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巨一科技董事长林巨广:新能源汽车电驱动系统的技术创新路线与建议
发布时间:2022-06-17阅读:2130次 分享
 

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《汽车专家述评》编辑组非常荣幸邀请林董事长拨冗分享巨一科技在新能源汽车电驱动系统的技术创新路线与对产业发展的建议,以期待对中国自主汽车零部件企业的发展提供参考。

新能源汽车电驱动系统的技术创新路线与建议


一、新能源电驱动产业的发展现状与市场形势


      1.市场形势

市场概况。新能源汽车产销量是新能源汽车电驱动系统配套产业发展的基础,近年来在国家政策的大力支持下,我国新能源汽车产业得到长足发展。根据中国汽车工业协会统计数据,中国新能源汽车销量由 2011 年的 8159 辆增长至 2021 年的352.1万辆。在新能源汽车产销量高速增长的带动下,我国新能源汽车电驱动系统市场也呈现出高速增长的态势。

国内外市场需求。电驱动系统作为新能源汽车的“心脏”,对整车的动力性、经济性、舒适性、安全性等指标都起到至关重要的作用。随着新能源汽车整车性能的提升,市场对于电驱动产品的需求正朝集成化、高效化方向发展。三合一电驱产品在国内市场的渗透率持续上涨。据相关机构统计,2021年三合一电驱产品的占比已接近60%,七合一、八合一等高集成产品也已装车上市。国外市场上新一代电驱产品也不断推出,如宝马的第五代电驱动系统E-Drive采用无永磁体或稀土材料的电励磁电机、采埃孚的模块化电驱动组件等。此外,围绕效率提升,在以特斯拉、比亚迪等头部OEM企业的引领下,发卡式扁线电机在国内也已批量推广应用,针对整车800V高压电气架构的高压油冷电机、碳化硅电控产品也相继推出。随着新能源汽车的快速发展,电驱动系统市场需求也发生了大变化,产品进入快速更新迭代期,呈现需求多样化。

市场的发展趋势。在新能源汽车行业快速发展的大环境下,电驱动系统市场规模可期,机会点多,吸引了众多企业和资本进入,如华为、加特可等实力强劲的企业。此外下游主机厂自研、自制趋势愈发明显,导致了电驱动系统市场竞争愈发激烈。在产品需求方面,随着新能源汽车对不同级别车型市场的逐步渗透,电驱动系统产品随车型级别将呈现出分功率段、分技术特征的局面,例如分体式或三合一或多合一、圆线或扁线、水冷或油冷或油水混合冷、400V硅基电控或800V碳化硅电控;电驱动系统产品较以往将呈现出更多的差异化和多样性,以匹配不同定位的整车产品需求。

2.产业发展现状

产业融合开放。产业集群发展方向凸显,在高度集成化的趋势下,多领域融合发展不断涌现,例如电驱动系统企业的并购、电驱动系统与减速器企业间的战略合作、DCDC等多合一企业间的重组等。相互赋能、协同发展成为各行业主体发展壮大的内在需求,跨行业、跨领域融合创新将成为新能源电驱动系统产业发展的时代特征,能够极大增强产业发展动力和市场活力,形成融合开放、互利共赢的产业新格局。

产业发展瓶颈。新能源汽车市场端爆发式的需求,加上原材料成本的大幅上涨,使得电驱动系统供应商的成本压力巨大。此外随着全球半导体产能的日益紧张,而国内汽车级芯片才刚刚起步,尚不成熟;“成本”与“缺芯”极大影响了电驱动产业的发展。


二、新能源汽车电驱动系统的产品技术发展趋势


1.扁线、多合一、800V是绝对趋势

扁线电机因具有高槽满率和低直流电阻,在中低速运行区域较圆线电机具有效率优势。扁线绕组工艺可增加铜的填充量,槽满率提高15%以上,同时与定子有效接触面积增大,绕组温升较圆线电机降低 10%,功率密度增加15%,因此在成本、重量和体积方面更具优势。

电驱动系统在系统层面以集成化为主,将小三电和大三电进行深度集成,组成六合一或七合一系统,实现多部件融合的系统级集成、优化。电驱动系统集成式设计,结构紧凑,使车内各系统布局更加灵活,有利于车企的平台化设计。七合一电驱动总成系统,集成了电机、电机控制器、减速器、OBC、DC/DC、PDU、PTC七大部件,实现了机械部件和功率部件的深度融合,目前已逐步从硬件融合、向电气融合、芯片融合推进,结合新一代多核处理器实现一板多功能,进一步提升系统层面的高集成化、高效率和低成本的优势。

