蔚来的首款轿车ET7即将于2022年交付，目前有关于它的一切都是备受关注的。10月19日，蔚来在南京XPT（蔚来驱动科技）工厂里组织了一场电驱动系统的沟通会，让我们有机会深入了解蔚来ET7所搭载的“第二代电驱动系统”。
图片
先看一下这套系统的几个关键参数：三合一永磁同步电机、碳化硅功率模块、最大功率180kW、峰值扭矩350N·m、效率94.5%、转速每分钟16000转，是目前国产电驱动系统中的佼佼者。
三合一进化 功率密度再提升
所谓三合一电驱，就是把过去驱动单元中独立的电机、控制器、减速器整合在一起，可以大幅度的降低体积和重量，并在传动上具有更高的效率，具有更高的功率密度。许多强调性能的车型，比如特斯拉、保时捷Taycan等，都使用了三合一电驱技术。
而蔚来的车型，自第一台ES8开始，就上马了三合一电驱技术。截止目前，蔚来的三合一电驱动总成已生产超过30万台，蔚来（XPT）因此成为国内高性能（功率＞150kW）三合一电机产量最高的企业之一。
图片
而即将搭载于ET7上的第二代电驱动平台，则在功率密度和效率上更进一步。通过采用碳化硅功率模块（SiC MOSFET）、减少零部件数量、优化电磁方案、优化减速器速比（从9.57提升到10.48）、采用扁线绕组等技术，在功率提升12.5%的基础上，重量依然保持在88公斤，使功率密度超过了2.04kW/kg，在国产电驱系统中处于领先地位。与此同时，该电驱动系统还通过齿轮的精密优化设计、悬置融合控制的EDS总成模态优化、电机非均匀气隙及高正选气隙磁密等技术手段，在ET7上实现了更好的NVH效果，车内综合工况噪音得以进一步降低。
首次应用碳化硅 跑得更快、跑得更远
“碳化硅”绝对是这套系统的一大亮点，这是蔚来首次在电机控制器中应用碳化硅模块。
图片
在之前的《电动课堂》节目中，我们对碳化硅功率器件进行过深度解读，感兴趣的朋友可以翻看我们的往期节目。简而言之，与传统的硅基材料相比，碳化硅具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性。因此，碳化硅功率器件可以控制更高的系统电压、通过更大的电流、更好地散热并提高功率、开关速度更快以及关断电压更高。
图片
蔚来所采用的碳化硅模块由安森美生产，位于韩国的晶圆厂生产晶圆，并在马来西亚进行模块封装。该模块的导通电阻仅1.7mΩ、热阻0.1℃/W，是目前业内性能最优的碳化硅功率模块之一。
图片
与传统的硅基IGBT模块相比，该模块在低载的工况下，也就是我们日常通勤场景中，导通电压、开通损耗、关断损耗上都有优势，其中关断损耗要比传统IGBT模块要低2~3倍。
同时，该模块的开关频率可以达到50~500kHZ，开关时间可以缩短到50纳秒，比传统的IGBT模块快5~6倍。基于多重优势，采用碳化硅模块的蔚来电驱动系统的电流能力提升了30%，功率提升20%，综合工况效率超过91.5%，并对续航带来了4%~6%的提升。
全域PWM控制 实现多目标优化
碳化硅模块再好，它也只是一个硬件，如何应用地好，关键还是在于控制算法。蔚来表示，碳化硅模块的应用，实际上是一个多目标的优化，包括效率、功耗、NVH、寿命等等。
为此，蔚来在算法上采用了“全域PWM控制”。这是一种全工况的开关控制策略，根据不同的工况，电机所需转速、功率，通过脉冲宽度调制(PWM)对电机进行控制。
图片
例如，在车速较低时，会采取变开关频率策略，通过改变碳化硅模块的开关频率，使开关损耗减少35%，达到节能目的；在高速大功率工况下，则会采取PWM调制优化策略，通过改变某一相开关的频次，在某一个工作点上让某一相的开关动作减少，要么是恒通，要么是恒关，使开关损耗减少33.3%。
