QDSJ175 新能源汽车三电系统技术发展趋势

NO.175新能源汽车三电系统技术发展趋势新能源汽车的动力系统包括电驱动系统与电源系统两大类电驱动系统包含电机、电控制器、减速箱，是驱动电动汽车行驶的核心部件；电源系统包含车载充电机（OBC）、DC-DC 转换器和高压配电盒，是动力电池组进行充电、电能转换及分配的核心部件。电驱动产业链涉及环节较多，可以概括为零件—总成—系统—整车厂四大层级。上游零部件包括永磁体、硅钢体、功率模块、电容、传感器等，这一级的玩家对在整车产业链中属于“三级供应商”。在零部件基础上进一步设计组装得到电机总成、电控总成与传动总成，这一级的玩家可以称为车企的“二级供应商”；各个单独总成进一步集成为电驱动系统供货于车企，这一级玩家为行业“一级供应商”。电控系统电控系统是新能源汽车的控制中枢，其重要性不言而喻，电控技术在新能源汽车产业初期发展缓慢，近年来突飞猛进、快速发展，特别是新材料在这一领域的应用尤为突出，以往的新能源汽车普遍采用 IGBT 功率模块，近年来新兴的碳化硅开始应用于纯电动车型，特斯拉、英飞凌、比亚迪、三菱、日 立、中车时代等全球各大 IGBT 生产商都在积极研发新能源汽车的碳化硅功率模块，2018 年特斯拉Model 3 纯电动轿车开始陆续换装碳化硅功率模块，成为全球首款搭载碳化硅功率模块的新能源车型，此外比亚迪、蔚来等整车企业已经开始陆续使用碳化硅功率模块，显著提升电控系统的整体效率和使用寿命，进一步降低能耗，是电控技术未来的发展趋势。DM-i超级混动技术混合动力汽车虽然可以有效解决长途出行的里程焦虑问题，但馈电情况下甚至高于同级燃油车的能耗成为一大诟病，加之普遍高于同级燃油车的售价，使其处境尴尬，销量长期停滞不前。2021年1月比亚迪发布 DMI（Dual Mode Intelligent）超级混动技术，史无前例地取消了燃油动力总成中的变速箱，取而代之的是单速减速器，使用自研的骁云发动机，其热效率高达43%。DMI 系统主要依靠大功率高效电机进行驱动，发动机的主要任务是在高效转速区间发电，并在合适的时机直接驱动车辆，使其轻松实现馈电情况下的超低油耗，比亚迪 DMI 车型在馈电状态下的100 km油耗普遍低至4 L左右，彻底颠覆之前的高油耗，这一显著成效不仅依靠高效发动机，电控系统在其中同样发挥了重要作用。这一革命性技术一经发布，立即引发业界震动，DMI 车型上市后订单积压、供不应求，立即成为市场热销车型，促进混合动力汽车的整体销量。此外理想 ONE、岚图 FREE、金康赛力斯等增程式车型层出不穷，增程式电动汽车的电控技术同样更新换代，持续热销，混合动力汽车市场由于革命性的技术突破重新开始繁荣。 电机控制器：IGBT 掣肘，单管并联纾困电控系统通过电机控制算法发出信号驱动电机转动，进而控制整个车辆的动力输出。电控系统可分为主控制器和辅助控制器：1）主控制器控制汽车的驱动电机；2）辅助控制器控制汽车的转向电机、制动器、空调等。我们本文重点讨论的电控系统主要指主控制器，主要由控制板（接受整车控制器的信号指令，运行电机控制算法，发出控制指令给功率板）、功率板（接受控制板指令，频繁通断 IGBT/MOSFET，控制电机转动）、壳体等组成，在控制器中，控制电路板、功率电路板成本主要在于 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、MOSFET（功率场效应晶体管）、MCU（微控制器）、电源芯片等半导体器件。电控开发需要从硬件、软件两方面协同进步。类似电机，电机控制器的核心指标同样为功率密度、效率，软硬件的优化也是围绕这两大核心主题展开。