续航里程和充电时间是电动汽车面临的核心短板,而新一代功率器件碳化硅模块具有高温、高效和高频特性,可显著提升电驱动系统的效率、功率密度和开关频率,简化散热设计降低成本;进一步提升整车的续航里程,并且集成高压Booster以实现快充,应用场景进一步扩大。可预见,800V高压平台+超级充电桩技术将成为新的产品趋势。

2.多物理场NVH仿真技术开发

电驱动系统总成噪声形成机理的多样性,传播路径的复杂性,以及高度集成化、小型化、大转矩、低噪声的设计矛盾使得电驱动系统NVH设计面临着诸多挑战,因此电驱动系统的电磁-振动-声学多物理场NVH技术开发显得至关重要。

电磁方向:主要针对电机定子电磁脉动谐波所产生的径向电磁力引起的电磁噪声,建立完善的电磁力仿真评估和优化能力,从设计源头管控电磁NVH性能,同时确保了电磁仿真分析结果与测试结果具备较好的相关性;结构响应方向:除了对结构的避频和避型外,还针对轴承、齿轮等结构所产生的载荷激励进行仿真设计评估,建立减速器噪声振动仿真分析能力,能够实现识别齿轴NVH风险并做出相应优化举措;声学方向:通过耦合电磁和齿轴载荷激励,结合多物理场载荷与总成结构模型,实现电驱动系统的噪声预测,并基于此对设计方案进行快速迭代,通过多目标参数优化,在NVH与产品性能和成本上达到一个平衡。

3.轻稀土技术开发

在PMSM设计中,为了获得更高的磁能积,在磁钢的配方中会加入稀土金属,以获得高矫顽力和高剩磁,但同时又带来高昂的磁钢成本。为了摆脱这种约束,在电磁方案设计过程中,可通过转子拓扑优化和多目标参数优化,调整磁桥数量,提高电机凸极比,增加电磁转矩中磁阻转矩占比,使得永磁转矩的利用率达到最大,减少永磁体的用量。同时根据电磁性能要求,定制化磁钢生成工艺,基于双合金工艺、晶粒细化工艺、渗透工艺、低温长时间烧结工艺的应用,进一步减少重稀土用量,以此降低磁钢成本。
4.智能化提升差异优势

电动汽车整车电子电气架构正朝着分布式域控的方向迈进,主要分为五大域:动力域,底盘域,智能驾驶域,车身域以及智能座舱域。其中基于智能化,对动力域控提出了新的需求:

自我进化:支持FOTA,通过TBOX可以实现在线更新或离线更新动力域控制软件。这也使得软件的快速迭代和新功能的部署成为可能,让驾驶员获得动力系统越来越可靠,功能越来越强,效率越来越高的不断进化的科技感。

体积更小、功能更强劲:动力域控持续深度集成,从最开始的结构集成,到硬件逻辑集成到最后的软件集成,进而可以提供更强的功能,同时对外接口更少、更简单,贯彻越智能越简约的设计理念。例如VCU和MCU通过CAN通信的交互转变为域控芯片内部的CPU核间通信,通信延时至少提高一个数量级,从而响应更快。

主动故障预测:云端通过TBOX收集动力域控的运行状态和数据,通过大数据预测关键器件的寿命和可能发生的故障,同时4S店可以根据故障预测信息提前备货,使得保养和维护更简单、快捷,也大大减少了车辆运行时故障的发生。主动故障预测也进一步彰显了动力域控的智能化。

运行效率持续提升:云端通过TBOX收集动力域控的运行状态和数据,通过大数据分析,持续优化内部标定参数,使系统运行在最佳状态。运行状态和数据也可以作为下一代动力域控优化升级的输入。

5.“安全技术”保驾护航

随着新能源汽车功能需求不断提升,整车软硬件模块数目成倍增长,汽车系统设计愈加复杂,系统的功能安全已然成为人们关注的焦点,而与之配套的电驱动系统则承担着至关重要的安全角色。目前电驱动行业已逐步实施并实现ASIL C等级,同时ASIL D等级要求也逐渐清晰,结合电驱动系统多合一的趋势,其功能安全开发耦合性更强、验证工作也更复杂,需要进一步从测试验证上确保安全机制在系统层面的功能性和准确性。


三、巨一科技在电驱动系统领域的自主创新和产业实践


1.客户导向的自主集成设计

巨一科技以客户需求为本,以产品在整车上的最优性能为目标。通过长期与整车企业的合作,充分理解整车对电驱动系统的要求,在此基础上建立并拓展了自主集成化的设计路线。首先是电机和控制器的集成开发,在吸收传统汽车零部件业务的经验基础上,从业务初始就坚持电机和控制器的协同集成开发,最大限度发挥电机和控制系统的潜能;其次是电机、控制器和减速器的集成,开发集成化电驱动系统,目前公司已成功开发集成化电驱动系统平台产品,系统最高效率达到 94.5%,电机效率高于 85%的高效区占比达到97.4%,产品功率密度能够达到2.63kW/kg。目前,巨一科技是行业内少数可以提供电机、控制器、减速器及其集成正向开发和产品服务的供应商之一。