而在高重载的情况下，又会采取过调制优化策略，提高电压利用率，实现功率的提升。而在NVH方面，蔚来还通过谐波抑制算法来优化噪声抖动，在计算出谐波电压后，可以更好的对电压使用谐波电压进行补偿，使电机工作时所产生的电磁噪音，电驱动系统整体噪声降低5~15dB，进一步优化ET7的NVH表现。
电机堵转发热 提升三元铁锂低温性能
今年9月，蔚来发布了全新的75kWh三元铁锂电池包，基于三元锂与磷酸铁锂电芯混装及新一代CTP技术，大幅提高了电池包的能量密度，使蔚来基础车型的续航里程得到了普遍提高。
图片
但无论何种化学体系的电池，在低温环境下都会出现放电性能下降、续航缩水的问题，为了优化这一问题，蔚来采取了一种“电机加热电池”技术，在低温环境下提升电池包的温度。
蔚来的“电机加热”技术，或许指的就是电机堵转加热。所谓“电机堵转”，指的是将电机转子固定，不使其转动，但依旧通电的一种情况。由于电机转子无法转动，无法产生反电动势，电源的电压全加载在绕组上，绕组成了一个电阻，电能全部转为内能从而产生热量。这时，车内的热量管理系统会通过液冷管路将电机产生的热量传导至电池包内，从而实现对电池包的加热。
这种技术，实际上在特斯拉Model 3上也有应用，其前桥搭载的异步感应电机和后桥搭载的永磁同步电机分别可以提供4kW和3.5kW的加热功率。
图片
而蔚来的第二代电驱动系统则在永磁同步电机上实现了4kW的加热功率，并且支持6档加热功能，要比特斯拉Modle 3还高一些。
与传统通过PTC加热或者“加热包”直接烧油发热相比，电机加热技术无需增加过多零部件以及管路，减少了非低温环境下用不到的死重，同时在电机正常工作时产生的废热也可以利用起来。
但它的技术难度也是显而易见的，电机堵转就相当于一个武林高手一直憋着劲，憋的时间长了，容易憋出内伤，这在电机上表现出来就是直接烧毁了。
所以，蔚来的电驱工程师需要时刻控制电机的输入电流，让电机在烧毁的边缘“疯狂试探”，以尽可能提高电机发热功率，并保证电机寿命。
同时，正因为电机发热时的输入电流是要时刻变化的，电机难免会产生令人难以忍受的电流噪音，这也是很多Model 3车主吐槽在电池包加热时，电机噪音难以忍受的原因。
图片
为此，蔚来也运用了谐波注入技术，通过软件谐波控制算法，从激励源上改善消减，有效抑制电机噪音，实现更好的NVH。
总的来说，蔚来ET7所搭载的“第二代电驱动系统”是目前表现比较优异的产品之一，其中所运用的碳化硅模块、电机加热电池等技术在国内均属于比较新的技术，这些技术将成为蔚来ET7用户体验的一种保障，但最终的表现，依然要等到明年ET7正式交付后才能得到切实的展现。
电池研究院：剖析蔚来ES8三电技术纯电是一种简单暴力的方案
在“电池研究院”栏目的第一集《比亚迪第三代DM技术如何节油？》当中，我们分析了“P0+P3+P4”高阶构架下的插电式混合动力系统如何工作。然而，混动系统对于绝大多数车企而言还是过于复杂了，不仅开发成本高昂，而且还捞不到几个子儿补贴。
“简单暴力上纯电”是目前绝大多数造车新势力的选择，蔚来便是其一。造纯电是为了补贴？豪华车销量太低，因而无法拿到这么多份固定额度的补贴，补贴比车价贵的那些低速电动车改良版才是骗补神器。
闲话不多说，直入技术主题吧。
蔚来电池技术
A、电池越多越好？
很多朋友都会问：为何不可以堆多一点电池，让纯电动车的续航再高300km？
笔者先反问一句：执飞“广州- 北京”的空客A380可以装载250吨航空煤油，为什么每次只装载50吨呢？
答案很简单：我们不应该耗费多余的能量，用于运输能量介质本身。
举个例子，特斯拉Model S 75电池能量的24%被用于运输电池本身。如果给Model S装载4倍容量的电池，续航不可能是4倍，因为这时候大约60%电能用于运输电池了。
