基于專利分析的新能源汽車驅動電機冷卻技術發展現狀分析

郭少杰 王軍雷 夏天 呂惠

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.天津電子信息職業技術學院，天津 300350）

主題詞：新能源汽車 驅動電機 冷卻技術 專利分析

1 引言

目前新能源汽車驅動電機主要以直接驅動式為主，輪邊電機和輪轂電機存在較多技術難題，極少量產。直接驅動式電機又以直流電機、永磁同步電機、交流異步電機和磁阻電機為主，其中，直流電機在早期電動車輛中應用較多，但其機械機構較為復雜、過載能力差、轉速低、維修成本高且電磁干擾嚴重，已基本被淘汰；開關磁阻電機是近些年出現的一種新型電機，結構簡單、可靠性高、質量輕、成本低、效率高且易于維修，非常適合車輛用驅動電機，但目前正在技術研究之中，基本不存在車輛量產應用[1-3]。

當前驅動電機主要以永磁同步和交流異步為主，永磁同步電機由于具有結構緊湊、質量輕、功率密度高、運行效率高，特別是在低速區輸出轉矩大等特點，成為新能源汽車驅動電機的首選[4]。同時，交流異步電機也是新能源汽車驅動系統的優先選擇之一，其轉子結構簡單可靠，材料與制造成本較低，低速區輸出轉矩較大，且弱磁方便，具有很寬的恒功運行范圍[5-6]。以交流異步電機為例，電機結構一般由軸承蓋、端蓋、接線盒、定子、轉子、軸承、冷卻系統、傳感器和罩殼部分構成。當前對驅動電機系統的改進主要圍繞在定子、轉子和冷卻系統的設計，以提高驅動電機的功率密度、轉速和轉矩這3個核心參數[7-8]。

2 驅動電機各核心技術專利申請趨勢分析

本文使用的專利檢索數據庫為中國汽車技術研究中心有限公司自主研發的全球汽車專利數據庫，收錄了全球104個國家6 387萬余條汽車及相關領域的專利。專利選取范圍以申請日為入口，自2000年1月1日起，截至2019年9月31日。

對驅動電機定子、轉子和冷卻系統這3項核心技術進行專利申請趨勢分析，如圖1所示。轉子和定子領域的專利申請量在2000年至2011年期間整體處于快速發展階段，專利申請量在2001、2005和2008年雖有小幅回落，但隨后仍然保持增長勢頭；自2012年起轉子和定子技術進入技術成熟期，專利申請量上下波動，并有所下滑。對于冷卻系統來說，雖然2000年至2016年之間冷卻系統的專利申請量低于轉子和定子相關專利申請量，但在2014年至2017年這幾年間，冷卻系統的專利申請量則一直保持增長狀態，并且在2017年時冷卻系統的專利申請量超過了轉子和定子的專利申請量，說明全球范圍近年來對驅動電機冷卻系統研究的關注度更高。

圖1 驅動電機分技術領域全球申請量趨勢

3 驅動電機冷卻技術專利分析

3.1 專利申請趨勢分析

截止至2019年9月31日，驅動電機冷卻技術相關專利申請全球2 451件，其中在中國申請1 078件，驅動電機冷卻技術在全球和中國范圍專利申請量趨勢如圖2所示。

圖2 驅動電機冷卻技術全球和中國范圍專利申請量趨勢

從圖2中可以看出，受專利18個月公開期的影響，部分專利數據并未公開，2018～2019年專利申請量有所下滑。從全球專利申請分布來看，雖然存在部分年份專利申請量有所下降的情況，但是驅動電機冷卻技術相關專利申請整體處于增長狀態。驅動電機冷卻技術換代升級速度較快，自然冷卻、風冷、水冷、油冷技術升級帶來驅動電機冷卻技術相關專利申請量的持續增長。

中國驅動電機冷卻技術專利申請自2001年起步，雖然起步較晚，但是作為新能源汽車的主要市場，我國驅動電機冷卻相關的技術快速發展，從圖2中的中國與全球專利申請量趨勢對比來看，中國驅動電機冷卻技術相關專利申請緊跟全球技術升級節奏發展，并且中國專利申請量在全球申請總量中的占比越來越高，至2017年時中國驅動電機冷卻技術專利申請量已經達到162件，占2017年全球驅動電機冷卻技術專利申請量282件的57.4%。

3.2 驅動電機冷卻技術專利申請地域分布

以專利的目標申請國為入口，進行驅動電機冷卻技術地域分布分析，驅動電機冷卻技術專利進入國家主要集中在中、美、德、日、歐專局，如表1所示。

表1 驅動電機冷卻技術國家分布情況

具體來看，中國驅動電機冷卻技術專利申請量達到869件，占比47%，我國《節能與新能源汽車技術路線圖》中對驅動電機功率密度提出較高要求，而提高冷卻系統效率是提高驅動電機的功率密度的關鍵之一[9]。

