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蔡蔚:下一代电驱动系统全产业链的关键技术

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2021年6月22日-23日,由盖世汽车主办的“2021中国下一代汽车高质量发展论坛•三电先进技术•”在南京召开。本次会议持续两天,将围绕新能源三电中长期技术发展趋势、政策、标准、上下游供应链、成本、材料体系、电池结构技术、热管理、安全技术、电机电控关键技术、智能制造等行业焦点话题展开。会议期间,精进电动创始人蔡蔚博士发表了“下一代电驱动系统全产业链的关键技术”的演讲。 

蔡蔚(主持人):谢谢盖世汽车,盖世是我国家在汽车领域排名第一的媒体,是自主媒体。今天大会的议题主要是汽车的三电技术,包括如下几方面的主要内容:1.电驱动系统、2.电池、3.整车控制及其他充电和上游供应链的现状与发展。

为什么叫下一代?

因为我国直到今年为止,新能源汽车主要还是靠政府补贴和法规推动,市场经济拉动成分不高。然而从明年开始,补贴就没有了,车厂需要在法规规范内靠市场竞争来取得胜利。到了谈高质量发展的时机。本次会议为什么聚焦电动化汽车呢?在2021-2035年国家《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中,规划到2025年,我国3200万辆汽车总量中,将有1900多万辆是新能源汽车和混合动力汽车(二者合一叫电动化汽车),即那时市场上大多数是电动化汽车。所以这次大会聚焦未来汽车发展的主要趋势:电动化。

为了多快好省地发展电动化汽车,今天的会议重点研讨三电技术。到2025年的下一代汽车仍然是装ICE发动机的占多数(含混合动力),但是这个论坛集中在新能源汽车的三电技术上。   

我常说的一句话:核心零部件三电技术强,新能源汽车则强,并带动我国汽车产业由大变强。

我名字叫蔡蔚,今天的大会由我来主持,第一个报告也由我来作,题目是“下一代电驱动系统全产业链的关键技术”。

时间注定今天一定是蜻蜓点水,半个小时讲不了太多内容。尽管准备了100多页PPT,但是先只拿出50页来讲一讲,如果时间允许的话再多讲几页。PPT分两个部分,后半部分是功率电子和下一代电驱动系统的技术路线图,争取稍微提一下,主要讲前面50页的电驱动总成和电机相关内容。

个人简介

首先介绍一下自己,我在欧美全职工作14年多,在中国工作了20多年。30多年里,在学研界待了十六年,也就是说在研究所当研究人员和在大学里当教授16年多,在产用界干了20多年。

我在美国助推雷米国际在纳斯达克上市,回到中国以后创立了精进电动,目前精进电动已通过了科创版IPO审核。

从1990年开始做大学副教授、系主任,后来出国先在美国的威斯康星大学,然后在瑞士的苏苏黎世联邦工学院,随后又去了美国克拉克森大学,最后在位于印第安纳州的雷米公司等工作。2008年奥运会之前,回国创立了精进电动,去年正式开始到了哈尔滨理工大学做全职教授。

顺便介绍一下哈尔滨理工大学电气工程学科。电气与电力电子工程学院的所有专业都是一表招生,尤其是电机、绝缘电缆和高电压技术三方面在我国业界经常被称为“三电黄埔”,因为许多中小型电缆厂、电机厂等的总经理、总工程师毕业于哈理工。学院的各个专业在装备制造业中有其独到之处。

今天的主题演讲分如下几点

(1)“双碳”战略与驱动;(2)电驱动总成&稀土永磁电机;(3)功率电子控制器;(4)2021-2035电驱动技术路线图。    “双碳”战略是2030年碳达峰、2060年碳中和可能碳中和更具挑战一些。过去在发展过程中,我国实际上在碳方面,尤其在发电方面问题比较严重。2020年,我们煤发电占了71%,前几年还只占65%、68%,去年又煤电回升了。原因很简单,在新能源发电当中我们遇到了一些挑战,主要是局域网和储能还不完善,导致风电和光电调节峰谷做得还不太好。但这些局部问题都在逐步改变和发展。

这页PPT所示装备放在一起,从机器人、电动化交通到新能源发电等等,最后都可归结为开发和应用电机、功率电子、机械传动。所以我在这里集中描述这些方面全产业链的关键技术。

讲到电动化的交通,不管是天上飞的、下海里游的,还是载地上跑的,电动化交通的电驱动系统都是相通的,故如下仅以电动化汽车的电驱动系统作为案例。

齿轮箱,电机、功率电子、电池是汽车电驱动的核心。

在混合动力、纯电动和燃料电池三种车型中,混合动力汽车是降碳的主力军。碳排放与燃油量是正比关系。耗油越多碳排放就越多,省油就是减少二氧化碳排放,所以混合动力汽车是降碳的主力军。