当然，业界也有一些办法来解决“电池能量密度过低”的世界难题：液流电池技术（很有可能是死胡同）、增程式发电技术（依然有较多污染）、石墨烯电池（商用化遥遥无期）、直流快充技术（只要成本降下来，这是突破口）。
B、电池能量密度越高越好？
电池技术瓶颈真的无法突破吗？是的，目前全球电池研发与生产均没有质变式的突破，因为一块简单的电芯（基础元件）需要受到多达6个维度的因素制约：循环寿命、功率密度、能量密度、工作温度区间、安全、成本。
6个维度的表现，就像是游戏里的“技能树”，我们手中只有有限的技能点，不能让所有维度的表现都全优，除非你愿意用200万成本打造一台15万家用车的电池组，以做慈善的方式促进我国新能源事业发展。
C、蔚来的电池有何特点？
6个维度互相制约，自始至终都无法做到完美平衡，多方博弈之下，蔚来ES8的电池包选择了安全与循环寿命作为首要提升目标。
蔚来提出了“三纵三横”的安全构架：
蔚来电池包安全构架
电芯模组电池包
预防电芯设计运行条件模组设计电芯堆垛工艺运行条件机械强度电路设计电池管理系统设计
控制电压控制内阻控制容量控制温度控制电芯单体电压电芯单体温控电池模组电压模组安全测试电芯单体电压电池模组电压电池包电压电池包电流继电器状态电池储存电荷能力
损控
绝缘陶瓷涂覆保险丝熔断泄压过充SSD保险
隔燃垫膨胀力控制电气绝缘泄压保险丝熔断隔燃材料
我们来理解一下上述表格：
1、“电芯 - 模组 - 电池包”是从微观到宏观的排序，电芯得精巧，用电芯组合成的模组才安全，用模组组合成的电池包也才安全；
2、“电池包 - 模组 - 电芯”是从宏观到微观的排序，电池包外壳受损，模组外壳还能继续保护；模组外壳也受损了，电芯本体还有自我保护能力；
3、“预防 - 控制 - 损控”是以时间顺序排列的，先预防风险；但是风险还是有的，所以需要用各种温控、电控、密封来规避风险；当损害无法避免时，还有损控流程还降低损失。
D、硬壳电芯有何优势和劣势？
既然蔚来选择了安全优先，硬壳电芯成为首选。刚刚我们提到，任何电芯电池都不可能是尽善尽美的，因此有了下表内容：
主流电芯性能对比
硬壳电池软包电芯圆柱电芯
案例蔚来 大众 长安 丰田爱驰 前途特斯拉
外壳坚固程度铝合金/不锈钢非常坚固铝塑膜外壳金属框加固后也坚固铝合金/不锈钢较为坚固
循环寿命长长一般
电控难度容易普通很难
热失控小概率有一定概率但不易爆炸散热好但也有热失控可能
制造难度工艺简单但可靠性好自动化程度一般工艺复杂自动化程度低工艺复杂但成熟自动化程度高
电芯一致性好较好弱
整包能量密度一般高较高
最大优势安全容量较高高容量
我们来解读一下上述表格：
1、硬壳电芯（方形电芯）的最大优势是安全，毕竟铝合金/不锈钢壳子硬；但是硬壳电池的整包能量密度普遍不高，太多重量被用来保护电芯本身。这是蔚来、大众、丰田、宝马、奥迪的选择。
2、软包电芯的本体重量较轻，单体电芯一致性非常好，问题是加上冷却系统之后，轻量化优势又没剩太多了。爱驰、前途、通用等等车企都选择了软包，你的手机也是。
3、圆柱电芯运用最广泛，而且散热好，单位重量的容量较高。圆柱电芯的供应商特别多，中日美韩都有成熟的圆柱电芯生产企业，包括特斯拉在内的最大多数车企都选择了圆柱电芯，包括你的笔记本电脑。
E、说了那么久，把数据请出来吧
先看一个总表：
蔚来电池包信息
高压电芯单体类型三元锂离子
额定电压3.65V（按1/3C工况充放计算）
额定容量50Ah （按1/3C工况充放计算）
高压电池包系统额定电压350V（按1/3C工况充放计算）
额定容量200Ah（按1/3C工况充放计算）
长宽高
2062/1539/136mm
电池包内电芯数量384个
电池包重量525kg
电池包能量70kWh