美國和歐洲也是驅動電機冷卻技術專利的主要目標申請國，受益于完善的知識產權保護體系和相對開放的市場環境，各國企業均積極在美國和歐洲進行專利布局；日本也是驅動電機冷卻技術專利的主要目標申請國，不過經分析發現日本相關專利主要是本國申請人（如豐田、本田、日產、電裝等）申請，其他國家進入日本的專利總量較低，日本市場相對封閉。

3.3 驅動電機冷卻技術申請人分析

驅動電機冷卻技術全球范圍主要申請人排名如圖3所示，申請量排名前10的企業依次是豐田、本田、博世、日產、現代、愛信、福特、通用、奧迪和比亞迪，排名前10的申請人專利申請總量相加達到967件，占全球申請總量的52.8%，驅動電機冷卻技術的專利申請較為集中。排名前10的申請人中有8名為主機廠，零部件供應商僅有博世和愛信2名，驅動電機冷卻技術更多掌握在主機廠手中。豐田的專利申請量達到269件，是第2名本田的1.78倍，充分反映豐田對該技術的重視程度、研發投入和知識產權產出能力。國內企業中僅有比亞迪在驅動電機冷卻技術上的全球專利申請量排名前10，位列第10位。

圖3 驅動電機冷卻技術全球范圍主要申請企業專利申請量排名

驅動電機冷卻技術中國范圍主要申請人排名如圖4所示，中國范圍內驅動電機冷卻技術專利申請量排名前3的為豐田、本田和比亞迪。博世對于驅動電機冷卻技術相關專利的全球化布局較多，在中國的專利布局有所不足，僅排名第10位。另外可以看出，通用、現代等主機廠雖然推出電動汽車的時間較晚，但一直未放松驅動電機核心技術的研究和技術儲備，一旦準備轉型電動化則可以迅速起步。排名前10的國內企業除比亞迪外還包括奇瑞、北汽新能源和長安，國內企業在驅動電機冷卻技術上的國內專利儲備已經具備了與跨國企業競爭的實力，但專利向外輸出的能力還有所不足，全球專利申請量排名較為落后。

圖4 驅動電機冷卻技術中國范圍主要企業申請量排名

3.4 驅動電機冷卻技術發明人分析

對驅動電機冷卻技術全球專利申請發明人分布情況進行分析，如表3所示。全球排名前10的發明人中沒有中國申請人，排名第1的發明人為TAKENAKA MASAYUKI，隸屬于愛信公司，自2003～2008年為愛信公司進行驅動電機冷卻技術專利申請，后期轉為對驅動電機控制及其他核心技術的研究。

排名第2的發明人為DEGNER MICHAEL W，隸屬于福特公司，自2011年起至2019年一直致力于驅動電機冷卻技術的研究，重點研究方向為驅動電機水冷技術領域。并列第2名的發明人KUTSUNA NARUHIKO與排名第1的發明人TAKENAKA MASAYUKI屬于愛信公司驅動電機冷卻技術的同一個研究團隊，大量專利申請2人作為共同發明人存在。

表3 驅動電機冷卻技術全球專利申請發明人分布

3.5 驅動電機冷卻技術分布分析

驅動電機冷卻技術按類型可以分為自然冷卻、風冷、水冷和油冷這4大類。早期采用的自然冷卻技術，依靠驅動電機自身的熱傳遞實現散熱，冷卻效率差，電機轉速和轉矩不能過高，技術已被淘汰，因此不進行分析；風冷技術通過散熱風扇形成風路循環，風道內的風帶走電動機產生的熱量，冷卻效果較好，且結構簡單且成本低；水冷是通過管道將冷卻液與驅動電機發熱機構貼合，冷卻效果優于風冷，但結構較為復雜，對密閉性要求較高；油冷技術則用于解決電機內部熱源問題，水冷通常是將流道與電機機殼連接，電機內部的線圈繞組、軸承的熱量需要層層傳遞到電機機殼后才可以被水冷結構帶走，無法被直接冷卻，導致溫度堆積，形成局部熱點，油冷采用通過不導電的油作為冷卻劑，對繞組和軸承等驅動電機內部組件進行冷卻。由于自然冷卻、風冷、水冷和油冷屬于不同的冷卻技術領域，且相互之間沖突較小，在實際應用中經常采用2種或2種以上冷卻方法組合的方式來提高驅動電機的冷卻效率。

根據驅動電機冷卻技術和研發難點為核心，綜合考慮驅動電機結構、檢索可行性、行業分類習慣因素，剔除結構相對簡單且研發關注較低的部分，最終確定驅動電機冷卻技術的技術分解，并對技術分布進行統計，如表2所示。

表2 驅動電機技術分解表

其中，風冷技術占比15%，風冷技術發展已經較為成熟且技術改進點較少，因此專利申請量占比不高；水冷技術是驅動電機冷卻技術專利申請量最多的技術領域，占比60%，水冷技術目前發展較為成熟，且在冷卻效果和成本上具有較好的綜合優勢，目前市場上大部分驅動電機采用水冷技術進行冷卻；油冷技術占比24%，油冷技術為近年來發展的新技術，通過油作為冷卻劑可以對驅動電機內部進行冷卻，提高冷卻效率，進而可以進一步提高驅動電機的功率密度，具有廣闊的發展前景。

