浅谈新能源汽车电驱动系统的大三电和小三电

新能源汽车“大三电”驱动系统包含驱动电机、电机控制器和减速器。驱动电机的主要功能是为新能源汽车提供动力，将动力电池的电能转化为机械能，主要构成包括定子、转子、壳体、结构件；电机控制器的主要功能是将来自动力电池的直流电转换成交流电，根据整车控制指令来控制驱动电机的运转，主要构成包括功率半导体、控制软件和传感器；减速器也被称为传动系统，主要功能用来降低输出转速，提高输出扭矩。

新能源汽车“小三电”电源系统包含车载充电机（OBC）、DC-DC 转换器和高压配电单元（PDU）。车载充电机的主要功能是为新能源汽车动力电池进行充电，主要构成包括 PFC 电路、隔离 DC/DC 和低压辅助电源；车载 DC-DC 转换器的主要功能是将新能源汽车动力电池组的高压直流电转换为低压直流电，主要构成包括主控板、功率器件和电感；高压配电单元的主要功能是负责新能源车高压系统解决方案中的电源分配与管理，主要构成包括铜排、继电器、熔断器、预充电阻、电流采集器等。

1 电机：永磁同步电机成为主流，扁线油冷是技术发展方向

驱动电机是电驱动系统的重要部件，其主要功能是将动力电池的电能转化为机械能，为新能源汽车提供动力。驱动电机利用电磁感应原理，利用通电线圈（定子绕组）产生旋转磁场并作用转子，形成磁电动力，从而产生旋转扭矩驱动车辆行驶。新能源汽车技术路线主要有直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机四种，功率密度和转矩密度成为衡量电机性能的关键指标。直流电机由于缺陷较多，已经逐步被市场淘汰。开关磁阻电机拥有较高转矩脉动，但振动和噪声较大，主要运用于商用车。在乘用车领域，目前主要采用永磁同步电机和交流异步电机。

永磁同步电动机性能优异，已成为新能源汽车的主流选择。交流异步电机是由定子绕组通电产生旋转磁场，转子跟着定子的旋转磁场转动，最终驱动电机旋转。交流异步电机转子的转速比定子转速要慢，转子和定子形成异步运行。永磁同步电机与交流异步电机的主要区别在转子结构，永磁同步电机在转子上放置永磁体，由永磁体产生转子磁场，省去了励磁电流或者感应电流的环节，定子的旋转磁场会拉动转子同步旋转。从性能上看，永磁同步电机在瞬态仍然可以保证较高的效率，同时有着更大的功率密度，适用于频繁起停的工况以及较小的乘用车布置空间。

永磁同步电机占据乘用车装机量的 90%，交流异步电机在高端车型双电机配置下有部分使用。从装机量看，永磁同步电机凭借性能优势已占据新能源乘用车绝大部分装机市场；交流异步电机在高速场景下性能更优，主要作为高端车型双电机配套方案。根据 NE 时代的数据，2022 年 1-7 月，我国新能源乘用车配套驱动电机 279.6 万套，其中永磁同步电机 250.2 万套，占比 89.5%；交流异步电机 9.1 万套，占比 3.3%。交流异步电机配套高端车型包括特斯拉Model 3、特斯拉 Model Y、蔚来 ES 6、蔚来 ES8、奔驰 EQA、奔驰 EQB、大众ID4.X、大众 ID6.X 等。

电机市场集中度略有下降，整车厂独占鳌头，第三方供应商竞争激烈。根据 NE 时代的数据，2022 年 H1 我国新能源乘用车驱动电机搭载量为 231.8 万套，同比增长 129.3%。由于新能源整车市场火爆，驱动电机市场新进入者较多，TOP10 供应商市场占有率从 2020 年的 81.6%下降到 2022 年 H1 的 75.6%。2022 年 H1 我国新能源乘用车驱动电机 TOP10 供应商为比亚迪、特斯拉、方正电机、日本电产、汇川技术、蔚来驱动科技、上海电驱动、联合电子、巨一动力、双林汽车。其中，比亚迪和特斯拉依靠整车销售优势市场份额持续扩大；第三方供应商竞争激烈，方正电机稳定占据市场第三，其他供应商竞争优势不显著。