能量密度135Wh/kg
电池电芯排列方式4P96S
我们继续来解读：
1、毫无疑问，蔚来用了三元锂离子“内馅”。目前，三元锂电池比出货量更高的磷酸铁锂电池更具实用意义，研发潜力也更强一些，但耐用性并不如磷酸铁锂那么强（比亚迪e6铁电池出租车可以运营50万公里）。
2、电池包重量525kg，蔚来ES8的整备质量约为2200kg，占比不到1/4。实际上，我们可以看到ES8底盘内部还有空间可以安放更多电池（下图），但为何蔚来没有这样做呢？蔚来给的答复是：为了服务换电模式，蔚来电池包的外尺寸必须兼容品牌最小车型。也即是说，电池包全品牌统一，车子越小，续航越长。
4、服务换电模式可以，但为何不能在ES8的底盘空隙里面安放固定位置的电池包以增强续航？比如“70kWh可换电池包 + 20kWh固定电池包”。蔚来的答复是：电控难度加大，电池一致性非常难解决。（作者画外音：记得大众汽车的“高性能+高容量混搭电池包”吗？搞砸了……）
5、蔚来硬壳电池包的整包能量密度为135Wh/kg，是目前量产的硬壳电池包里头最高的，但比不上更具密度优势的软包电池包与圆柱电池包（虽然已经很接近主流水平）。不打紧，蔚来的下一款电池包是奔着160Wh/kg来的，非常值得期待。
F、蔚来电池包安全测试
蔚来电池包经历了将近1000天的安全测试，81个测试项目，涵盖用车过程中的各种可控、不可控风险，比如：
1、过冷/过热的环境温度，对电池包的影响远大于对内燃机的影响。蔚来电池包需要在-40℃和+85℃之间的125℃温差之间“生存”下来，颇为励志。
2、内燃机冷启动困难，纯电动车冷启动更是煎熬。蔚来的水冷系统可以自动预热，消耗一定电能，让电池包迅速进入工作状态。
3、一般来说，纯电动车自燃的逃生只有60-120秒。蔚来电池包在火烧130秒之后依然能使用（不是真的让你继续开，而是告诉你这电池包还没失控爆炸），因此在真正遭遇火情时，车主的逃生时间会大幅度增长。
4、强大的防水性能，是一众南方车主的福音。这里指的是涉水过隧道的能力比汽油车还强，而不是把车子泡在洪水中没事。（即使电池包没事，内饰早就便淹了。）
5、最后是跌落测试，半吨中的电池包自由落体，杠杠的，硬壳电池的优势。
蔚来电控技术
蔚来BMS电池管理系统拥有多项技术亮点，我们来一一细数：
A、液冷恒温技术
之前有读者问过我们，“浅充浅放”是否能让电池寿命更长。是的，但并不如控制温度那么有效。打个比方吧，如今手机快充技术已经全面铺开，其实快充伤电池的速度，远不及高温伤电池的速度（即使充电速度慢）。
因为水的比热容高，整套温控系统的换热系数高，冷却与加热速度快，想要快速且精准地控制电池温度，液冷恒温技术（俗称“水冷系统”）必不可少。蔚来电储能系统的每个电池模组内置有3个电芯温度传感器，可实现温度精确检测和控制。
蔚来将铝制液冷板铺于电池模组下，在模组与液冷板之间加入一层导热垫，并在液冷板与壳体底部之间再铺设有隔热和绝缘材料，确保电池整系统的恒温和安全。工作时，电芯的温度传递到模组与冷板接触的底部，再通过导热垫传给液冷板，液冷板外壁再把热量传导到冷却液，达到降为温目的。加热过程反之亦然。
然而，液冷恒温技术并非黑科技，蔚来的技术重点是 —— 这套技术支持换电模式。也即是说，当蔚来车子进入换电站之后，液冷系统的双向截止阀会自动关闭/打开，让液冷系统与电池包液冷回路断开/重连（耐久性为10000+次），实现液冷电池包快速更换。
B、精准的SOC测量与估算
首先必须说明一个知识点：电池包是非常复杂的一个电化学论题，剩余电量的曲线不是笔直的（剩余燃油的剩余能量是基本笔直的），需要视乎电芯的健康程度、外界温度变化、充放电倍率来预估。
