迎接800V“平权”挑战 哪吒发布高性能电驱战略车讯

提示：面对当前电动传动系统的发展趋势，哪吒汽车推出了“浩智战略”。

2022年12月8日，在由盖世汽车主办的2022第三届汽车电气驱动及关键技术大会上，合众新能源动力总工程师刘平宙指出，随着电气驱动系统性能指标要求的提高，整个电气驱动系统发生了如下变化。高速系统普及，高压及碳化硅技术路线也逐渐上车，平角线电机、油冷电机、油冷电机

然而，驱动电机的发展也面临着许多技术挑战。以碳化硅高压电机为例，SiC开关频率高，对漆包线的绝缘冲击大；第二，我们需要提高我们的兼容性，以避免高压和低压电磁干扰。此外，整个碳化硅高压电机还必须面对绝缘系统要求、轴承寿命、成本等多方面的挑战，整个行业需要对相关技术攻关。

刘平宙面对当前电动驱动系统的发展趋势，哪吒汽车推出“浩智战略”，旨在布局全产业链，以技术创造卓越体验，形成整合优势。其中，该策略包括中超计算平台、基于SiC技术的高集成电驱动系统平台、哪吒自研高效增速机等方面的布局。

刘平宙合众新能源电源总工程师

以下整理演讲内容：

哪吒汽车的介绍

合众新能源成立于2014年，是一家以创新技术研发、智能化生产制造和全渠道销售服务为基础，集硬件、软件为一体的创新科技公司，公司分别于2017年4月和2018年6月获得国家发改委和工信部两项资格哪吒汽车申请为合众新能源

图像源：合众新能源

2014-2017年是哪吒汽车准备阶段，2017年4月，我们获得发改委整车资格。2018年，我们正式在新能源市场开启车型交付模式，2018年11月，首款哪吒N01上市。2020年哪吒U和哪吒V也相继上市，同时C轮融资也完成。2021年，我们与360、华为、地平线、宁德时代、泰国PTT等合作伙伴签订了战略合作协议，同年哪吒U Pro和哪吒s问世。2022年是哪吒汽车的亮点时间，截至2022年11月，哪吒年产销突破13万辆，累计产销突破20万辆。11月，高端机型哪吒s也已经交付了数百台。

目前公司共有三家工厂，三个基地同时投产，按两组计算，目前产能已达50万台。从数据可以看出，哪吒汽车已经成为用户最信任的新势力汽车品牌之一。

驱动电机技术发展趋势

“节能新能源汽车技术路线2.0”涉及电动驱动系统、电机及控制器的性能指标，2025-2035年，对新能源汽车的性能要求越来越高。随着性能要求的提高，电动驱动系统发生了如下变化。第一是高速系统的推广，第二是高压及碳化硅技术路线的尝试，平角线电机、油冷系统、高度集成化也成为主流市场发展态势。

从平角线电机在新能源汽车上的应用来看，用平角线代替圆线可使电机的槽满率提高20-30%绕组电阻低，铜耗降低20-25%，驱动效率提高2%。平角线线状排列方式导热性能好，结构刚度高，NVH上升明显，功率密度、扭矩密度也比传统电机提高20-30%。

油冷电机是近年来大家着力的技术路线，比亚迪、广汽、蔚来等都有相应的研发和产品布局。其技术上的明显优势首先是散热效果好，且介电常数高，有利于提高绝缘性能。其功率密度和转矩密度比通常的平角线电动机和油冷结构电动机进一步提高。

高速电机目前是大家都在探索的趋势，对于最终要达到多高转速才能满足需求尚无定论，因为既然大家都在探索这条线路，必然有明显的优势。首先是功率密度。在同等的功率下，高速马达的体积更小，所以功率密度会变高。二是功率密度的提高可以使电机体积更小、重量更轻，同时节省材料用量，特别是稀土材料用量。第三，高速化可以使电机和系统更高效。

高速电机与低速电机相比，在整车相同动力性能要求下，高速电机转速提高3500rpm，对应扭矩降低60Nm，电机成本可降低约20%。减速器变速比提高带来的成本增长约为3%-5%，总体上驱动系统成本还是实现了显著降低。

目前市面上的高压电机多为650V、700V，实际实现800V的还很少。说起800V就会联想到SiC高压系统，但是SiC的出现对整个马达的影响很明显。对于整车系统来说，解决了充电的问题。对于电动机，对电动机的效率、温度上升、NVH进行了明显的优化。在高压系统中，引入SiC对整个绝缘系统的寿命有很大贡献。由于高压的出现，同等功率下的电流变得更小，整个系统成为一体结构，因此母线电流也降低，动力系统整体的线束尺寸被优化。同时，全回转范围内的高速区间的效率也大幅提高，续航距离提高。

不仅SiC，IGBT也可以高压。但是，IGBT与SiC相比，在高压级的损失变高。同等功率下，SiC系统的损耗比IGBT低50%-70%，对提高系统整体效率有很大贡献。

