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蔡蔚:下一代电驱动的技术创新和技术路线图

人物对话2020.11.04
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节能与新能源汽车要重点打造基于稀土永磁电机系统的电驱动全球竞争力。

10月28日-29日,由嘉定政府支持,国家特聘专家汽车组及盖世汽车联合主办的“2020第十二届全球汽车产业峰会暨第八届汽车与环境创新论坛”隆重召开。此次论坛以“思辨谋局,创新落地”为主题邀请百名权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在新形势、新格局和常态化疫情防控下,有序发展的思路举措。会议期间,哈尔滨理工大学“头雁”教授、精进电动创始人 蔡蔚发表了题为“下一代电驱动的技术创新和技术路线图”的主旨演讲。

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以下为演讲实录:

非常感谢坚持到傍晚的听众。我想留到现在的一般有两类,一是被邀请来的演讲嘉宾,另一类是坚决支持节能与新能源汽车电驱动的铁杆粉丝,对我接下来要讲的内容非常有兴趣。首先简单地自我介绍一下,还真给大家留了几句自我介绍内容。

我的经历很简单,在欧美待了全职工作了14年,在中国工作了20多年。其中在学术行业干了近16年,当过大学教授,我1990年就是大学教授并做电机系副主任,一辈子只与电机打交道,也包括功率电子在电机系统中的应用。这大概就是我的自我的介绍,有学研和产用的“两栖”经历。

顺便介绍一下我最近的工作单位:哈尔滨理工大学。有些人常它当成哈尔滨工业大学,其实然,哈尔滨理工大学排名比哈尔滨工业大学靠后不少。但是,哈尔滨理工大学的电气与电力电子工程系在全国学科排名却在10至20之间,且电气学院的电机与电器、电气绝缘与电缆、和高电压技术等三个专业方向在工业界有“三电黄埔”之称,加上电力电子和电力系统两个专业方向,具备了做好电机系统绝大部分功底。

今天演讲的题目是“下一代电驱动的技术创新和技术路线图,由于国家《节能与新能源汽车技术路线图》是前天由李骏院士发布的,所以我今天把这里原准备要讲的其它内容压缩了,以电驱动技术路线图为主来跟大家进一步分享相关内容。

今天主要是讲两部分,先讲永磁电机和电机系统,包括电机控制器方面的内容;接下来讲一下节能与新能源汽车电驱动系统和产业链的技术路线图这第一张PPT,大家一看都明白,下面这些传统动力和发电装备将往上面这使劲,转型升级到电动化和新能源发电。不是说发动机将来会没了,只是说演变成了不太一样的动力系统。电动化交通只是急待转型升级的许多方面中的一少部分,升级后系统的共同特点就是电机+功率电子,再加上齿轮组成。新能源发电和电动化的绝大多数东西就是研发和产业化这些东西。电几乎都是电机发的(光伏发电和生物质发电除外),且全中国发电总量的60%左右又让电机消耗了,所以电机从业者真得好好做,有了功率电子之后就更得好好做。

讲到电驱动。这一页PPT展示了谁在做电机,图中可见2019年大概就是这些公司在做。但也中汽协的数据不是很准,比如说比亚迪确实在做电机和控制器,但图示也有的企业连电机厂都没有也被标明了其生产电机份额。这个结果是怎么来的呢?源于申报自己生产电机,换了供应商就不用重新做强捡了,既方便又省钱,还不耽误领补贴。

下面这张图显示了2019年全球新能源汽车市场份额,中国占了53%,但是2020年1-7月份中国只占了39%,主要是欧洲的市场份额上去了。部分原因在于我国补贴退坡,欧洲补贴力度大,所以此消彼长。另一方面也说明新能源汽车是未来的发展方向,所以德国和欧洲才提供补贴,支持产业发展。但我还是认为,在补贴推动起步后,降税比补贴更有利于支持产业发展。

这张图是用以将电机分类的,图中标红注解了直流电机、单边励磁和永磁助磁开关磁阻电机应用受限的原因。简单地说,汽车电动化常用的,就是图中标黑的笼型转子感应电机和正弦交流永磁磁阻同步电机等两个。