在纯电动车的实际使用过程中，时速会变，温度会变，用户的驾驶需求也会变，BMS预估的SOC永远都存在偏差。BMS想要尽可能地纠正测量误差，就必须通过先进的软硬件性能提升精度，减少损耗性。
蔚来给出的解决方案有三个重点：
1、提升传感器测量精度：整包电流传感器采用德国进口的伊莎贝拉传感器，电流采样精度高。
2、提升芯片的处理能力：新一代英飞凌主芯片，具备32位数据处理的能力。
3、强大的算法处理能力：蔚来独立研发。
C、均衡策略
蔚来BMS不是一个单独的控制器，它相当于BMU（Battery Management Unit电池管理单元）+ N 个CSC（Cell Supervisory Controller电芯监控控制器），即BMS= BMU + n × CSC。
内置那么多CSC电芯监控控制器，是因为电芯的一致性是有限的（有些电池包必须用同一批次的电芯才能组建），电芯与邻居之间的性格有微量差异，这时候就必须执行均衡策略。
简单来说，就是BMS通过均衡电阻对电芯进行主动控制，让高电量与低电量电芯均衡一致。如此一来，即使每个电芯在经过同一轮充放电循环后拥有了各自不同的特性，BMS还是能让它们趋向于一致，此举将减缓SOH衰减，延长电池寿命。
D、实时监控 & 大数据
为了达到蔚来宣称的“1500次充放电循环衰减不低于80%”的电池寿命，一套实时监控系统是BMS的必备，而这些传感器在上文已经表述过了，那就不再赘述。
我们需要知道的是蔚来对电池包的监控与维护逻辑：
1、当BMS监测到电池健康状态异常，就会报告给车辆，车载系统立即上传数据给蔚来。
2、更换掉这块疑似故障的电池并不困难，你可以APP/电话通知NIO Power，剩下的事情交给他们。
3、你也可以在换电站直接把现役电池包换走，装载健康的电池包继续行程。这就是换电站的另一个优势。
4、云端大数据可以执行很多事情，比如指导车主前往最近的换电站获得健康的电池包、指导车主获取迭代后的更高容量的电池包、为蔚来NIO Service / NIO Service提供数据支撑等等。
蔚来电机技术
其实，笔者一直认为驱动电机的技术并非新能源汽车科技的核心（内燃机则是传统汽车工业的核心），真正决定一台纯电动车性能的是电池包。这样说吧，如果我们有一个同样体积/重量、可以容下700kWh电量的蔚来电池包，请把EP9的驱动电机给我们的ES8、ES6、ET7装上，公路与赛道上再无吾之对手。
不过，目前电池技术瓶颈依然未得到突破，我们想要一台“力气大、吃得少”的纯电动车，就必须在性能与节能之间寻找均衡。
且看下图，蔚来ES8的驱动模块结构并不复杂，“逆变器 - 电机 - 减速器”即是完整结构，这就是0-100kW加速4.4秒的根源。
A、“双三相拓扑结构”的逆变器
“逆变器”很好理解。我们用电网的交流电给车子充电之后，存储在蔚来70kWh电池包内的电是直流的，这时候我们就要一个DC to AC的变压器将其转化为驱动电机转子最爱的交流电。
虽然多数媒体很少关注逆变器，但其实逆变器需要执行的任务非常繁重，它是整套动力系统的第一个关键部件。
逆变器的核心部件是IGBT功率模块，相当于逆变器的CPU指令中心。英飞凌(Infineon)为蔚来ES8提供了HPDrive IGBT功率模块，它被联入蔚来专利的双三相拓扑结构中，具有更高功率密度和更高集成化的特点。
值得一提的是，IGBT是可以“超频”的。如果电池技术得到突破，在续航能力加强的前提下，英飞凌将强化这款IGBT功率模块，将ES8的单台驱动电机最大功率从240kW释放到300kW。
那么，“双三相拓扑结构”又是什么呢？对于纯电动车而言，三相全桥逆变器拓扑结构完全够用，但对于ES8这类有着较大功率需求的纯电动汽车而言，单个三相拓扑架构容易造成功率器件运行不稳定。