驱动电机技术的挑战

驱动电机也存在一定的技术课题。平角线电机的挑战首先是制造技术复杂，一个平角线定子需要完成大约12个工艺。整个设备投资非常高，灵活性低。另外，在成形过程中，成形过程对整个绝缘系统、包括表面的绝缘层造成很大的损伤。另外，平角线的交流损耗大。第四，其布线方式与传统电机不同，如果绕组排布和布线不合理，则容易受到支路间环流的影响，电机容易局部过热。

油冷电机在电机性能、体积重量方面与水冷电机相比有明显提高，但对油品的兼容性提出了较高要求。另外，对绝缘材料的耐油性也是比较大的挑战。第三，为了达到良好的油冷效果，油路设计变得复杂，油冷电机专利的限制也给后来者带来很大麻烦。四是其热分析涉及液、固、气，分析难度大，分析精度低。

高速电机对材料要求高，价格也高，给电驱动厂商带来一定的成本挑战。另外，转子的强度的影响大，转速越高，转子的离心力越大，因此对材料的要求也越严格。如何选择材料、更有效地利用材料的占有率、控制冲压过程中的材料分配也是重要的课题。第三，需要重新审视转子的动平衡标准。第四，在高速轴承的选型中，目前高速轴承的市场几乎被国外厂商所占据，因此更难以获得低的轴承价格。第五，轴电流可能会破坏轴承管道，轴电流会破坏油膜，最终导致轴承发生故障。最后是高速损失。高速电机损耗计算难度很大，目前业界仍在探索精确计算。

SiC高压电机目前很受欢迎，但仍存在很多挑战。首先，SiC开关频率高，对珐琅线的绝缘冲击大。其次，EMC如何避免高压和低压电磁干扰，以及如何提高EMC的兼容性也是一大难题。第三，绝缘系统的要求大大提高。第四，轴电流也会影响轴承的寿命。另外，现在SiC的成本也很高，很难普及。公司目前也完成了SiC电动驱动系统的原型设计和制造，SiC也带来了巨大的成本压力。我们计划明年完成整车搭载测试，之后继续看市场整体趋势和成本是否有利于整车搭载。

电动驱动系统的趋势

无论是硬件、软件、电机、轴承还是控制器，电动传动系统的发展都趋向于平台化和模块化。电机的平台化和模块化主要是平角线定子体系的平台化设计，包括线成形的平台化，需要尽量减少改变，实现直并联电机的设计。转子的平台化和差别化设计，满足动力性能的需要。

电子控制平台化需要控制器结构平台化，即外壳不变，有限的外壳内需要满足高低压需求的第二个是硬件平台化，如切换SiC和IGBT，其他部件尽量减少改变；三是软件平台化，这是发展的大趋势。

减速器也需要平台化，尽量将轴承平台化，一套轴承满足平台化设计。

图像源：合众新能源

多合一系统目前以电机、电控、减速器三合一技术为主流。此外，还有一些大型厂商推出了7in1、8in1大动力总成。未来将形成N集成系统，通过几个模块的融合形成较大的底盘动力系统。目前，业内正在探讨Tier1是否有机会，或者有多少机会在这个市场上发挥作用，但实际上这项技术基本上需要整车厂主导开发。

分布式和多级化也是电驱动系统的发展趋势。目前，分布式集线器驱动系统和多驱动系统有很多技术探讨，也实施了很多案例和实车验证。从应用情况看，目前轮毂驱动系统存在一些困难和挑战，主要受制于一些因素：一是空间，轮毂空间小，而轮毂驱动系统又要求电机有较大的动力输出，体积和空间限制两者矛盾。二是作业环境，轮毂内的振动、密封、温度等是很大的挑战。三是驱动系统的可靠性，在轮毂电机技术领域，轴向或径向哪种模式是合理的，需要继续研究。轴向电机的NVH还需要不断探索和优化以满足轮毂驱动的需要。此外，差分匹配也必须始终优化。

多驱动系统目前已应用于轿车，但仍存在挑战。目前，动力经济性和驾驶舒适性，特别是舒适性是多驱动器系统的一大课题。对于双速驱动系统来说，皮卡、越野车等车型的应用场景将是不错的选择，但对于普通家用轿车来说，接受度并不高。轮毂驱动及多驱动器是否广泛应用于轿车，有待市场验证。

高压系统带来的优点显而易见，高压快速充电可以解决充电效率低、充电速度慢的问题，给用户带来更好的补能体验。400V、800V电压平台的同等功率下的充电电流和充电速度产生较大差异。与400V相比，800V的充电时间缩短一半，如果实现1000V至1200V，则充电时间大幅缩短，能够接近燃料车的供油速度。

800V电驱动系统技术分析

800V带来的优点首先是充电速度，它可以大大提高充电效率。二是电机转速，800V即可轻松实现2000rpm运行速度。第三，电机、电气控制的功率密度可以大幅上升。有效地，800V驱动系统的CLTC集成效率可以达到91.5%或更高。在SiC技术的支持下，续航距离可以增加5%8%以上。另外，通过母线的线规选择也更友好，线径变小，能够优化整车的底盘空间配置。