至于永磁电机与感应电机的比较,我曾经在多个场合讲过,基本上是说做主驱永磁电机比感应电机好。感应电机是不是就一无是处,当然不是。比如说用做四驱的辅驱电机,可以免去传动系统的离合器,因其在高速空转时只产生机械损耗并无铁耗。因不用离合器,切入较快,此处用了感应电机空转无铁耗的优点,使系统简化。但是在作主驱时,感应电机却不如永磁电机,尽管最高效率区的效率就差1个百分点或者两个,但是在大部分的用户开车工况或路谱下,电机主要运行在轻载低速下,在此运行区域内永磁电机可比感应电机的效率高出5-8%左右。这就是为什么永磁电机可以大幅减少电耗。也就是说,装同样电池永磁电机可以使车多开里程,也可以说为了开同样多的里程用永磁电机的车可以少装电池

那为什么特斯拉MODEL S感应电机这有其当时供应商受限的历史原因。现在TESLA MODEL 3已经改用永磁电机了。究其原理,右下角图中可见,涂黑粗线边框内给出的转子电阻损耗和由于产生磁场所需激磁电流分量增加的定子电阻损耗是感应电机特有的损耗,永磁电机没有该损耗,这个就是工况路谱所处的低速轻载下永磁电机效率高于感应电机的原因。

好的永磁体是指磁能积大、矫顽力高、涂层质量好,且随温度变化剩磁改变小。用好的、差的和不用永磁体都可以做电机,安装磁能积高的永磁体电机输出转矩/功率高,使用差的永磁体的电机输出转矩/功率低,并且功率因数也随着永磁体等级降低而减低。低功率因数电机有较多的无功分量在电机和控制器之间来回流动,却不能通过机电能量转换而输出,导致功率电子的伏安能力利用率低、效率也低。总而言之装高档次的永磁体有利于提高永磁电机的性能。那干脆都用高等级永磁体不就得了?我在行业内有句经典的说词:汽车行业对产品的要求是“军工的质量、垃圾的成本”,差的永磁体价格低,有利于降低成本,所以汽车工程师也经常在性能与成本之间寻求妥协,说得好听点,叫追求高性价比。

图示是中国2020年“中国心”十佳的新能源汽车动力系统评审现场,进入现场测评的电机基本上在如下几个方面展示了电机的发展趋势:高效、高速、永磁、安全、可靠、耐久等和好的NVH、EMC等等。测评中还有一个发现,一反传统汽车进口车好于国产品牌、合资车优于自主品牌的老黄历,自主品牌的新能源汽车好于合资品牌,这13辆车我都不仅试驾过,而且还认真地做了比较。

每次讲到电机总得讲点与绕组相关的内容,因为绕组是电机最重要的性能贡献方。汽车驱动电机绕组发展趋势是圆股线绕组被扁电磁线抢去了主导位置。扁线绕组又以“发卡式”为主。事实上发卡绕组既可以用扁电磁线也可以用圆电磁线。因扁线槽满率高、电阻低,故用得较多。发卡绕组一改传统圆股线和大型成型绕组从电机定子内圆槽口下线的工艺,U-形发卡线匝是从电机端部插入槽中的,因此可以用于半开口槽、半闭口槽甚至闭口槽。如果将扁股线做成难以折弯的大线棒或者连续预先绕制成线圈,无论半开半闭从槽口是难放进槽里了,就得用开口槽。不同绕组各有各的优缺点,下面会简单提一下。

扁铜线在槽深方向高会增加涡流,所以每槽布放扁铜线由4根变成6根逐步增至8根,最近我也很高兴看到有的公司在槽高方向摆放5根或者其它奇数根电磁扁线,所以发卡绕组引领着很强的技术发展趋势。圆股线绕组的电阻大,因其同样大小的槽截面积挤放的铜线截面积小,所以损耗大。总而言之,电机用矩形导体的目的旨在降低电损耗

