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2019-05-27
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汽车之家
集成化设计，用白话说就是“多合一”，在汽车领域，集成化设计比较普遍，比如我们今天要聊的集成化电驱动系统；千万不要小看电驱动系统的集成式设计，它能让我们获得更大的乘坐、储物空间，甚至还能为我们省电；那么究竟什么样的电驱动系统才算集成式设计呢？它不会给我们带来弊端吗？这又是不是未来的正确发展方向呢？
60秒快速阅读：
1、电驱动系统由电控系统、电动机、逆变器、减速器等部件组成；
2、集成化电驱动系统由最初的二合一设计，演变成三合一设计、集成式电驱动桥设计；
3、集成化电驱动系统有效降低了生产成本，减小了系统体积、重量，也使其布局更加灵活；
4、集成化电驱动系统的热管理更加复杂、维修不便利、故障率可能增加；
5、集成化电驱动系统是发展趋势，但日后电驱动系统如何集成充满各种可能性。
● 老说电驱，电驱都有啥？
电驱动系统包含的部件较多，比如电控系统、电动机、逆变器、减速器等等，电动机大家一定非常熟悉，但电控系统、逆变器、减速器这些部件的作用都是什么呢？它们在整个电驱动系统中充当了什么角色呢？
首先整个驱动模块的“大领导”就是电控系统，若没有电控系统的“指挥”，驱动模块的各部件就像一群无组织的孩子，根本不知道如何做到有条不紊。而电控系统又可分为四个模块，分别是整车决策模块（VCU）、驱动系统模块（MCU）、电池控制模块（BMS）以及电子管理模块（BMU）。
负责指挥电机如何工作、如何输出动力的模块即MCU（驱动系统模块），其可实现对电机功率单元、扭矩、功率、转速、电流转换的控制。MCU将控制指令转换为信号传递给IGBT，IGBT再接收、执行这些指令。
IGBT是MCU的“下家”，同时又是逆变器的核心、执行单元，IGBT的作用即是指挥逆变器对电流做出正确的转换；逆变器又有什么作用呢？由于电机需要的是交流电，而动力电池所提供的电流为直流电，所以这中间就需要逆变器来转换——将电池输出的直流电转换为交流电传递给电机。
逆变器将电池中的电流传递到电机，电机是不是就可以直接驱动车轮了呢？如下图所示，电机的动力输出特性为：从0rpm/min开始输出峰值扭矩，但当电机转速高于恒扭矩区间时，电机扭矩就会有所下降，所以这时就需要减速器的介入，减速器通过多级齿轮的传动即可实现降低转速、提升扭矩的效果，从而满足车辆高速行驶时对扭矩的需求。
● 什么样的电驱动系统算是集成化？
我们说完了电驱动系统的几部分，那是不是直接把这几部分用连接线连起来就行呢？最初的电驱动系统确实不存在集成式设计，其电机、逆变器、充配电系统等部件均单独布置，各部件间靠线束连接即可，这也导致当时的电动车驱动系统如下图所示，看起来十分复杂。集成化电驱动系统如何实现呢？雪佛兰Bolt(参数|询价)就采用了二合一电驱动系统，二合一也是最初的集成式设计。
雪佛兰Bolt将永磁电机、减速器与车桥集成在一起，形成了简单的集成式电驱动桥。虽然雪佛兰Bolt结构图中各部分看起来还是比较复杂，但至少其驱动桥做到了二合一，如果单看驱动桥的话，如此集成化设计确实缩短了各部件间的距离，使整体结构变得更加紧凑。
除了雪佛兰Bolt的电驱动桥，零部件供应商博格华纳、采埃孚的集成式电驱动桥也是当今电动车领域集成化应用的例子，它们所做的集成化系统由二合一升级成了三合一、多合一；以博格华纳的31-01型eGearDrive电驱动桥为例，其将电机、电控、减速器等部件与车桥相结合，相比普通电驱动系统来说，它同样做到了结构紧凑、重量较轻，特斯拉Roadster搭载的就是该电驱动桥，且目前该产品已被特斯拉买断。
除了国外的产品，目前许多中国品牌电动车也趋向于采用高度集成化的电驱动系统。比如蔚来的电驱动系统、比亚迪e平台的驱动模块，它们采用不同形式将电机、电控、逆变器、减速器中的三种集成在了一起，业界也称之为三合一集成式设计，目前三合一也是比较常见的集成化方式。
我们以蔚来汽车的“三合⼀”⾼度集成化电驱动单元（PEU,GB,EM）为例，PEU即逆变器，GB即Gearbox减速器，EM即E-Motor一体集成电机，此外其逆变器本身还集成了电机控制器、IGBT，所以其整个驱动单元实际包括了电动机、减速器、逆变器、电机控制器、IBGT。
