子器件在传统燃油乘用车和商用车上分别是是12V、24V，个别特种车型使用42V。但新能源汽车驱动系统中，车载动力电池提供、、VDC，甚至VDC的高压。使用高压的前提是，技术和安全必须有保证。控制器与安全相关的功率器件主要是IGBT、回流二极管、电容和母线汇流排等。控制算法和软件架构对安全的影响也不可忽视。

5.电机分类

（1）直流电机

提及调速电机，大家首先想到直流电机调速简单、平滑，但是直流电机缺点是换向器的可靠性比较差。在电动运行状态，换向器用于将电源的直流电转换为电枢绕组的交流电；在发电运行状态，换向器用于将电枢绕组的交流电整流输出直流电。直流电机的重量、换向器和电刷可靠性、寿命等使其除了在低速电平车外，几乎没有应用。

（2）开关磁阻电机

开关磁阻电机具有结构简单、可靠性高等优点，但也存在低速转矩波动大和振动噪音等问题。后者是阻碍它成为电动车驱动电机候选的主因。我本人花了十年左右时间研究开关磁阻电机，但是到现在为止，也没有彻底解决低速的转距波动和振动噪音问题。其振动原因在于断电时定子铁芯径向电磁力突然消失，相当于弹簧崩开，给弹性定子铁芯造成振动和噪音。可以尝试主动降噪的控制方法，即在断电产生定子振动的度相移时，给定子施加电流脉冲，让两个脉冲激励的相位相反的振动相互抵消。

有些厂商尝试做了开关磁阻电机的样车，但几乎没有厂商在量产电动车或者混合动车上使用。东风曾经在奥运示范混动大巴上搭载过开关磁阻电机，现在也不再使用了。

（3）轮毂电机

理论上，轮毂电机是可以提高效率，降低电耗，即在工况运行下节能。但未来五年，轮毂电机只能做到很小量的量产。尽管科学的问题都解决了，但仍有很多工程实际问题尚未解决。例如，轮毂电驱动输出转距要求高，无论对直驱电机还是带减变速器的电驱动总成，狭小的安装空间要集成电驱动和刹闸制动系统实属挑战，特别是对乘用车应用；轮毂电驱动使簧下质量下移，导致汽车的舒适性和操控性下降；制动方案及制动系统散热如何实施和设计？涉水密封问题、寿命问题、抗冲击问题等一系列工程问题都是在量产前需要应对的挑战。

总结来看，轮毂电机尚未解决的难题包括机、电、热和密封等问题。

（4）轴向气隙电机

轴向气隙电机能够提高功率密度，有益于轻量化。但用于作汽车驱动时，会遇到一些问题：第一，轴向气隙电机内孔小，以致不能安装布置其它部件，这是个小问题。第二，轴向气隙的电机中心轴加工和安装误差，会在半径大的气隙处被放大导致气隙变化较大，造成了这个电机的振动噪音和不稳定等一系列问题。

轴向气隙盘式电机有用在新能源车上的，但是用得不多，轴向气隙电机搭载量产车的现在也没有。所以在推动此类电机上车需要解决一些工程技术的问题。盘式电机也叫碟式电机，业内有人在推动无定子铁芯的碟式电机，无铁芯定子绕组置于转子上磁体和下磁体之间，虽说其效率很高，一个汽车驱动电机的重要问题被忘掉了，即车辆要求电机转速可调。车不能只在零速或者定速，例如每小时公里速度下运行，车辆要不断变化速度，变化速度就需要控制器调速。提速电机需要有漏电感，没有电感无法调速。而无铁芯的定子绕组的电感微乎其微。为了解决调速电感的问题要串上一个电感，用有铁芯的电感去解决无铁芯产生的问题，显然缺乏工程思维。

（5）双转子电机

将发动机轴连接电机内转子上，驱动轴与中转子相联，电机外层安装定子绕组，具有两个转子的电机就叫双转子电机。原理上，由上述双转子电机构成的电驱动总成等效于丰田Prius由双电机和行星齿轮构成的机电耦合动力分流混合动力变速箱。业内科学家已经证明，双转子电机本身性能很好，但是实际工程问题却很难解决。例如，有绕组双转子，如何保持动平衡，特别是在高速运行时？外轴承、内轴承之间如何协调？如果用永磁转子，如何保证永磁转子机械强度等一系列的问题没有得到工程解决方案。一个很好的科学研究课题要转化成工程产品，行业尚需更进一步的努力。