典型的发卡式绕组工艺随着每槽导体不断增加(现在已经到8根了,很多人正在研究10根乃至更多)越来越困难,例如端部扭转整形、焊接等等都困难很大。那有没有更好的解决方法呢?右侧图示下一代的绕组办法,就是多股线换位绕组,其中大电机进行槽内直线段换位。槽内编制铜股线会导致槽满率下降,直流电阻和低频电阻变大。故端部换位也是减低涡流(或交流电阻)的办法。总而言之电机频率越高,绕组换位需求越迫切。然而要往槽中嵌入大型线圈是很难的,铁芯只能采用开口槽。可见,大电机和小电机采用的设计制造方法是不同的小电机可以继续采用线换位并联制成这种低交流电阻的发卡式绕组,从铁芯端部插入,而大电机绕组即使可以做成换位股线线棒,也难以将全部线棒插入铁芯后实施扭转和焊接。

开口槽就是把槽口打开。打开槽口会产生系列问题,例如转矩减低、波动、振动噪音等。要解决振动噪音,得从电磁设计开始就瞄准这些问题。不仅要从定子铁芯上做文章,但更重要的是要在转子表面开沟挖槽、在转子内部优化磁体大小和摆放拓扑。实践证明,永磁电机振动噪音很多时候可以通过转子侧设计努力(包括开沟挖槽)来解决问题。

扁线绕组家族还有其它小兄弟,图示绕组和电机是大陆集团和雷米国际合资做的,最近又被博世和联合电子挖掘出来了,L-型和I-型扁线导体。事实上,这些都源于大陆和雷米合资企业为通用汽车开发得42V混合动力皮卡电机所采用的“L-pin”绕组,缺点是焊点太多。这里告诉大家我发明发卡绕组就是为减少焊点。L-pin、I-pin有焊点多的问题,Hairpin(发卡)绕组才受到青眯。L-pin或I-pin是1998年前后开发的,2000年前后开始生产的,但是市场上只卖了2千多台车,就被通用汽车停产了。这是我的第一个混动电机批产项目,电机绕组不是我设计的,我在雷米负责设计分析和工艺制造,但后来因问题太多而被我发明的发卡绕组取代了。

让我们回顾一下我国电机系统(电机与控制器)方面的发展历程。2010年我国规划的电机比功率只要求1kW/kg,到2020年是每公斤4千瓦。最近这5年中(“十三五”)功率电子控制器功率密度有了翻天覆地的变化。“十二五”结束的2015年,实际控制器产品率密度是6-8kW/L(科技部规划4kW/kg),而2020年控制器产品功率密度已经大于20kW/L、装车样件功率密度大于30kW/L、SiC MOSFET基控制器功率密度已超过40kW/kg。这个进展速度远远快于其它行业的发展。从功率电子电机的功率密度角度上来讲,我国有了长足的进步,世界水平处于相持或差距不大但是在产品竞争力方面还有差,也就是说我国具有全球竞争力的电机系统和电驱动产品以及企业还比较少

驱动电机的50%或更高比列的失效源于绝缘。迫切需要解决绝缘材料和相关电机工艺的绝缘问题。电机向高频方向发展,因而就出现了绝缘系统要耐压、耐电晕、耐温、导热等等一系列的要求。制造行业专家会来问,你是采用单层绕组还是双层绕组,是波绕组还是单层链式绕组?些问题自动化生产密切相关,所以我们必须要认真去研究和解决诸如此类的问题

电机失效问题怎么解决?节能与新能源汽车搭载的都是变频电机,它是怎么失效的呢?一般来说都是老化加剧坏的,源于绝缘材料的耐电晕性能差。我们不仅需要知道它是怎么样坏的,还应顾及应该怎么样解决绝缘和绕组失效问题。可以这么说我国380多新能源汽车相关企业当中,有90%的不知道什么叫局部放电,或没有局部放电实验室及其测评装备、仪器仪表

这里展示了不同耐电晕电磁线,左边是耐电晕扁线。右边的耐电晕圆线,铜导线外面包覆两层、三层或只有一层绝缘漆膜。究其优劣牵涉到扭转的时候不能掉漆膜,同时漆膜导热要好,而且随温度变化时漆膜不能像麦秸管似的脱落等。除了解决这一系列的问题,还要与绝缘系统和冷却油兼容,否则就坏了。局部放电常用于测评耐电晕性能,其设备接地要求严格,要埋置10厘米粗的大铜管作为接地线至近百米深以保障可靠接地。与其他的仪表不一样,故很多电机企业根本没有局部放电测试设备。有人认为不测局部放电或耐电晕不会影响电机产品质量控制事实可清晰地告诉你,不测耐电晕会产生质量问题。