1）硬件角度，功率半导体单管并联方案将具备高性价比优势，或成 A 级以下车型主流硬件配置；而模组方案凭借更高可靠性，在中高端车型占据核心地位。器件方面，碳化硅逐步渗透。2）软件角度，需要在可拓展性、易维护性、功能安全性等方面的不断提高。功率半导体 IGBT 占电控成本比重较高，主要参与者为国外功率半导体巨头。功率板的核心器件 IGBT 模块，占到电控总成本高达 37%。功率半导体在新能源汽车中的应用可分为模组&单管并联这两种路线，两者有各自适用的场景。模组为高度集成的功率半导体产品，保证了电控成品的可靠性&良率高，同时降低了系统设计的复杂度。以 IGBT 为例，由于车规级功率半导体主要被英飞凌等外资占据，其往往提供特定参数规格的标准 IGBT 模组，然而模组参数往往不能很好适配具体需求，因此标准模组在不同功率的驱动电机控制系统中容易出现容量受限、结构安装等问题。若采用多个 IGBT 单管并联（通过复合母排、冷却装置等部件一同封装），则可以根据不同车型灵活设计冗余量，并且单管成本显著低于模块，在成本要求较高的A 级以下车型使用得更为普遍。但多个 IGBT 单管并联时，由于各单管参数的分散性、输出电流的不一致性，可能使系统可靠性较差，整个 IGBT 模组寿命也会缩短，对企业技术、制造能力考验大，故中高端 B 级以上车型通常使用可靠性更强的模组路线。碳化硅功率器件可显著提高电控效率、功率密度等性能。碳化硅材料具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和迁移速率高等性质，相比硅基 IGBT，碳化硅元器件体积更小、频率更高、开关损耗更小，可以使电驱动系统在高压、高温下保持高速稳定运行（硅基IGBT 只能在 200℃以下的环境中工作）。根据意法半导体，在 400V 电压平台下，相较于硅基 IGBT，碳化硅功率件有 2-4%的效率提升；在 750V 电压平台下，碳化硅器件有3.5-8%的效率提升。除了电机控制器外，碳化硅器件在 OBC、DC/DC、无线充电等“小三电”中也有应用。例如，欣锐科技早于 2013 年正式将 Wolfspeed 的碳化硅方案应用于 OBC 产品，2021 年为比亚迪 DMi 车型提供碳化硅电源类产品。目前制约碳化硅器件应用的主要因素为成本，伴随着未来碳化硅产业链的发展完善，相关器件应用渗透率将稳步提升。软件：电控的进步体现在可拓展性、易维护性、功能安全性等方面的不断提高。1）可拓展性：电控软件开发通常会使用 AUTOSAR 工具链（B 级及以上车把 AUTOSAR 作为“标配”）。AUTOSAR（AUTOmotive Open System Architecture，汽车开放系统架构）是由全球各大汽车整车厂、汽零供应商、汽车电子软件系统公司联合建立的一套标准协议，旨在有效地管理日趋复杂的汽车电子软件系统。AUTOSAR 规范的运用使得不同结构的电子控制单元的接口特征标准化、模块化，应用软件具备更好的可扩展性、可移植性，缩短开发周期。2）易维护性：是指在软件后续使用过程中，及时实现远程更新升级与性能优化。OTA（Over-the-Air）技术可以降低维护成本，创造新的收入来源，目前已经在汽车行业包括其控制器总成上持续推广。3）安全性，电驱动系统的控制器总成对新能源汽车的动力输出进行直接的调节控制，是保证安全性的重要一环。在汽车行业逐步引入 ISO26262 标准之后，基于功能安全的车用软件开发对电控软件提出了新的要求。驱动电机驱动电机直接驱动车辆行驶，是新能源汽车的核心组成部分，驱动电机由于在起步阶段就可以释放出最大扭矩，使新能源汽车加速性能远超同挡次的燃油车，但驱动电机在后程高速阶段中转矩