（6）爪极电机

爪极电机机构简单，广泛应用发汽车发电机的重要原因就是成本低。但是，其效率（70%）和功率密度均太低，故不宜选作新能源汽车驱动电机。

（7）直线电机

将旋转电机沿周向排布的定子A、B、C三相绕组改成沿周向排布，将其转子沿周向排布的永磁体改沿轴向排布。至此一个旋转电机就被改成了沿轴向移动的筒状直线电机。因而电机可以助推活塞沿轴向移动，这样的机电系统，就形成了机电混合动力系统。

这项技术目前技术尚未成熟，也没有量产产品，企业需要慎重考虑是否尝试开发基于该技术的混合动力系统。与轮毂电机一样，直线电机可能也是未来的一个发展方向，但是前提是解决工程的“卡脖子”问题。

（8）混合励磁电机

电机转子沿轴向分成两段，一段电励磁，另一段装永磁体。混合励磁电机既有电励磁又有永磁，更容易实现弱磁控制。存在的问题：转子只要分成两部分，可能导致整体系统存在一系列的控制方面的问题；工程问题仍待解决。目前，有部分专家和企业在研究这一技术。

（10）电励磁电机

电励磁电机实际上就是同步电机。其优点是：可以通过调节电流大小来控制励磁强弱；高速运行时弱磁容易；通过减小励磁电流，与永磁电机通过增加定子电流的去磁分量弱磁不同，同步电机是通过减小励磁电流实现弱磁，因此在高速运行时效率比永磁电机高。

缺点也很明显，例如：将直流电通到转子上，必须要装电刷和滑环，而装电刷装置会导致电机可靠性变差；如果电刷性能差，还会导致电阻变大；电刷加工不好还会导致接触不良等问题。

目前来看，这一技术也有些企业在做，例如德国宝马等。

（11）永磁助磁电机

在定子铁芯上加装永磁体，形成永磁助磁。目前来看，永磁助磁电机存在两个问题：

一是定子绕组中的交变电流在导电永磁体中产生涡流，导致永磁体发热。在转矩调节时或高速下尤为突出。

二是永磁体在低温下性能较好，随着温度的上升，性能逐步下降，一般稀土永磁体的运行温度区间在度到度，最多不超过度。稀土永磁体到了度的居里点就没办法发挥功效了，相当于一块废铁。但是定子的运行最高温度要求一般在-度左右，故让永磁体与定子绕组为邻，具有较高的退磁风险，永磁体退磁会产生转矩安全问题，非常棘手。

与感应电机相比，永磁电机的优势十分明显：永磁电机在保证与感应电机输出同样功率的情况下，体积可以做得更小；在低速运行时，损耗比感应电机降低四分之一甚至更多。例如，60千瓦时的电池，使用永磁电机，可以降低电耗8%到10%，增加续航里程10%。目前，早期使用感应电机的特斯拉，其Model3已经改成永磁电机，并且决定将来新产品也将采用永磁电机。这也从侧面说明了永磁电机的确是一个发展方向。

永磁电机转子的损耗非常小，但若使用电镀涂层，无论使用何种金属电镀，都会产生损耗，从而产生热量，导致效率等性能下降。解决这一问题的方式很简单：使用绝缘涂层。但是绝缘涂层的成本比电镀高，所以很多企业仍然选择使用电镀的方式。

讲几个基本概念。电机的电感跟匝数的平方成正比，跟磁导成正比。感抗是单位电流所产生的电势，等于角频率与电感之积。电角频率和机械角频率之间差一个极对数，原因是当机械转一圈的时候，对于有P对极的电机，绕组的交流电就变化了P次，而交流电每变化一个周期就是电角度度。机械上转度，电机有几对极，交流电就变化了几个度，因而电角度和机械角度之间差一个极对数P。电角频率和电角度与机械角频率和机械角度之间差一个极对数P的关系很重要，应该记住。

