新能源汽车：先天不足如何成为后起之秀？

新能源汽车的出现，让一切都变了。

曾几何时，在传统燃油车中属于配角的电机，摇身一变，成了新能源车的核心部件；在燃油车也不可或缺的电控，在新能源车中被委以更多重任。

但电机电控的处境却更加艰难。当我们谈论动力电池时，比亚迪和宁德时代首屈一指，可是放眼电机和电控市场，又有谁敢说坐稳了江山？一方面，在续航这一刚需面前，三电技术难被一视同仁。目前，动力电池占据了整车50%的成本，留给电机电控的成本进一步被压缩；另一方面，新能源车对电机电控的要求远高于传统燃油车，中国在这两个领域本就先天不足，要想在全新的赛道上领跑，何其艰难。

政策补贴的热潮即将过去，大浪淘沙下，中国的新能源车用电机电控，正在面临一场前所未有的“大考”。

瞄准下一代电机，带动产业链共同成长

在2018年的电动汽车百人会上，全国政协副主席万钢指出，我国新能源汽车驱动电机峰值功率密度达到了4kW/kg。这对于华域电动而言，并不是什么难题，但背后的千难万险却鲜为人知。

在新能源车驱动电机市场，无论是整车厂、汽车零部件企业还是工业电机转型企业，都要从头开始。

与传统的工业电机相比，新能源车电机虽然原理相同，但作为燃油车发动机的替代，对其功率密度、转速、NVH和成本等要求都非常高，其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度和舒适性等主要性能指标。可以说，新能源车驱动电机是一条随新能源汽车发展而出现的全新赛道。

作为中国四大汽车集团之一，上汽早在十年前就开始新能源驱动系统核心技术开发的布局。在驱动电机领域，由于整车对电机高效率、高功率密度和高转速的需求，原有的工业电机难以满足要求，因此只能对驱动电机重新研发。

2014年，上汽（下属华域集团）和航天科工合资成立华域电动，借助其在军工领域高速电机研发的经验，开发满足整车需求的新能源驱动电机。以上汽E50纯电动车型为平台，试水研发设计驱动电机，成功量产并配套E50车型，得到市场广泛认可。

但市场的挑战远比想象中要大的多。本世纪初，在工业领域圆线电机是主流，但在新能源驱动电机领域，考虑到功率密度等因素，华域电动最终确定了扁线（HAIR-PIN）电机这一全新的技术路线。直到现在，也只有日本和欧美等少数知名电机供应商具备扁铜线电机的设计和量产能力。

事实证明，华域电动的这一战略选择是正确的。不久后，国内开始大力发展纯电动车，在政策驱动下，很多电机配套企业匆忙上马，将传统工业电机进行简单的技术改进，完全没有考虑到新能源汽车电机的使用环境，这会大大缩短其使用寿命，且易造成局部过热、线路短路等危险情况。不说隐患，就是性能上也难以相比较。

真正好的电机，一定是需要长期的技术积累、严谨的设计和仿真，然后通过试制、测试，最终才能走向批量生产。

华域电动技术中心总监李永兵介绍说，扁线电机与圆线电机的区别在于铜线的成形方式。扁线电机，顾名思义就是定子绕组中采用扁铜线，先把绕组做成类似发卡一样的形状，插进定子槽内，再在另外一端把发卡的端部焊接起来。和圆线相比，扁线电机槽满率更高，即相同的定子槽内可以填充更多的铜线，减小损耗，提升电机的效率和功率密度。扁线之间接触面积大，相比圆线电机，扁线电机热导性能更好，温升更低。有数据表明，装备扁线电机的电动车比圆线电机续航里程能够提升1%。从10年使用周期来看，这一数据优势极大。

“从设计角度，国内的电机设计能力与国外相差不大，但在材料和制造工艺方面存在较大的差距。”李永兵认为，目前，扁线电机已经公认是下一代车用驱动电机的主流，但之所以没被推广开来，主要原因是少有企业能够突破核心的扁铜线制造和扁铜线电机量产工艺。