目前800V系统的充电桩配置比较少，要满足800V系统的充电，可以选择几种途径。一是控制器自带升压功能，二是中央充电桩配备升压功能，也可通过400V充电桩+800V升压模块解决800V充电需求。三是高压充电桩的布置，布置数百千瓦的超高速充电桩。目前800V的资源配置还比较少，后续800V是否存在电力交换模式也值得探讨。

800V系统的优势显而易见，但绝缘共性的挑战也不容忽视。最初400V的绝缘很难满足800V的需求，800V与传统的400V系统相比可能会提出1.8倍-2倍的绝缘要求。800V OBC、DCDC及高压继电器等均需升级，设计验证周期长，短期验证费用高，经济性差。

800V系统给电动机带来的挑战首先是上述的轴电流的影响，现在存在解决方案，但是之后的可靠性应该如何验证呢。另外，绝缘系统的要求也高，当绝缘材料的要求提高时，导致绝缘系统整体的成本增加。对于绕组来说，高速高频下的绕组表皮效应和临界效应导致绕组的交流损耗迅速上升，但交流损耗的计算精度还差，线间电压差的增大同样是绝缘系统PD的课题。机械强度方面，高转速下对轴系及壳体强度的要求增加，设计难度增大，需要选择合适的材料及合理的结构设计，采用CAE分析规避风险。

800伏控制器面临的挑战是EMC、绝缘性、可靠性和结构设计。在EMC中，800V电压和SiC逆变器频率的提高大大提高了逆变器内部的du/dt，给控制器的EMC设计带来了很大的挑战。绝缘系统中的电气间隙、沿面距离都需要重新设计。关于可靠性，高功率密度、高耐热、高频切换用途都需要深入分析。在结构设计中，磁环、屏蔽板的布置和高低压回路的进路布置影响整个控制器的结构设计。

对800V减速机的挑战首先是NVH，减速机齿轮在800V系统中需要进行全套的重新设计，细高齿与标准齿设计相比，噪声大大减少。齿轮的加工精度为2000rpm以上的转速时，齿轮需要更高的加工精度。另外，关于齿轮强度，需要关注高转速、大转矩、齿轮模式等对NVH的影响，需要更详细的设计分析。在加工设备方面，更高精度的齿轮对加工设备精度、一致性的要求也更高。

图像源：合众新能源

800V电驱动系统架构主要可分为三类，一是全系800V高压架构，电池、电机电气控制、OBC、DC/DC、PDU、热泵、空调等均需使用800V系统。短期来看，高压器件安全可靠性验证工作量大，需要投入的成本高，但随着产业链的完善和规模化效应，长期成本可能会受到更好的控制。

二是部分800V高压结构，电池采用800V，电机电控采用400V或800V，OBC、DC/DC、PDU、热泵、空调继续使用400V系统。车辆变更小，短期实用性高，能量转换效率低于全系800V结构，但较传统400V结构有明显提高。

第三，所有400V中压架构均采用充电800V、电400V模式，整车电气架构无需大幅度调整，但整体电气架构转换效率并未提高，充电效率提升有限，其优点是短期成本较低。

哪吒汽车电气驱动系统计划

前段时间哪吒汽车发布品牌战略“浩智战略”。初衷是布局全产业链，用技术创造颠覆性体验，形成整合优势。战略包括若干模块，最初是浩智超级计算机平台，即哪吒汽车的下一代智能汽车中央超级计算机平台，包括智能驾驶、智能驾驶舱及智能控制。第二部分为浩智电气驱动，基于800V技术平台，形成高集成电气驱动系统。第三部分为浩智增程，即哪吒汽车自研的高效增程器。

基于800V平台，我们也进行了一系列的平台化规划，其中有400V、800V两个电压平台，固定转子、控制器硬件、减速器都将构建模块化和平台化设计。

在800V平台内，我们计划打造240kW以上的永磁电驱动SiC平台，希望在180kW也能打造异步电驱动系统。然后，还有基于SiC平台规划的270kW以上、300kW以上的永磁电驱动产品。

针对400V平台，目前正在基于成熟应用的IGBT规划170kW-200kW永磁电驱动系统。2024年，我们将陆续推出135kW-170kW永磁铁和异步IGBT电驱动系统。在2025年，我们希望将SiC应用于170kW-200kW的永磁电驱动系统，将对整车续航更有帮助。

哪吒汽车今年推出的两款样机均在测试中，明年成功纳车170kW-200kW永磁电机，240kW-250kW电驱动系统完成搭载测试，有望在2024年实现纳车，进入市场。

（以上内容来自合众新能源动力总成工程师刘平宙于2022年12月8日在盖世汽车主办的2022第3届汽车电气驱动关键技术大会上发表的《新能源电气驱动系统发展趋势的探讨与挑战》主题演讲。）