将多相电机变换成两相电机给用统一的方法分析和控制电机提供了方便。尤其是对圆周方向上磁路不相同的电机，用交轴（q轴）和直轴（d轴）来表达是很有必要的。这个叫q轴，永磁体在转子表面发出和接收磁力线的中心线叫直轴，其正方向一般定义为与永磁体N极发出磁力线的方向一致，S极接收磁力线被视为直轴的负方向。图中直轴正负方向的的中间线定义为交轴或q轴。交轴和直轴之间差了90度电角度，惯例将q轴的正方向定义为超前d轴正方向90度。你可能注意到，对于图中这个两对极的电机这哪里是90度，分明是45度。正如上述所言，机械上转度等于电的转了P对极，即P个度，所以对这个两对N-S极电机而言，45度机械角度乘上2就是90度。同理，如果电机是四对极，机械角度22.5度就是电角度90度。

这里是三相交流电机的截面图，A代表电流进去X流出去，B代表流进去Y流出来，C代表流进去Z流出来。给ABC三相通上交流电，电流变化就形成了磁场在空间的变化。定子三相绕组固定不变，当定子绕组通入三相对称交流电的时候，就会形成磁场在空间旋转。对于三相交流电是对称的，绕组设计也是对称的，旋转的磁场的轨迹就画出来一个圆。如果电流或绕组不对称，画出来就是一个椭圆。椭圆磁场要产生额外损耗，圆形磁场是我们追求的理想的状态。这里简单地做个科普，主旨是为后面讲授方便。

我国早期设计感应电机，用的是设计程序的个公式，将公式变成计算机小程序进行仿真计算。但是现在很少有人用个公式设计电机了。转矩的纹波、电磁力的波动，磁路的不均匀等，靠机械地运用公式去算是不准的，所以数字方法应需而生，有限差分、有限元、边界元等工具集成，通过建模的方式进行仿真分析。数字仿真的好处是可以不断地尝试方案迭代寻求优化，而且工作效率很高，但缺点是对原理不求深解，往往存在盲目性，对输出结果缺乏深入判断。

多物理场耦合优化设计包括电磁仿真、结构设计、发热冷却分析、振动噪声设计等。设计的平台就包括有限元的数字计算，前处理，后处理。最后从多个选项中找出可选择的折中方案。

丰田普利斯动力分流变速箱中两个电机，一个用集中绕组、另一个用分布绕组。丰田冷却用集中方式灌油，如果各个绕组中间有空的话，油将被泄漏。为了使冷却油连续流过定子绕组端部，丰田将集中绕组各个线圈组的端部灌胶封装成一体，以改善冷却效果。我的专利技术与之不同：在油道上设计多个喷油嘴，每个喷油嘴都对着电机的绕组喷油，电机端部绕组封装也可以不封装。为了避免油沿着歪管壁流，喷油嘴要凸出，油嘴的喷口和分布应需求而控制设计。总之，很多油冷问题都需要考虑。

如下是吉利帝豪动力分流混动箱用的机电耦合系统，这是典型的四轴2制动器，3自由度的系统。有人说丰田的专利把所有的动力分流混合动力系统都覆盖了，别人没法绕过丰田再做了。科力远-吉利系统说明，世界上没有穷尽的东西，只要肯登攀。丰田现在把其专利都开放了，技术壁垒已经被打破。但专利开放后，照着专利造，也没有那么简单。制造业，十年仍磨剑。

（12）发卡式电机

发卡式绕组是本世纪初发明的。电机最早用作驱动电机，是通用汽车将美国雷米的电机装在雪弗莱-Tahoe双模混合动力汽车上。主要优点是槽满率高、电阻低、散热好（特别适合油冷）、转矩/功率密度高和便于批量制造等。年左右，凯迪拉克-Escalade、BMW-X6，奔驰-ML、道奇-Durango等10余款混动车采用发卡式绕组电机。后来日本的丰田、本田、上汽等也开始转型升级为发卡式电机。经过近20年的发展，发卡式绕组已经成为全球各大主机厂竞相追逐的电机技术路线之一。