李永兵说，与圆线相比，扁铜线在制造过程中会出现挂漆不均匀和开裂等情况，影响后续的零件加工和电机的整体绝缘性能。

按道理，扁线加工是上游供应链的事情，华域电动考虑更多的应该是产品的设计和量产。但在国外供应链对国内封锁的情况下，国内找不到一家可以生产合格汽车级扁铜线材料的企业，华域电动只能从源头开始，扶持供应链企业一同开发。两年多时间里，华域电动与漆包线厂、漆厂共同围绕材料、配方、工艺等方面反复试制，验证过程中报废的铜线就以吨计。

直到2017年3月，终于取得突破，在国内率先量产了扁铜线电机，成为国内第一家掌握扁铜线设计和制造技术的企业；在全球紧随日立和LG等企业，成为能够进行批量生产扁铜线电机的国际一流厂家；也是国内目前唯一一家能够批量生产扁线电机的企业。

在华域电动扁铜线加工技术突破没过几个月，原本全面封锁的国外扁铜线供应链宣布对内开放。“说明他们已经拆解过我们的电机，证明已经突破了他们的技术垄断。”言辞间，李永兵自信满满。

但是，量产扁铜线电机，要突破的远不止扁铜线材料。

制造设备才是电机产业链的核心环节。日本设备制造企业拥有世界上顶级的扁铜线电机制造技术，但供应链同样对国内封锁。华域电动通过和国内制造设备供应商6个多月的调试攻关，终于完成了半自动化扁线生产设备的突破。

目前，华域电动四层扁线电机的全自动化生产线已投产，扁线电机的出货量达到12万台，其产品在上汽荣威MARVEL X、荣威ERX5等车型上均有应用。更可喜的是，华域的电机产品通过了通用全球产品评估测试，成为国内第一家进入其辅驱电机全球供应链的企业。

李永兵透露，和欧洲相比，华域新一代扁线电机技术水平与其基本同步，和日本差距已经缩短到2-3年。更难能可贵的是，在这样一个全新的技术路线中，华域电动不仅自身成为行业的先行者，还带动了上游高端供应链的成长，这对国内整个新能源汽车产业贡献都是巨大的。

电机电控集成化：一切为了成本

新能源汽车电控分为整车控制、电机控制和电池管理系统等细分领域，其中整车控制系统在传统燃油车中发展已经很成熟，电机控制系统的标定和设计往往和电机密不可分，根据匹配电机的不同，需要开发不同的电控系统技术平台。

“真正懂电机才会有更性能更好的驱动电机，懂电机的厂商才能完全发挥电机的性能。”李永兵说。依托先进的驱动电机技术，2014年年底，华域电动又开始批量生产电机控制器，客户包括上汽乘用车、上汽大通、众泰汽车、九龙汽车等。

华域电动技术中心总监李永兵

电机控制器本质上是逆变器，控制器将电池输送过来的直流电电能，逆变成三相交流电给电机供电。其次控制器接受电机转速以及温度等信号，并将这些信号以及控制器本身的信号（电压、电流、温度等）反馈到VCU（整车控制器），可以通过仪表进行显示。控制器接收VCU的转矩或转速指令，来控制电机相应的输出。

华域电动技术中心硬件设计经理马岭说，电机控制算法是控制器的核心之一，通过对电机电流、电压、转速、温度等状态进行实时监控，驱动电机的转速、转矩和转向进行控制。同时也可以通过发电模式，将整车动能转换成电能对动力电池制动充电，一定程度上提高了电动车的能量利用率。此外电磁兼容（EMC），扭矩精度，响应速度等也是衡量电机控制器的关键指标。并可同时对动力电池的输出进行相应控制，很大程度上决定了电动车的能量效率。此外电磁兼容（EMC），扭矩精度，响应速度等也是衡量电机控制器的关键指标。