这里展示了我国目前耐电材料的绝缘寿命测试标准,随着电机高频高压发展,电压对时间的导数不断增加。适用于更高频率的耐电晕测试标准也要升级,并且测评设备也得换代。标准和设备是我们要解决一些问题。

除了这些以外,电机系统产品还要有一些设计和工艺认证。如果您以前没做过的话,可以参照该页PPT中的试验认证项目。基本上大部分都在这里面,但不是全部。除此以外,还有更多的。电机好像谁都能做,但是做电机,花了很多钱和做许多实验开发出来的产品的确不一样这个就是为什么有的电机系统供应商中外主机厂都可以接受,而另一些不被接受的原因。当然,也存在部分主机厂甚至不是很清楚耐电晕和局部放电测试对电机产品的可靠耐久有多重要。

电机小型化技术发展有两个措施,第一个是增加电机的极对数,第二个是提高转速,这两个都导致增加,所以控制器开关元器件产生了第三代宽禁带功率半导体的需求。其产业链需求可用这样的一个图来表示,基本上从下游往上游推至模块和芯片材料。在这些环节中大家别忘了中间这部分,过去常被认为不值钱而被忽略,后来认识到了其重要价值,这个环节就是算法和软件,在这里就不详细解释了。在建议“十四五”规划新能源汽车专项的时候,刚开始提出来要做软件,很多人不同意,但现在没有人反对“十四五”专项应列软件攻关的项目。

我们看一下这个硅基IGBT和SiC MOSFET开关元件的损耗比较图,SiC的开关损耗降低显著。从SiC开关损耗变化图中,损耗随着电流的变化是线性的。因此从整体情况来看,结论是碳化硅在低频、轻载低电流、低速的情况下运行效率更高,这就是为什么尽管碳化硅控制器的最高效率IGBT控制器相比就高1%左右,而实际测试出来的车辆工况能耗数据会低5个百分点以上。因为车辆大部分都是在控制器低频轻载下运行的,因此引入SiC控制器可减低车辆的实际能耗,这与用户对车辆耗油、耗电多少的感觉基本一致。

这是我昨天在SAECCE2000会议上听斯达刘总报告时记录的,把它搬过来了。SiC MOSFET的价格大概在2022-2024年之间能逐步降下来,到2026年的时候也许是萝卜白菜价了(开个玩笑),但是我相信SiC的价格逐步下降到可接受范围是可能的。右图描述的是技术成熟度,从导入期、增长期到2025年前后就基本成熟许多了。所以有人问我,你相信2025年会有SiC控制器批量应用于新能源汽车吗?我当然相信,特斯拉已经生产了搭载近30万辆SiC控制器驱动永磁电机系统的电动车了

我们来看看车企和控制器供应商开发和产业化SiC控制器的成绩单,这里只列了一部分单位。我国除了比亚迪“汉”电动车属SiC控制器产品应用、精进电动拿了批量生产的出口合同以外,剩下的自主品牌SiC控制器都处于样件开发的早期阶段。不管中国企业还是国外企业,所用SiC芯片供应商非常集中,Cree、Rohm、ST等。目前还没有产品级自主SiC MOSFET芯片。第三代宽禁带功率半导体材料、芯片和封装方面的供应商需要紧急动员起来,把开发和产业化水平提上去,从而展示下一代国产功率半导体的全球竞争力。

讲到控制算法和软件,一般控制器软件可定义为3个环节,总体称为控制架构。也就是说,控制架构有3块:电流控制策略、控制算法和调制方法。通常大部分应用工程师并不是对三部分都特别了解,往往聚焦在其中一个环节。电机控制技术有矢量控制、直接转矩控制和压频比V/F控制等等,这是技术的架构。在这个架构上电流的控制策略有单位电流最大转矩MTPA、单位电压最大转矩MTPV、单位损耗最大转矩等等如图中所示的各种方法。最好是将不同算法结合起来使用。软件工程师经常用的方法是单位电流最大转矩法,即MTPA。为了提高系统性能,还是需要想出综合办法来提高效率。就是要把我图中所示的三个方法结合起来使用,在不同的区域、不同的边界下采用不同的控制方法,从而提高系统的效率。