电机的反电势正比于电流频率、绕组串联匝数合每极磁通量。电机的转速升高会导致频率升高，而频率升高就会导致反电势升高，如果反电势超过电源电压，就可能会导致失控或者控制器失效。故当绕组产生的反电势高于电源电压时，就要想办法把磁通降下来，即弱磁控制，因为制造完成的电机匝数是固定的。

纵观丰田汽车驱动电机的四代产品演化过程，丰田前三代电机只是把永磁体沿着轴向分了很多段，最新一代（如图所示）电机的永磁体沿着辐向或周向也被细分成多段，目的是减小永磁体的涡流损耗。通过降低永磁体的发热，增加电机在高速运行时的性能，并维持较小的性能变化。另外，丰田前三代电机永磁体采用V形排布，第四代在V形排列基础上，增加了一个“横”，称谓三角形或?排布。实际上，精进电动年在国家“”课题中为宇通开发的高转矩密度大巴驱动电机就引入了磁钢的?拓扑排布。近期被越来越多的驱动电机所采用，主要是为了增加凸极比，即交轴电感Lq与直轴电感Ld之比，以提高电机的磁阻转矩。

值得一提的是，目前每台永磁电机所使用的永磁体总量也在不断下降，丰田、宝马、奔驰、雷克萨斯一系列电机单位输出功率的永磁体用量在不断减小。性能在不断提高的同时少用永磁体，降低成本。另一方面，受资源和成本双重压力，稀土钕铁硼永磁体中镝和铽的含量也呈逐步下降趋势。

6.手工下线与机械下线

从测试结果看，对于采用圆股线绕组，手工嵌线的电机性能比自动化机械嵌线的电机性能要好，原因是手工下线电机的端部绕组较短，而机器下线的端部绕组较长而致电阻大。但手工下线无法高效地大批量生产，且一致性不能保证。因此，自动化机器下线是汽车电机量产的工艺选项，因缩短端部绕组的长度对于分布绕组电阻和尺寸来说都很重要，故下一步要重点突破缩短机器下线电机的端部绕组长度。即使自动化机器下线，也离不开人工整理端部引线和套绝缘套管。减少人工介入，也是要花精力研究和探索的问题。

三

电机系统产业链未来发展趋势

1.集成模块化

将高速电机、减/变速器、高功率密度功率电子控制器三大件深度集成，形成更轻、更节能、成本更低的“三合一“纯电驱动系统。纯电动车的高性能、低成本“三合一”电驱动总成与电动车集成化和平台化的趋势是吻合的。大量的国内外供应商正在推出各种“三合一”系统。可见电驱动系统也从初始的“分立式”向“集成化、一体化”发展。现将三个分离部件组成的电驱动系统与“三合一”集成系统的性能进行比较如下。

首先在VDC电压下，测得控制器、减速器和电机的效率，将三个数集乘起来即得出“三合一”电驱动系统的效率。不难发现，系统效率云图形状比较接近电机的效率云图。要想使系统效率最高，就要保证三个主件的高效点都聚在“转矩vs转速”平面的同一区域，这个通常是系统设计和软件算法的协同任务。

其次，在VDC下对这个“三合一”系统重测结构如图，图中是将电机的的转矩和转速转换到车轮侧画出的。结论是（1）低电压下的系统性能不如高电压的：在加低电压对应的转矩拐点以下，低电压压和高电压下的系统性能几乎一样，但是在低电压对应的转矩拐点以上，升高电压使拐点向右移，电机功率变大。因此电压升高，同样大小电机会多出功率。电压升高使同一电机在拐点右侧的效率提高，这是行业在不断提升电压的原因。趋向是从当前的~VDC逐步提高到VDC。是否会进一步提高到0VDC？那是值得讨论的事，因其事关元器件基础、车辆平台和安全等。

精进电动把二合一（减速器、电机）变成三合一（控制器、减速器、电机），使其体积变小、效率更高、成本减低了。

2.提高效率

在NEDC工况下，电机转速在0~rpm区间，转矩少于50Nm下的运行状态占总体运行区间的80%。所以，为了减少能耗（电耗或油耗），提高这一区间的系统效率是非常重要的。另外，NEDC工况与中国工况CLTC有所区别，两者比较发现中国因为堵车情况严重，因此运行区间处于低车速（对应电机低转速）的工况多些。所以在提升效率时，也应该