纯电动车是降低PM2.5等污染的主力军。我在许多场合曾经讲过,即使电动车用电100%来自煤电,电动车有毒气体和微颗粒的排放也比同重量的轿车少一半,甚至3/4。也就是说纯电动车可以降低包括发电、输电、充电全过程的总污染排放,而在运行地区实现“0”排放。

纯电动车能否降碳?高效电驱动系统固然可以减低碳排放,但是它的碳排放是取决于发电,也就是说电动车全用煤电的话,碳排放就要多一些,如果用太阳能、风能和核能等发电比例较高,电动车碳排放就少一些。所以电动车降碳不仅取决于它本身,还取决于发电系统的碳排放。

燃料电池车,去年全中国生产1177辆,我认为还需要努力,尽管燃料电池车有了数百亿、上千亿的投资,但是2021年全国产销1177辆,目前还处在努力奋斗阶段。

1881年法国人古斯塔夫发明了电动三轮车。尽管比他早十几年还有一个电动车,但是那个电池是一次性的,不能充电,故没被称之为电动车。

内燃机汽车比电动车晚,是1886年才有的。卡尔•奔驰先把车做出来以后,但没有报专利,要是现在把车做出来了,没报专利就等于已经公开了技术秘密,就报不了专利了。但是那个时候不像现在的网络这么发达,所以他到1886年才申报专利。为了博得信任,奔驰的夫人把这个车开到她娘家去,开了100公里,才得以信任。这就是大家都熟悉的内燃机汽车的诞生。

混合动力是1890年由保时捷发明的。保时捷21岁就发明了轮毂电机,然后他在1898年时用汽油机带着发电机发电,电被送给轮毂电机来开动这个车,就出现了世界上第一辆混合动力汽车。原理上有点像当今的增程电动车。

电动车、燃油车和混合动力汽车发明130年后的今天,图示给出当今汽车的成本构成,传统汽车在底盘、传动总成和发动机三块成本占较大比例;新能源汽车成本占比则以电池、电驱动系统和整车智能控制占比较高。其中电驱动总成实际上占比并不高,主要还是电池和电池管理系统较贵。从降成本角度来讲,电池是主要对象。放到这里的两张成本构成图不一定100%正确,仅供大家参考。

我国2021~2035年《节能与新能源汽车技术路线图2.0》到2025年汽车产销大概是3200万辆,2030年大概是3800万辆,2035年大概4000万辆。

规划新能源汽车到2025年占比20%,即640万辆,到2035年时占比50%,即2000万辆,剩下剩下的另一半是混合动力汽车,传统燃油汽车按规划到2035年是0。这就是说专门烧油的车,没有电机、也不装混合动力系统的车接近停产。我相信传统燃油车届时也一定不是0,还占一个不大的比例。但是,每台车至少搭载一台驱动电机,只是说明国家汽车电动化的决心。

汽车行业技术路线图跟其他学学会编编制的技术路线图不一样,它是国家高层领导认可的,原因为汽车行业占我国GDP比重太高,从2011年开始,汽车全产业链已经占GDP的10%以上,而且一直保持到现在,最多的一年占比14%。

如下是规划的车企油耗指标,包括含新能源汽车和不含新能源汽车的两种算法的车企加权平均百公里油耗。达不到这个指标怎么办?奖惩用双积分政策规范实施碳交换,去年多个车企因不满足双积分政策而被罚款近10个亿。大家一听就知道罚款额度跟补贴不是一个量级的,所以未来法规的驱动和市场拉动将使得新能源汽车进一步向前发展。

除此以外,还有国六的排放法规限制,采用WLTC和CLTC循环工况取代NEDC分别测评节能和新能源汽车能耗。。

谈到新能源汽车占比要求,是不是中国有规划,其它国家没有?准确地说,我国的规划是参考美国加州的汽车“0”排放法规制定的。任何车企要在加利福尼亚卖车,就要有如图所示的零排放的汽车。对比来看,加利福尼亚到2025年规划是22%的零排放的车,我国新能源汽车要求占比是20%,所以美国加州法规比我国新能源占比规划更严厉。

在我国车企的传统汽车油耗或新能源汽车占比不达标,都要执行碳交换,也就是罚款,加利福尼亚州也一样。以特斯拉为例,特斯拉最早model S在美国卖一辆车就可以得3.5万美金的补贴。加利福尼亚州政府有这么多钱补贴吗?这些补贴款是从其他车厂来的,比如通用汽车、丰田汽车等,因没有那么多零排放的车必须交的罚款。零排放车占比不达标被收缴的罚款通过加州政府奖给了像特斯拉或其他纯电动车车企。因而,这明显是可再生的奖惩循环。我国的补贴款来自国家和地方财政,是从老百姓兜里收得税款,因为补贴不是行业内部的循环,故不可持续。补贴一定要过渡到碳交换是大势所趋。