这页PPT展示主流的控制算法,PID用得最多。但是除了PID以外还有这么多的,各有各的优缺点,时间关系就不一一给大家罗列了。您要明确您的目的,在适当的地方用到适当的方法,把不同方法因地施用、调教和连接起来方法没多难,但是不花时间是做不出来的。

最后一个是调制方法,也就是空间矢量脉宽调制法、正弦脉宽调制法和六阶梯方波控制等等。大家听起来比较耳熟,尽管可能不是所有工程师都熟悉,但时间关系我还是省略细节讲解吧。

下一代控制器技术是什么?图示精进电动向欧洲出口的控制器和向美国出口的三合一总成,提高电压有利于提高其功率密度。目前基于硅级IGBT的控制器可以做到每升33千瓦,而碳化硅级控制器可以超过40kW/kg。现在已在国外上车进行各项测试,真正的量产要到2022年。

接下来我要讲的是《节能与新能源汽车技术路线图2.0》,聚焦电驱动技术路线图(顺便感谢上海电驱动张总的鼎力相助)。图示电机系统和电驱动的一些关键指标。先讲电驱动系统,再讲电机、控制器和减变速器,最后是上游产业链。大家从前天SAECCE会议上发布的技术路线图2.0已得知是1+9,路线图整体内容是1,图中涂蓝的是9块,即我国技术路线图中提到的节能汽车、纯电动与插电式混合动力、燃料电池、智能网联、动力电池、电驱动总成、充电基础设施、轻量化、智能制造与关键装备等9个方面。

基本上大家首先感兴趣的是新能源汽车上多少量,新能源汽车在2025年规划量是640万,2030年是1520万,2035年是2000万辆。但是路线图文中的实际指标是汽车总量的百分比。我算出的结果考虑了汽车总量提升因素,再乘以规划百分比得来的。企业乘用车的加权平均油耗在WLTC的情况下2025年要达到百公里4.6升,到2030年要达到百公里2.6升,2035年达到2升/100km。所以没有电动化可以达到吗?一点可能性都没有。但考虑国汽车产业链尚有短板,要达到整体目标必须解决这些问题,提高那些有待提高的方方面面。

在电驱动平台下,首先讲一下电压等级。对于不同的车型会有不同的电压要求,当然这个电压的建议并不是说整个车企所有新能源汽车平台的电压,而是说部分车企或车企的部分产品有提高电压的需求。也可以说有部分产品电压上升到这个范围之内,IGBT、宽禁带功率半导体等等技术都应服务于整车达到这个电压范围。

这一页展示了从电机、控制器到电驱动总成的效率、大小等等指标。以电机的比功率为例,产品要从2025年的5kW/kg升级到2030年的6kW/kg,2035年达到7kW/kg。今天2020年是每公斤4点几千瓦(2020年的规划是4kW/kg);控制器功率密度到2025年达到40kW/L,2030年的时候达到50kW/L,2035年上升为70kW/kg。下面还有对动力总成的规划目标。

这一页是对商用车动力总成的规划目标。因为商用车相对乘用车对电驱动的安装空间和重量没有那么敏感,所以路线图对商用车稍微放松了一点要求。因是工信部指导编写的,不是科技部牵头的,故路线图是对量产产品的规划。接下来提一下轮毂电机技术路线图,我们也做了一些规划,轮毂电机的许多技术指标是在一汽新能源开发院赵慧超副院长他们提的初始指标基础上讨论的。相关其它单位也做了大量的工作,包括各种各样的资料收集和数据统计等等,当然也征求了其他部门的意见。总而言之我们对轮毂电机定义有两种,一种是直驱电机用转矩密度规范,一种是带减变速器的,给出功率密度规划值,指标还包括效率等。