2.基于动力总成理念的开发和测试

得益于长期在动力总成领域提供变速箱、发动机等产品的智能装测生产线,巨一科技对变速箱、发动机等产品的密封与散热结构、 高精度测量与装配技术、 EOL测试技术等产品和制造工艺技术具有深刻的理解。巨一科技将这些经验积累应用于电驱动系统产品的开发和制造过程,为产品的可靠性和可制造性提供了有力的保障。

3.“双轮”驱动,高速发展

巨一科技在汽车行业深耕近20年,坚持智能装备和电驱动系统双轮驱动发展战略。一方面,智能装备整体解决方案业务使得巨一能够深刻理解汽车行业的发展及变革趋势,抓住市场机遇进行战略转型升级。另一方面,巨一在汽车装备领域深厚的知识技术积累使得公司具备切入汽车核心部件领域的能力。此外,长期为汽车行业服务积累的客户资源和服务经验也为新能源汽车电驱动系统业务的发展奠定了良好的基础。截止目前,巨一已围绕集成化、智能化电驱动系统以及扁线电机、油冷电机、碳化硅电机控制器等下一代电驱动系统相关产品,持续推进创新研发和产业化布局,满足不断增长的市场需求。


四、面向未来的电驱动系统产业发展建议


1.持续的研发投入,掌握核心技术

为了应对电驱动系统快速迭代创新的大趋势,行业应持续增加研发投入力度,为研发体系建设和产业化落地提供有力的资金保障,特别是在高性能驱动电机、碳化硅控制器、高集成度电驱动系统三个方向上,重点开展自主研发,实现产品技术提升,满足高性能指标,尽快形成核心技术。

2.主机厂与第三方的求合存竞现阶段主机厂自供电驱动系统基于先天优势,市场份额较第三方更大。但在技术快速迭代的趋势下,为提高市场竞争力,同时兼顾采购研发成本以及供应链优化,主机厂也会寻求与第三方供应商的合作。但主机厂仍会维持一定的自供比例,作为安全边界,以保证自身的话语权。因此第三方供应商与主机厂的竞合关系也愈加清晰。

第三方供应商面向多客户、多需求,在长期的产品研发和生产过程中积累了成熟的开发经验和技术储备,对于主机厂短期内很难超越。但主机厂的市场渠道、品牌效应、资源整合也是自身的独特优势。双方应进一步求合存竞:首先加深合作,实现优势和资源互补,提升产品综合竞争力,在新能源汽车的爆发增长期,快速抢占市场份额;其次允许存在一定良性竞争,保证产品技术持续研发迭代的生命力,进而推动新能源电驱动产业的持续发展。

3.产业布局与市场需求相匹配

为顺应新能源汽车快速发展,满足客户对新一代电驱动系统产品的高要求,电驱动系统企业应积极推动产业布局,建设与市场匹配的产业化设备,以不断提高自身竞争力。但电驱动系统业务也同样面临来自下游主机厂自制和多方竞争对手的双重挤压,竞争愈发激烈。首先,下游应用车型批量生产上市周期长、产品应用车型终端销售存在不确定性;其次,产品规模化销售前,相关研发、市场开拓及生产准备投入较大,机遇与风险挑战并存。因此在电驱动系统产业布局方面,华体会体育app登录入口应以理性的态度看待新能源汽车快速发展带来的巨大市场需求,深度服务好已有客户,积极稳步开拓优质客户,切忌盲目扩大布局投建,坚持以销定产原则,在产业布局上稳中求进。

4.关注装备和制造能力,迎接规模化时代

电驱动系统作为新能源汽车“三横”关键技术之一,是新能源汽车产业领域中极为关键的部分。随着新能源汽车产业的蓬勃发展,电驱动系统的市场规模将迎来爆发式增长。与此同时,电驱动系统在质量、性能、可靠性、成本等方面的需求也越来越高,这与行业内相对落后的制造能力形成了明显落差。如何提高装备制造能力,进一步匹配快速迭代的技术开发,将成为企业抢占市场的核心竞争力。


预计未来几年,新能源汽车电驱动系统行业的制造集中度将越来越高,随着上游供应越发成熟,产品价格受市场波动影响变小。材料价格的可挖掘空间下降,电驱动系统的竞争重心也将由材料转向挖掘空间更大的装备及制造工程化能力。


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