再以比亚迪e平台的多合一动力模块为例，其三合一动力模块集成了电机、减速器、驱动系统电控；此外，其高压充配电系统也是通过集成了车载充电器、逆变器、配电箱而实现的高压电三合一模块，甚至其各种车身控制器也都集成在了一块PCB板上，这些集成化模块组合起来也就诞生了比亚迪e平台的“33111”（驱动3合1、高压3合1、1块多合一控制器、1块配备DiLink系统的屏幕、1块高性能电池）。
既然如今国内外有这么多制造厂商都在做集成化电驱动系统，证明“集成式”设计确实有其独到之处，那么我们就聊一下它为何如此受欢迎，再聊聊它存在哪些弊端呢？
● 集成化电驱动系统为何受欢迎？
首先集成式设计可以使驱动系统体积减小、重量降低；驱动系统各部件被整合为一体，这无疑使整个系统更紧凑，减小了系统所占体积；而且各部件间的连接线材也因集成化而大幅减少，所以系统重量也得到了优化。
由于系统体积减小，车辆各系统的布局可以更加灵活，这有利于车企为不同的车型搭载同一套系统；对于用户来说，我们得到好处就是：可获得最大化的乘坐、储物空间；就好像某些概念车一样，它无需配备传统意义上的机舱来布置繁多的系统部件，所以底盘上部可以完全设计成乘坐空间，或者像特斯拉一样，其可具备额外的前备厢储物空间，这是未采用集成化设计或集成化程度低的纯电动车无法比拟的；而车重的降低，则会使车辆能耗更低、续航里程更长。
此外，因为集成化设计有效减小了各部件间的距离，所以也就减少了铜线等昂贵材料的使用，还优化了能量传输路径；由于电机系统所采用的线材较粗，所以这些线材是不可忽略的生产成本，而能量传输路径短带来的好处就是可以避免系统产生多余的电耗，使动力总成效率更高，我们日常用车中能直观感受到的就是：同等电池容量下能耗更低。
● 集成化设计带来的弊端
尽管目前国内外的车企、零部件供应商都在做集成化系统，但它为厂商、消费者带来的负面影响还是不容忽视。若不采用集成化设计，系统各部件与空气的接触面积就能更大，这有利于系统散发热量；而系统采用集成化设计后，几个部件间并无间隙，这就需要厂商重新考量整个系统的散热设计，以保证各部件处于正常的工作温度，如此一来会将简单的风冷/液冷冷却系统复杂化，更加考验厂商的技术、设计。
在后期用车方面，若各系统不采用集成化设计，逆变器单独布置、电动机单独布置，哪个部件出现问题即可单独处理。但高度集成化之后，维修、更换某个部件需顾及到整个系统的情况，这不仅会增加维修成本，对维修技术更是考验，甚至拆下某个部件可能都需要专业工具的辅助，恐怕很多街边小店都无法处理。
此外，集成化系统可以理解为是“小而精”的产品，相信大家能猜到，集成化设计与各部件独立布置相比，前者往往需要更高的生产、装配工艺，若用料、装配品控不过关，整个系统的故障率就很可能会大幅上升，甚至某个部件的小故障会直接影响整套系统的正常运转。所以集成化设计为车企设置了技术门槛，如果车企技术不过关，带来的结果可能就是消费者买到一辆故障率很高的车。
● 未来会是集成化电驱动系统的天下吗？
以目前的发展来看，高度集成化电驱动系统/充配电系统等集成化行为已经是厂商、零部件供应商们所在遵循的趋势，因为集成化设计不仅可以为厂商带来轻量化、布局灵活、成本低等好处，其还可为消费者带来最大化的乘坐空间、提升用车体验等好处，比如2016款北汽新能源EX200的驱动系统并未采用集成化设计，而2018款北汽新能源EX360已经开始采用集成式电驱动系统。
至于日后集成化设计将如何发展，早在1900年，保时捷上就曾出现过轮毂电机，这无疑是高度集成化的设计，但由于该方案存在增加悬架簧下质量、技术要求高、耐久性受考验等问题，所以轮毂电机一直未得到广泛应用，不过，或许日后就会有厂商攻克这一技术难题。
或者未来驱动桥的集成化程度是不是还能更高呢？以至于驱动、传动等系统只需要一个高度极低的驱动桥就能解决，那是不是就不需要机舱了呢？总之，我认为未来新能源车会突破我们的想象，达到极致的轻量化、乘坐空间最大化，成为车轮上的“起居室”。
全文总结：
也许很多人不曾想到，2013年中国新能源汽车产销量不过才1.7万辆/1.81万辆，但2018年中国新能源汽车产销量已经达到127万辆/125.6万辆；新能源汽车行业飞速发展的同时，当然需要不断创新、进步的零部件配套技术来配合新能源汽车的发展，而集成化电驱动系统正是其中之一。其实除了我们今天所聊的电驱动系统外，充配电系统、控制器等系统都可进行集成化处理，相信日后也一定会有更多车企做出高度集成化的系统。
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