四、电驱系统趋于成熟，技术创新有望催生新增量
（一）乘用车电驱陷入红海，技术革新优化成本效率
电控驱动电机系统是新能源汽车核心系统之一，其性能决定了爬坡能力、加速能力以及最高车速等汽车行驶的主要性能指标，也关乎驾驶者的操控体验，同时电机也充当动能回收中的发电机的角色。目前市面上常见的主要有直流电机、异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。
新能源汽车驱动电机在性能方面的特殊需求主要体现在功率密度高、调速范围宽、起动转矩大、高效区间广、散热需求强。
功率密度高：电机的尺寸和重量直接影响汽车的动力性能和驾驶体验，电机设计的方向与难点在于体积小、质量轻、功率大，尽可能提高功率重量密度和功率体积密度。
调速范围宽：广阔的调速范围可以帮助新能源汽车省掉多挡变速箱，只使用固定档的齿轮组，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，最高转速可达到基础转速的4倍以上。特斯拉Model S基本款的电机最高转速可达 18000 转／分钟，比亚迪E平台3．0的电机最高转速超过17000转／分钟。
起动转矩大：由于新能源汽车强调百公里加速等性能指标，甚至部分主机厂为了加速需求会选择双永磁同步电机的方案，新能源汽车的驱动电机在起动或低速时要求超高转矩，将汽车速度以最快的方式泵升至期望速度。
高效区间广：电机效率直接影响续航里程，所以对于电机的效率要求很高。新能源汽车的驱动电机需要拥有尽可能广的高效率运行区间。正常路况下汽车不会频繁起动，也不会持续超高速运行，更多的是在匀速行驶中加速或减速，因此中间部分运行效率就尤其重要，目前永磁同步电机的核心问题在于高效区间转速偏低，一旦高速化后弱磁将会导致效率直线下降。
散热需求强：由于新能源汽车驱动电机对功率密度的高要求，散热问题也随之而来。1 台 150KW 的传统动力系统总成，体积大概在409L。峰值功率150KW的电动汽车动力系统总成，体积只有 82L，大约只有传统动力总成的20％。小体积内的高功率，导致散热、机械振动、电磁兼容、NVH 啸叫等问题都需要解决。电机的能量转换效率大约在 90％以上，峰值效率大约在 95％左右，平均能量损耗大约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。
针对以上的需求，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、转矩大、运行平顺、调速性能好的优点，几乎已成为乘用车电机的首选方案。
对于电机本体而言，近年来乘用车领域技术创新点集中在以下方面：
高速化油冷趋势：驱动电机的发展方向围绕高功率密度和小体积，意在保持同样的动力输出的情况下减少电量消耗，提高续航里程。因此电机高速化是必然，油冷由于其更好的散热和绝缘性能有望替代水冷和风冷方案，特斯拉、宝马、比亚迪、丰田等多家主机厂的部分车型均已经搭载油冷电机。
扁线趋势：扁线由于其相较传统漆包圆线更高的槽满率，能够有效降低电机体积提高功率密度，国内普遍扁线电机功率理论密度可达5kw／kg，高于普通圆线电机的3kw／kg。整体材料成本上扁线电机也低于圆线电机15％，并且在电耗上能降低15％的成本。同时扁线电机生产环节自动化程度比圆线电机通常情况下高10％，也有利于大规模产能的扩张。
双电机方案：永磁同步电机启动转矩大、高转速工况弱，而感应异步电机启动转矩小、高转速，工况强，二者互补，以特斯拉、比亚迪为代表的电动车龙头企业往往选择前驱感应异步电机搭配后驱永磁同步电机组成双电机系统。同时也有主机厂为了加速性能选择双永磁同步电机方案，牺牲高速工况下的续航，国外也有诸如保时捷等主机厂会选择单电机＋变速箱的形式来获得同等动力输出。
电子换挡电机：通过半导体元件对绕组进行切换，从而获得不同工况下的电机特性；例如低速下的高扭矩，高速下效率提升等，有望替代乘用车的双电机方案或商用车领域的电机＋变速箱方案，目前尚未量产出货。
轮毂／轮边电机：分布式驱动受限于成本因素尚未能大规模推广，目前多用于商用车与军用场景。国外以外转子方案为主，国内选择多为内转子，当下电机的散热与簧下重量等难点尚未完全解决。
（二）驱动单元集成化，系统效率显著提升
主机厂在动力性、经济性方面的整车需求倒逼电驱动产品的低成本、高性能、小型化和轻量化，总成类产品通过将不同零部件的集成实现更高的功率密度与冷却性能，同时降低电驱动系统成本。
国内外主流车企电驱动系统有多种集成形式，包括三合一、四合一、六合一、七合一等。其中三合一电驱动系统＝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量量产；2020 年，集成式电驱动系统占比超过 50％。根据 NE 时代公布的数据，2021 年，三合一及以上的产品占据了整个新能源乘用车电驱系统装机量的 53．85％。
目前比亚迪／弗迪动力的“八合一电动力总成”集成度较高，集成了驱动电机、电机控制器、减速器、车载充电器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增加，散热相关的结构设计、系统稳定性、生产工艺成熟度等成为待解决的核心问题。
（三）SiC MOSFET 替代 Si IGBT，高压平台趋势确定
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，整车价值量占比20％。