没有一顿火锅谈不拢的事情，有的话，来两顿。逆变器也是同样道理，当使用双三相拓扑设计之后，两块逆变功率模块并联，峰值输出翻倍，安全性和可靠性都得到了提升，还可对输出扭矩精准控制。
B、异步感应驱动电机
说起电机，这话题太复杂了，我们先来用分类法简化一下。首先，旋转电机分为控制电机、功率电机、信号电机三大类，我们今天要说的“驱动电机”便是功率电机的一种，它是用来输出功率的。
接下来，我们看看各种功率电机的优缺点：
功率电机性能对比
直流电机交流异步电机交流同步电机
功率密度低中高
转矩性能一般优秀优秀
转速范围4000-6000prm9000-15000prm4000-10000prm
功率因素—82-8590-93
峰值效率85-89%94-95%95-97%
负荷效率80-87%90%-（-92%）85-97%
过载能力200%300-500%300%
电机尺寸/质量大/重中/中小/轻
可靠性差优秀优良
结构坚固性差优秀一般
控制操作性能最佳优秀优秀
控制器成本低廉高昂高昂
我们来解读一下表格：、
1、直流电机效率低、重量大、体积大、可靠性差，除了便宜之外就没什么优点了，老年代步车至爱。
2、交流异步电机，各方面性能都非常优异，功率高、效率高、控制精准、可靠性强、动能回收实现难度低，但造价较高，反应没交流同步电机快，这是蔚来和特斯拉的选择。
3、交流同步电机，各方面性能同样优异，转子结构更复杂，精度更高，尺寸更小，但造价更高。（异步和同步的区别，在于转子速度与定子旋转磁场是否一致。）
接下来，我们来了解一下ES8的高性能电机。ES8搭载了两台异步感应驱动电机，采用铜转子技术，属于国内首创。铜转子的导热性相比铝转子高出了40%，有效提升了转子效率并减少损耗；同时，电机采用了激光焊接，焊接熔深一致性好，强度高于同行业的钎焊方式。
蔚来的异步感应驱动电机在0-5500rpm范围内均可输出420Nm最大扭矩，在5000-6000rpm时的功率和扭矩输出几乎都能够达到峰值，这意味着在对应的60km/h-80km/h时速下，只要驾驶者需要，ES8就能够带来远超内燃机汽车的加速表现。
蔚来电池包经过了条件苛刻的耐久性试验，驱动电机同样如此：
1、以额定最高转速15000rpm的1.2倍（即18000rpm）进行超速测试，保证转子不会被破坏；
2、50g加速度的冲击试验；
3、在炎热、湿热、浸水等条件下，查看密封性能；
4、高低温循环使用状况。
C、大输入功率减速箱
这个不是真的“降低速度”，而是进行转速匹配（电动机转速0-15000rpm，车轮不可能达到）。由于交流异步电机的本身调速范围很广，因此多数车型的减速箱只需要一个挡位，称为“单前速变速箱”亦可。
减速箱可以将转速降低以提升扭矩输出，电机高速运转的转子与减速箱输入轴上齿数少的齿轮相啮合，然后再与输出轴上齿数多的齿轮结合来达到减速的目的，而大小齿轮之间的齿数之比便是减速箱传动比。
由于蔚来ES8的两台驱动电机功率非常大，大输入功率减速箱成为必须，而其减速比为9.6:1。在制造工艺方面，这台大输入功率减速箱还做到了齿轮高精度贴合，从而确保了NVH特性。
编者结语
三电技术说起来简单：电池、电控、电机；三电技术说起来也可以很复杂，目前笔者用6000字仍未深度解剖完这一套纯电驱动系统。
我们总是说“历史是螺旋式发展的”，这就是一个典型例子。纯电动车比汽柴油车早了半个世纪到达这颗蔚蓝星球（18世纪时还算是“蔚蓝”），然而近一个世纪统治地球的却是以数十亿计算的汽柴油车。
如今，能源与环保的需求，同时推动着纯电动车的井喷式发展。纯电动车不是未来的必然，说不定哪天就被氢燃料电池车打趴下了；纯电动车却是历史的必然，更节能、更高效、更安全的三电技术是期间必不可缺的驱动力量。
（文：皆电 黄恒乐）