接下来谈谈对关键材料和核心元器件/零部件的技术路线图。因篇幅所限,这部分内容不见得从出版的路线图里中找得到,或者说大部分可能不会出版发行。

以下对产业链的要求,也是我们向国家各部委提出的建议性指标,例如对于芯片、器件、材料、元器件等等的要求;比如说,对于永磁体要求其的磁能积从2025年的420kJ/m3一直到2035年的480kJ/m3;还有齿轮、功率器件等等都有一些简单的建议要求。这些都不是凭空来的,都是跟上游的多家供应商进行了广泛沟通后给出的。参加技术路线图电驱动部分编写的也有在坐的上汽节能王健总监等。指标制定是上游供应商、产业链当中的各技术专家共同评审和讨论的结果。为路线图中电机系统的各项指标达成,提出了一些上游产业链各节点的技术路线和实施方法。

这一页是车辆、电机和电机材料硅钢片的三者关系。整车要求电机高转矩、高效率、高功率密度、体积小等;电机对于材料提出的是高磁感应强度、低损耗、高强度(是指高机械强度)等基本升级要求。

高新能钢片包括钴钢片,但是我们汽车行业用不起,到现在为止钴钢片尽管磁感应强度比硅钢片高很多,但价格太贵。也许定制保时捷电动车、限量版,也可以考虑包括钴钢片应用。钴是一个好东西,但是战略物资要慎用。电池不也在追求低钴或无钴吗?

降低重稀土用量对永磁体产业可持续发展是特别重要的,预计到2030年全球会有6000万辆混合动力和新能源汽车,对稀土永磁体需求10万吨左右高重稀土材料占比高甚至会产生资源问题。所以我们要减低重稀土的使用量,也包括技术创新、减少浪费、工艺改进和综合回收利用。用好镧铈材料也很重要,稀土中廉价的镧和铈含量占比较高而开发利用有限,目前可归于浪费掉的较多。要把它利用起来,但不是加上镧铈钕铁硼性能会变好,我们可以从这张图看到镧铈导致矫顽力等性能降低了,但是我们可以考虑经济型车驱动电机或汽车与其它工业融合应用的廉价电机系统。

电驱动路线图对绝缘系统和轴承等提出了很多的性能升级需求,包括绝缘材料的耐热、耐高压、耐电晕、导热性等,也包括对高速轴承提出了到2035年它的疲劳寿命要达到8L10、线速度60m/s和转速达到28krpm等系列上游产业链的要求。

电驱动路线图对车用DC/DC、车载充电器提出了指标要求,进而也对IGBT芯片和封装模块提出了需求指标;同时对碳化硅(SiC MOSFET)为代表的第三代宽禁带功率半导体提出了需要升级的指标。依次对上游产业链其它材料和元器件也提出了需求指标。至于对为什么提出了如此多的要求呢?这是因下游节能与新能源汽车对电机系统和电驱动总成的升级需求,为了达成电驱动的系统指标,我们必须调动全产业链的积极性,提升关键材料和核心零部件/元器件的水平。大家研究一下电驱动路线图布局就明白了。

另外,我们还对主控芯片MCU提出了要求。从国家科技、产业规划中列写MCU的课题。既然要解决这个问题,就不要介意从零开始,MCU指标是不是世界上的最高水平?不一定是,但明确的目标是十四五结束的时候,自主MCU产品能够上车应用

谈到近期研发重点,我们规划中研究共性科学、技术和工程应用为主。理应包括控制芯片、智能化的监测和管理等。在创新工程研究方面,加强对现代硅基和下一代碳化硅级电驱动平台的工程研究,重视新能源电驱动和节能电驱动产业需求,还有商用车、乘用车集中与分布驱动研究等。

最后还是要强调一句话,节能与新能源汽车要重点打造基于稀土永磁电机系统的电驱动全球竞争力我国新能源汽车产业旨在打造世界级的竞争力,电机系统和电驱动的核心技术和产品必须要有引领能力,才能真正表现出我国汽车行业的实力

我这里是不讲正好,一讲就多,原因是总担心讲少了对不起大家。但是我真的没想到,两天会议即将要结束了,听众却越来越多,好像比刚才坐的人更多了,谢谢大家!


 来源:盖世汽车


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