电机控制器由逆变器和控制器两部分组成，其中逆变器的核心组件为IGBT模块，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，给驱动电机提供能量。另一方面，控制器接收从加速踏板、刹车踏板和变速箱档位输出的控制信号，并监控电机状态（转子位置、温度、电流和电压），通过调节驱动电机输入侧的电流和电压，控制驱动电机正常运行，最后通过减速器、传动轴、差速器、半轴等机械传动装置带动车轮旋转。
数据来源：势乘整理
新能源汽车电控系统需适应频繁启停与加减速、扭矩变换，具有较大变速范围；而混合动力汽车电控系统还需处理驱动电机启动、发电、能量回收等功能。因此对电机控制器有高控制精度、高动态响应速率、高安全性与可靠性的要求，直接影响整车性能。
IGBT（绝缘栅双极型晶体管）功率模块作为电控系统的主功率变换元器件，占电机控制器成本的比例接近1／3，是电机控制器的核心。我们可将单个IGBT芯片看作一个理想的开关，在模块内部搭建起若干个IGBT芯片的并串联结构，当直流电通过模块时，通过不同开关组合的快速开断，来改变电流的流出方向和频率，从而输出交流电。
IGBT长期高负荷运转，其内部芯片温度可达50－80℃；其一般预期寿命大于20年，功率循环上万次甚至百万次。因此需通过热循环、热冲击、功率循环等一系列测试以保证其可靠性与散热性，车规要求非常严格。数据显示，中国新能源汽车IGBT电子产品约90％均为进口。
特斯拉率先使用SiC MOSFET替代Si IGBT。与 Si 基器件相比，SiC 器件具有体积小、功率大、频率高、能耗低、损耗小、耐高压等优点，随着电压等级、功率等级和开关频率的提高，SiC优势逐渐显现。其对于新能源车的优势体现为：
能量损耗低，提升续航里程。SiC模块的禁带宽度远大于Si，使开关损耗和导通损耗显著低于同等IGBT模块，有助于降低电池用量。
更小封装尺寸，提升功率密度。相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小。
实现高频开关，可耐高压。SiC材料的电子饱和漂移速率是Si的2倍，有助于提升器件的工作频率。高临界击穿电场的特性使其能够承受高压，克服IGBT在开关过程中的拖尾电流问题，降低能量损耗，减少无源器件如电容、电感等的使用，从而减少系统体积和重量。
耐高温，散热能力强。SiC的禁带宽度、热导率约是Si的3倍，热量更易释放、可承受温度更高，冷却部件小型化，有利于系统的小型化和轻量化。
但目前SiC器件的成本相对较高，未来随全球半导体厂商加速研发及扩产，衬底良率和晶圆利用率的逐步提高，器件成本将有效降低。
（四）BMS进行电池安全性管理的重要性被进一步放大
BMS对电池进行监控和管理，通过对电压、电流、温度以及SOC（State of Charge，电池的荷电状态）等参数采集、计算，进而控制电池的充放电过程（防止出现过充和过放），以实现对电池的保护并延长使用寿命，提升电池综合性能，是连接电池和车的重要纽带。目前新能源车的80％故障来自于电池包，电池包的80％故障又来自于BMS。
BMS应用的大背景主要是锂电池大量生产时品质不易掌握，电芯出厂时电量可能有细微差异，且随操作环境改变等因素，电池间不一致性明显，所以需通过BMS准确量测电池组使用状况。
BMS按拓扑结构可分为集中式和分布式。集中式常见于容量低、总压低、电池系统体积小的场景，如机器人、IOT智能家居、电动低速车等。分布式由2－3个从板采集所有电池模组，通道利用率较高，节省成本，系统配置的灵活性高。随乘用车动力电池系统向高容量、高总压、大体积方向发展，混动、纯电车型以分布式架构为主。
BMS核心在于SOC的估测算法，属于BMS核心控制算法，其精度和鲁棒性（纠错能力）极其重要，国内主流厂家一般常温可以做到精度6％以内，在高低温和电池衰减时的估算是难点。实际应用中常常是多种算法混合使用。此外随着汽车高端化，主动均衡算法技术也将成为未来的发展趋势。当前被动均衡管理由于成本低、复杂度和故障率低，而被广泛运用。但主动均衡是将能量从多的单体向少的单体转移，不会造成能量损失，可消除电池单体的不一致性、减小木桶短板效应影响，但其结构复杂，成本较高，对电器元件要求较高。
三元锂电池的安全性能稍逊，单体电池容量少、数量多，BMS在其中起到关键性作用。如特斯拉18650电池，一个电池包含7000多个单体电芯，BMS难度很大。
未来BMS将沿如下方向迭代和发展：1）边云结合：在云端进行数值计算（SOC／SOH），管理计算（均衡／热管理）借助云端算力。2）无线BMS解决方案：由德州仪器 （TI）于22年1月发布，功耗低、可扩展性强、减少线缆和连接器、提升整包能量密度、主从板间无高压风险，可以大幅度提高电池管理的可靠性、精度，降低整体成本。
五、总结
经历了2022年新能源汽车的高速增长后，我们认为未来汽车电动化将会有以下几大趋势：
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，传统主机厂优势明显，新势力将可能面临较大的现金压力，整体新能源汽车渗透速度将放缓，但是出海市场仍有较大机会；
2、受上游原材料结构性紧缺及制裁影响，缺芯少电的状况将持续，国产替代路径将持续优化，同时我们也预计未来各类电池回收企业将迎来黄金三年的发展时期，包括但不限于各类电池拆解利用、其他路径的电池材料生产工艺等；
3、电池功率密度短期已到达瓶颈，电驱电控方向的优化有利于提高车辆续航里程，国产替代需求催生供应链体系改变，细分领域依旧有创业公司切入机会，对工程化能力有较大考验；
4、新能源电动化趋势已进入尾声，三电系统及基础硬件运动平台已基本确定，创业公司产品陆续得到验证及量产出货，现有体系下市场上不再存在结构性的投资机会，但我们依旧看好其他电池路线与氢能等破坏性的创新应用。
原文标题 : 2022智能汽车盘点（上）：电动化的4大趋势（2）