其中，EMC对整车运行可靠性特别关键，作为控制电机的核心系统，一旦被磁场干扰，或者干扰到别的部件正常工作，后果不堪设想。与传统汽车相比，电动汽车电磁环境复杂的多，车内电子电气部件占据极大比重，电磁兼容性问题与整车可靠性密切相关，尤其是随着智能网联化发展，相应传感器和电子元件将会大幅增加。目前，华域电动的新一代控制器算法标定程度和联电的电机控制器差别不大，电磁兼容达到主流整车厂对零部件厂商所提的等级三要求。

而在上海电驱动总经理贡俊看来，未来集成化供货能力或将成为主机厂选择电驱动供应商的重要指标。“从目前的电驱动供应商阵营来看，大多数本土电驱动供应商主要从事电机或电控单一产品的研发制造，缺乏系统集成能力。”

上海电驱动作为最早研发“三合一”电驱动系统的公司，为长安提供电驱动产品。据贡俊介绍，上海电驱动早在3年前就已经研发出“二合一”产品，随着技术的深入和验证的不断完善，又研发出“三合一”电驱动产品，且成功解决了NVH噪声振动难题，目前已获六家主机厂产品定点，同时还有20多家主机厂在商谈，包括现代、雷诺和塔塔汽车等。

贡俊认为，随着新能源汽车技术的不断发展，集成电机、电机控制器和减速器的“三合一”产品是目前的主流趋势。通过集成化设计，一方面可以简化主机厂的装配，提高产品合格率；另一方面可以大规模缩减供应商数量，还可以达到轻量化、节约成本等目的。单纯的电子部件集成和机械部件集成不能解决成本、电磁兼容等根本性问题。

具体来看，首先，“三合一”系统省去了3根高压连接线，这一块成本少则数百元，多则上千元；其次，因为连接电机逆变器的三相线电流大，省去三相线，不仅大大降低了系统线损铜耗，而且节省了成本；再者，电机逆变器的连接线实际上是系统的最大干扰源，省去连接线能大幅度减低系统的EMI；同时，装配便利，主机厂原本需要装配三个部件，现在只需要一个即可。

目前国内大多数电机及电控企业正在由单一产品供应商向“电机+电控+减速器”的动力总成提供商转型，但大多数还在研发、测试阶段。未来，随着规模效应的充分发挥，国内电驱动产业在“三合一”技术上的正向开发能力和核心技术将进一步突破，甚至还有厂商提出“多合一(包含电机+减速器、电机控制器、充电机、支流变换器、高压分线盒、部分整车控制器)”的集成方案。

与国内企业单纯的“三合一”电驱动方案有所不同的是，博世、博格华纳、采埃孚等国际零部件巨头则推行将电机、电控、减速器及功率电子模块等部件，与传统车桥相结合，形成一个高度集成化的电驱动桥产品，使得整个电驱动总成系统具备成本更低、体积更小、效率更高等优势。

据了解，传统车桥是一种机械产品，但由于集成了电机和电控部分，电驱动桥的难度系数直线上升，涉及的技术范围更广，技术要求更高。现阶段，尽管大多数企业的电驱动桥方案还未实现大规模运用，但是以博格华纳、GKN为代表的部分企业的电驱动桥产品已经得到了成功应用。

而在电控领域，单一控制器也将逐步被集成化“车辆中央控制器”所取代。

在联电，面向未来的电子电气架构的域控制器（XCU）已在研发之中。随着汽车的电子电气架构正在被新能源汽车重构，新增的电池组、驱动电机、变速箱（减速器）、动能回收系统等，整车电子控制系统需要承担的责任也将更加复杂。

“当前单一的汽车电子电气架构不能满足以上需求，需要转变为以域控制器为核心的电子电气架构。”熊伟铭说。所谓的域控制器，指在汽车以太网架构中的几个核心控制系统，“一辆车中不可能塞满了控制器，未来会形成几个域控制器分别控制相关功能的趋势。”而这其中就会牵扯到面向服务的车载操作系统、面向服务的通讯协议、高计算性能芯片车载应用等关键先进技术。从2016年开始，联电启动域控制器XCU项目，预计2020年量产，将为整车客户的新能源和智能网联战略提供有力支持。