持续提高功率密度和转矩密度，扁线、油冷成为电机主要技术发展方向。驱动电机其性能和效率直接影响整车的功率、扭矩和可靠性。随着电机技术的不断进步，在电机绕组形式、电机冷却方式上出现多种技术革新，其中扁线绕组、油冷电机成为主要的技术发展方向，具有高功率、高效率、散热性能更好等优点。

扁线电机功率密度更高，渗透率快速提升。扁线绕组电机的显著特点是定子绕组中采用截面积更大的扁铜线，提高电机槽满率。与普通圆漆包线绕组相比，扁线绕组在相同的体积下，具有能量密度更高、电机效率更高、散热能力更强、机械噪音和电磁噪音更小的特点。2020 年，全球新能源汽车扁线电机渗透率为 15%，我国扁线电机渗透率约为 10%。2021 年，随着特斯拉、大众、宝马、比亚迪、蔚来等车企开始大规模换装扁线电机，扁线渗透率大幅提升。 

2022 年上半年，中高端新能源车型几乎全部采用扁线电机，截至 2022 年 7月，我国新能源乘用车扁线电机渗透率达到 41%。油冷电机可进一步提升电机热管理效率，配套扁线电机渗透率将持续提升。电机的功率效率受制于电机热管理能力，提高电机冷却散热能力可提高功率密度，提升电机使用寿命。常用的电机冷却方式包括风冷、水冷、油冷。风冷电机主要利用机壳外部的散热鳍片，通过流动的气流将热量带走，特点是体积小、重量轻，散热性能相对较差。水冷电机采用电机机壳中增加水道的方式，通过热交换将热量带走，特点是散热好，已成为目前最主要散热方式。油冷电机将水冷中的散热介质换成特种油品材料，特点是降温效果好，尤其适合扁线电机场景，是未来主要发展方向。根据 NE 时代的数据，2022 年 7 月我国新能源乘用车油冷电机渗透率达 27%，液冷电机渗透率保持在 60%左右。

2 电机控制器：以提升体积功率密度为核心，IGBT 和功率模组是主流解决方案

电机控制器是电驱动系统的核心控制单元，将来自动力电池的直流电转换成三相交流电，根据整车控制指令来控制驱动电机的运转。电机控制器主要由主控板、驱动板、功率器件、薄膜电容、电流传感器等构成，以高频高功率模块为核心，围绕其进行硬件与软件开发、电力电子设计、控制算法优化，实现对电机转速、转向、角度、响应时间的精确控制。

电机控制器需要硬软件紧密配合，提升体积功率密度是其核心目标。在硬件方面，电机控制器既要满足车辆各项电气性能指标，又要追求高功率密度和高性价比。硬件依赖高频高功率半导体工艺技术，通过提升硬件电路设计能力、提供电磁兼容能力、提升散热效果，最终实现电机控制器整体性能改进。在软件方面，电机控制技术普遍采用矢量变频调速控制软件。由于电机参数的差异，以及车辆运行时电机参数随温度变化较大，需要对电机参数通过软件进行实时监测并调整控制器的工作参数。通过对电机参数识别，才能精准控制电机，保证驱动系统的运行效率，减少系统发热，增加行驶里程。电机控制器的核心指标是体积功率密度，过去十年电机控制器体积功率密度持续提升，从2010 年的基于 IGBT 的 11KW/L，到 2017 年基于 IGBT 的 22KW/L，到 2022 年基于 SiC 的 60KW/L。体积功率密度的快速提升，促进了新能源汽车实现爆发式增长。 

电机控制器需求快速增长，市场集中度持续提升著。根据 NE 时代的数据，2022 年 H1 我国新能源乘用车电机控制器搭载量为 231.8 万套，同比增长129.3%。其中，TOP10 供应商市场占有率持续提升，从 2020 年的 69.9%提升到2022 年 H1 的 77.1%。根据 NE 时代的数据，2022 年 H1 我国新能源乘用车电机控制器 TOP10 供应商为比亚迪、特斯拉、汇川技术、日本电产、阳光电动力、英搏尔、蔚来驱动科技、联合电子、巨一动力、上海电驱动。其中，比亚迪和特斯拉依靠整车销售优势市场份额持续扩大；第三方供应商汇川技术稳定占据市场第三位。