3.6 驅動電機冷卻技術路線及核心專利解讀

驅動電機冷卻技術目前主流的技術分支包括風冷、水冷和油冷技術，選擇各技術分支中具有代表性的核心專利進行解讀，用以說明驅動電機冷卻的各技術路線。

風冷的核心技術主要是風流流道設計，例如博世專利WO2018195788A1[10]中提出，開放壞境中，冷卻氣流衰減嚴重，導致電動機氣流通道下游不能被充分散熱，因此有人提出在電動機殼體上設置圓柱形罩筒避免冷卻氣流衰減，但同時會限制外部自然氣流與散熱翅片的接觸，降低散熱效率。因此WO2018195788A1提出可以在驅動電機外殼縱向延伸多個散熱翅片，相鄰散熱翅片之間形成縱向延伸的冷卻空氣流道，確保冷卻氣流流過整個冷卻氣流通道，同時散熱翅片可與與外部自然氣流接觸，提高散熱效率。

目前驅動電機常用的水冷技術主要以水套冷卻結構為主，例如博世專利EP2404362A1[11]中提出在驅動電機殼體上具有可流通冷卻劑的通道，殼體包裹定子用以冷卻電機，其中，水冷流道的設計為水冷結構研究的核心技術，特定的流道結構（常見的結構有：與冷卻液進出口并聯的圓周式圍繞電機殼體的圓周流道，與冷卻液進出口串聯的螺旋式圍繞電機殼體的螺旋流道）、不同流道數量和流道夾角對水冷技術冷卻性能影響較大。

值得注意的是，在水冷時，可以輔助填充導熱樹脂輔助驅動電機冷卻，例如日產專利JP2000014086A[12]中提出定子組件填充有熱傳遞效率良好的樹脂部分，樹脂外側作為水冷技術冷卻流道結合，通過樹脂降低內部熱阻，進一步提高水冷技術的散熱效率。水冷與風冷結合也是趨勢之一，例如北汽新能源專利CN205960887U[13]中提出，通過傳感器實時監測水冷系統中冷卻液溫度，當冷卻液溫度較高時，液壓驅動散熱風扇轉動，帶走水冷系統多余的熱量。

驅動電機油冷技術主要目的在于帶走驅動電機內部線圈的熱量。傳統的空冷系統和外部水套冷卻系統無法直接接觸到驅動電機內部的線圈結構，冷卻效果較差。利用油具有不導電、不導磁、非易燃、導熱好的特性，可以通過油對驅動電機內部的繞組進行直接冷卻。油冷技術按領域可以分為定子冷卻和轉子冷卻，其中，轉子冷卻目前常用的是油冷軸技術，以及例如通用專利US7579725B2[14]提出具有內腔和外腔的空心軸套，冷卻油從轉子軸內腔的冷卻油通道流過，流到底部后改變流道進入外腔，并在外腔直接與轉子接觸，油在流過外腔時會帶走轉子的熱量。定子冷卻目前常用的技術有浸油冷卻和繞組噴淋冷卻，浸油冷卻指定子完全浸油，冷卻效率高但密封設計復雜；繞組噴淋冷卻指將油引入噴油環，把油噴到定子繞組表面來冷卻繞組，但存在無法完全覆蓋定子，導致冷卻不均勻的問題。豐田專利US20070278869A1[15]中提出在定子芯上側設置噴油口，定子芯下側設置排油口，通過蓋子構成封閉式冷卻油流道，使得定子部分與冷卻油接觸，并設置流量控制單元，可以根據旋轉電機的狀態來改變填充在冷卻流道中的流體線圈的浸沒水平。

當前，新能源汽車對驅動電機的功率密度參數要求日趨嚴格，對驅動電機冷卻效率的要求也越來越高，冷卻效率較高的油冷技術及多種冷卻技術結合應用已經成為發展趨勢。

4 結論

目前，驅動電機冷卻技術已經成為驅動電機各技術領域中專利申請量增長最快的技術領域，處于快速發展階段，并且中國已經成為驅動電機冷卻技術最大的專利申請目標國，占比47%。

而從申請人看，驅動電機冷卻技術主要掌握在跨國主機廠和Tier1手中，國內企業中僅比亞迪專利申請量位列全球第10位，另外奇瑞、北汽新能源和長安在國內具有較多的驅動電機冷卻技術專利申請。國內企業應該更加重視驅動電機冷卻技術在全球的專利布局，以防在“走出去”的時候受到知識產權的制約。綜合發明人分析，專利申請量排名前10的發明人中不存在中國發明人，還有待追趕。

驅動電機冷卻技術目前主要以風冷、水冷和油冷技術為研發熱點，從專利上看，風冷和水冷技術中流道的設計均十分重要，水冷技術出現與樹脂散熱和風冷技術結合的發展趨勢，油冷技術雖然冷卻效果好，但結構明顯更加復雜，多種冷卻技術之間有效結合來提高冷卻效率已成為重要的發展趨勢。