通过集成化，新能源电机电控将进一步降低重量和成本，而这也将成为未来零部件企业的核心竞争力之一。

电控零部件之殇难解

在电机领域，中国既有稀土永磁体原材料的先天优势，也有下一代技术路线的前瞻布局。而反观电控领域，核心零部件自主化的缺失，越来越成为制约我国新能源汽车产业发展的绊脚石。

在电子控制系统中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块应用十分广泛。IGBT不仅在新能源汽车充电时起着交直流转换的作用，还要在行驶时将电池输出的直流电转换成交流电供给电机，同时还需要实时调控全车电压。另外，IGBT可以根据油门输入大小以及车辆的状态调节整车输出功率。  

一个无法绕开的业界现实是，IGBT技术成熟的好坏直接影响电动车功率的释放速度——直接控制直、交流电的转换，同时对交流电机进行变频控制，决定驱动系统的扭矩（直接影响汽车加速能力）、最大输出功率（直接影响汽车最高时速）等。因此，IGBT又被称为电力电子装置的“CPU”——尽管一块IGBT模块只有巴掌大小，却是驾驭一台庞大装备的“命脉”。其成本大约占电机控制器总成本的40%以上，占整车成本的7%～10%，是电动车里除电池外最昂贵的部件。

遗憾的是，从根本上决定电控系统整体技术水平的IGBT，长期以来成为制约我国新能源汽车的大规模商业化的一座“珠穆朗玛峰”。

据介绍，IGBT芯片制造工艺非常复杂，仅有指甲大小，但却要在其上蚀刻几十万个微观结构电路。它的设计难度尤其高，涉及参数多达十几个。此外，在晶圆制造工艺上，需要将晶圆减薄到120um（约两根头发丝直径）的厚度，再进行10余道工序加工。一个零点几微米的微尘掉落在晶圆上，都会造成一颗IGBT芯片失效。

据相关数据显示，2018-2025年期间，在新能源汽车及相关产业带动下，中国IGBT市场规模共计超过1200亿元。但目前全球只有英飞凌和三菱等极少数厂家可以生产，我国90%以上的IGBT都依赖进口，其中英飞凌在国内的新能源汽车用IGBT市场所占份额高达７成。

据知情人士透露，上汽某款新能源车在扩大产能时，就被英飞凌卡了脖子，IGBT模块供应迟迟跟不上。也因此，上汽痛定思痛，大力投入和培养相关领域的三级及以上供应商，从基础开始研发。

但时间不等人，为保障供应链，去年3月，上汽集团和英飞凌宣布成立合资企业—上汽英飞凌汽车功率半导体，从去年下半年开始批量生产IGBT模块。通过与核心企业合资的方式，保证了电池和电控相关核心零部件的稳定供应，为后续抢占市场份额做足了准备。虽然只是封装环节，核心的IGBT芯片依然由英飞凌直接提供，但至少在IGBT自主化方面，上汽已经迈进了一大步。

看到车用IGBT危机的不只是上汽，比亚迪也试图撬动这道“壁垒”。据了解，作为中国第一个实现车规级IGBT大规模量产的本土企业，截至2018年11月，比亚迪累计申请IGBT相关专利175件，其中授权专利114件。

突破是有的，但差距依然明显。IGBT目前已经发展到7.5代，第7代由三菱电机在2012年推出，三菱电机目前的水平可以看作7.5代，我国目前依然停留在第三代水平上。

此外，由于新能源汽车中IGBT等大功率电力电子器件不仅对性能要求高，同时对可靠性的要求也很严苛，期望寿命一般为二十年以上，功率循环上万次甚至百万次以上，且需要在不同的环境和气候下工作。我国车用IGBT技术才刚刚起步，芯片和模块在国内尚未完全成熟，还有很长一段路要走。