在电机控制器成本构成中，功率模块占据重要地位。电机控制器主要构成包括功率模块、PCB 板、传感器、壳体和控制软件等，功率模块性能对电机控制器产品可靠性及稳定性影响较大，功率模块有 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、MOSFET 功率场效应晶体管、SiC-MOSFET（碳化硅）等解决方案。以IGBT 解决方案的成本构成来看，功率模块占比约 37%，驱动电路占比约 12%，控制电路占比约 16%，壳体占比约 12%，电流传感器占比约 5%，门驱动芯片占比约 4%。

国内供应商在功率模块领域取得重大突破。功率模块占电控成本比重最高，价格波动对电机控制器的成本影响较大，市场主要参与者为国外芯片巨头。根据 Yole 数据，功率模块市场主要供应商包括英飞凌、意法半导体、博世、德州仪器、安森美。根据 NE 时代的数据，2022 年 H1 我国新能源乘用车功率模块 TOP10 供应商为英飞凌、比亚迪半导体、斯达半导体、中车时代、意法半导体、安森美、博世、富士电机、博格华纳、日立。其中，比亚迪半导体、斯达半导体、中车时代取得重大突破，成为国内汽车功率模块主要供应商，并快速扩大其市场占有率。 

IGBT 是目前最主流的功率芯片，SiC-MOSFET 是未来发展趋势。电机控制器功率模块主要采用 IGBT、Si-MOSFET、SiC-MOSFET 三种功率芯片。IGBT 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的新能源汽车领域，凭借性能和成本优势成为目前最主流的装机功率芯片。Si-MOSFET 相对性能差耐压低，更擅长小功率的电机控制器，主要应用于 AOO、A0 级车型，包括五菱荣光Mini、奇瑞 QQ、北汽大猫、朋克多多、东风风神 E70、东风小康 MINI、荣威Clever、宝骏 E200 等。SiC-MOSFET 具有高开关频率、高效率、高功率密度等优点，但目前成本较高，主要用于中高端 B 级、C 级车，包括特斯拉 ModelY、Model 3、蔚来 ET7、比亚迪唐 EV、比亚迪汉等。根据 NE 时代的数据，2022 年 7 月，电机控制器功率模块整车出货中，IGBT 占比约 85%，Si-MOSFET占比约 12%，SiC-MOSFET 占比约 3%。 

功率模组是目前最主流的电机控制器功率器件封装路线。功率芯片在新能源汽车中的应用可分为模组和单管并联两条技术路线。单管并联方案采用IGBT、MOSFET 单管通过并联来扩展功率的方式制作，单管成本显著低于模块，具备高性价比优势，缺点是工艺复杂、可靠性较差，主要应用于成本要求较高的 A 级以下车型，国内汇川技术、阳光电动力、英搏尔均推出单管并联的方案并实现量产。模组方案采用特定规格的标准化 IGBT、SiC-MOSFET 模组产品，优势是高度集成、可靠性强、降低系统设计复杂度，缺点是成本较高，主要应用于中高端 B 级以上车型。模组主要供应商是英飞凌、意法半导体等海外巨头，上海电驱动推出了基于国产功率模块的量产产品。根据 NE 时代的数据，2022 年 7 月，电机控制器功率封装类型出货量中，单管拼接占比 19%，模组占比约 81%。 

3 减速器：单级是目前主流方案，多挡是未来发展趋势

配置减速器是新能源汽车的主流方案。减速器也被称为传动系统，主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、箱体及其附件组成，一般安装于驱动电机后方，或与驱动电机集成为“驱动+传动”二合一集成产品。减速器的主要功能是降低输出转速，提高输出扭矩。如果不配置减速器，电机输出到车轮的扭矩太小，在爬坡等大扭矩场景难以满足需求。为了提升车轮扭矩，选择大扭矩电机又会导致价格极高、整车性价比较差的问题。从技术成熟度和成本两方面因素考虑，电机配套减速器成为新能源汽车的主流方案。按照传动等级分类，减速器可以分为单级减速器、两挡减速器以及多挡减速器。由于电机具有与传统内燃机不同的工作特性，无需增加多挡减速器，只需增加一个单级减速器或者两挡减速器即可。 

单级减速器是目前纯电动汽车的主要选择。单级减速器凭借较高的传动效率、丰富的可选资源、开发难度小、成本低等优势，不但可以满足中小型新能源整车要求，也降低了选用电机的适配门槛。因此搭配单级减速器的解决方案，成为目前全球主流纯电动汽车采用的方案。两挡、多挡减速器有望成为未来发展趋势。单级减速器在高转速场景下，电机使用效率偏低，扭矩会急速下降。将单级减速器增加一挡，可使电机尽量工作在高效率的转速区间，从而达到降低损耗、提高续航里程的效果，两挡减速器已经成为纯电动汽车的发展潮流。多挡减速器可以降低电耗，提升电动车的续航能力，成为插电混动车型的主要选择。减速器市场集中度有所下降，整车配套企业占据领先优势。根据 NE 时代的统计，2022 年 7 月我国新能源乘用车单级减速器渗透率达 77%，两挡和多挡减速器渗透率在 23%左右。其中，TOP10 供应商市场占有率有所下降，从 2021年的 72.6%下降到 2022 年 H1 的 69.5%。2022 年 H1，我国新能源乘用车减速器TOP10 供应商为比亚迪、特斯拉、五菱工业、株齿、双环传动、青山变速器、麦格纳、美桥、蜂巢传动、上海变速器。其中，比亚迪、特斯拉、五菱工业依靠整车销售优势占据前三；第三方供应商中，株齿成为领先者，稳定占据第四位。 

4 电源系统：多合一集成化成为行业趋势

新能源汽车电源系统也叫“小三电”，一般包括车载充电机（OBC）、车载DC-DC 转换器和高压配电单元（PDU），其主要功能提供动力电池组充放电、电能转换及电能分配。

车载充电机成为必配系统，可根据功率等级、电压等级进行选择。新能源汽车的充电方式主要包括交流电充电和直流电充电两种。车载充电机主要应用于交流电充电方式的场景中，即通过交流电源给新能源汽车充电。当使用交流电充电时，由于动力电池输入端口要求为直流电，需使用车载充电机将交流电转换为直流电；当使用直流电充电时，直流电可直接适配动力电池输入端口，此时无需使用车载充电机。从整车厂的角度而言，为满足用户充电场景的多样性，车载充电机成为必配系统。从功率等级看，可分为 3.3kW、6.6kW、11kW、22kW，其中 6.6kW 双向充电机将是主流配置，11kW 和 22kW 将成为中高端车型选配。从电压等级看，可分为低压、中压、高压平台，200V-500V 中压平台仍是主流，700V-1000V 高压平台将成为中高端车型选配。 

车载充电机市场集中度有所提升，以第三方供应商为主。车载充电机市场高度集中，市场竞争格局将持续优化，头部供应商竞争力持续增强。根据 NE时代的数据，2022 年 H1 新能源乘用车车载充电机装机量 2,083,407 套。车载充电机市场集中度有所提升，TOP10 供应商市场占从 2021 年的 91.3%上升到2022 年 H1 的 94%。2022 年 H1，我国新能源乘用车车载充电机 TOP10 供应商为比亚迪、威迈斯、英搏尔、富特科技、特斯拉、欣锐科技、铁城科技、科世达-华阳、华为、松下。车载充电机市场以第三方供应商为主，其中威迈斯稳居第三方供应商首位。 

DC-DC 转换器主要功能是新能源汽车电压变换装置。车载 DC-DC 转换器将动力电池高电压侧能量转换为低电压侧能量，给全车低压用电设备及低压蓄电池供电。新能源汽车低压用电设备运行时无法直接从高压动力电池取电，而是从低压蓄电池取电或通过 DC-DC 转换器从高压动力电池取电；低压蓄电池中储存的能量亦是通过 DC-DC 转换器从高压动力电池取电获得。车载 DC-DC 按功率可分为 2KW 平台、3KW 平台和 5KW 平台，其中 2KW、3KW 将是主流配置方案，5KW 平台是中高端车型选配。车载 DC-DC 转换器封装方式包括水冷、风冷、自然风冷、模块方式。

高压配电单元主要功能负责新能源车高压系统中的电源分配与管理。高压配电单元为整车提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能。高压配电单元将动力电池的高压电分配给电机控制器、驱动电机、电动空调压缩机、DC-DC 等高压用电设备，同时将充电接口高压充电电流分配给动力电池用于充电。高压配电单元具有水冷、风冷等散热结构。

电源系统多合一集成化设计成为趋势。随着新能源汽车在电源系统上要求越来越高，将车载充电机、车载 DC-DC 转换器和高压配电单元集成的产品逐步成为车载电源的主流方案。通过车载电源系统的集成，大功率、小型化、集成化、智能化、高性价比成为车载电源产品的发展方向。 

编辑：黄飞