加州的过度零排放汽车,相当于我国的插电式混合动力汽车,就是需要一定零排放行驶里程的混合动力汽车。

讲讲我国新能源汽车的总体情况:图示2021年第一季度新能源汽车达到7.9%的市场渗透率,图下面的表格给出的是燃料电池汽车,2020年全国总销售1177辆,还需要努力。量少的最主要原因是规模制氢成本和碳排放的问题。现在制氢主要渠道还是电解水。当然废气循环也能制氢,但不能支撑燃料电池汽车用户使用,所以这个行业需要大家共同努力向前发展。   

不管是燃料汽车、混合动力汽车、纯,最主要的部分就是高效节能,怎么判断是否高效呢?我国过去一直用得是新欧洲工况(NEDC),因为欧洲人跟我们开车明显不一样,后来工信部给天汽中心拨了一些钱,做了CLTC工况。用CLTC工况测得能耗与NEDC测得的差不多,关键是与用户实际开车能耗相差较大。我个人认为还需要改进。

以如何评价电机为例,这台电机是转矩300Nm转速12000rpm的,其工况运行在75Nm以下,也就是说1/4的转矩以下,在5000rpm转速下部分占了86%,也就是说用户开车86%的时间是在低速低转矩的情况下。过去在评价电机系统时,往往用的是最高效率区,电机最高效率区实际上用得很少,用它评价电机好坏是不准确的。为了降低车辆能耗,实际上希望把最高效率区推到转矩转速平面第一象限的左下角,将图中蓝线下面这一运行板块效率提高高,耗油或耗电才少。一个电机在零转速时效率一定是零,这是个基本原理,所以节能降耗遇到了挑战,但需要向这个方向去努力。但是原来用最高效率点评价电机系统或电驱动总成需要改变。

NEDC、WLTC和CLTC工况。

在电动车测评过程中,用WLTC工况测得的电耗要比NEDC和CLTC高20%多。 WLTC是正确的测平工况吗?也不一定,但是它得出来的电耗和油耗更接近用户的实际感受。与全球同步,我国所有燃油车(包括混合动力汽车)从2021年开始要采用WLTC工况。我国的CLTC工况还有改进余地,也就是说让其更接近用户开车实际用的油耗和电耗。当然,一个规范或测试工况,不能代表所有人的驾驶习惯和用车路况,但是它应接近大多数人的驾驶实况。

以下是中汽院的对比测评结果, 发现特斯拉X车型的WLTC和CLTC工况电耗差距较小。为什么特斯拉WLTC与CLTC工况电耗差得较小,只相差10%,其他车辆, 例如BYD,日产等却差26%~28%。说明车上三电系统也可以改善,换句话说除了改善工况使之接近实际行驶,应该承认电驱动系统有改进的余地。

如图展示了按工况测出的结果, 2019年小型燃油车百公里油耗是6.46升,考虑到新能源汽车的分摊作用,小型车百公里油耗降至5.56升/100公里。如果按这个油耗计算开车的话,发现一个小型的汽油车大概开100公里需要37元~44元左右。而即使是大型电动车,按照2021年6月份居民电费标准计算也就是每开100公里只需电费10元左右,最多15元。也就是说开一个豪华大型的电动车百公里电费也不到小型电动车百公里油费的三分之一。

图中展示了2016-2035年电机比功率和控制器体密度规划值,其中2020年分别是4kW/kg和17kW/L。2020年的指标只有个别企业达到。但是进入工信部240个电机系统企业大多数企业并没有达到这个指标,所以全产业链仍需继续努力。

表中显示了2020年我国驱动电机供货前十和控制器供货前十。仅统计前十是因为他们已经占了市场70%左右。但是该统计表中数据没有包括出口,例如精进电动出口得多,但没包含在其中。。

电驱动系统有两种,左边是集中驱动,右边是分布驱动。粗略地讲,集中驱动就是把发动机拿掉,换上电机。而分布驱动则是每个汽车轮子装上一个电机,每个电机有单独驱动。因此,左轮和右轮之间协调变得尤为重要,如果协调不好就掉沟里了,所以各个轮子如何协调是很重要的。

由于轮毂电机所产生的其他一些问题,例如簧上质量下移、密封等没有得到很好地解决,所以到今天为止轮毂电机在全世界汽车届没有量产,但有示范。全世界大概有1万台左右分布驱动汽车,其中轮边电机比较多,例如比亚迪K9早期生产了大量的轮边电机,但是轮毂电机汽车则没有量产。

电驱动新增材料和集成单元是多少?驱动电机包括上游的永磁体、硅钢片和电磁线以及绝缘材料等。 功率电子领域包括电机控制、动力控制、电池控制、车载充电器、DC/DC, IGBT/SiC芯片和模块等。在新能源汽车领域产生了这么多新生意可做,需要创新创业、继往开来。

电驱动系统在逐步演化的过程中,由电机、减速器、功率电子控制器分离原件,逐步变成电机和减速器放在一起的“二合一”,最后把三个分离子总成集成放到一起,叫“三合一”。现在还没有真正意义的“三合一”,因为电机绝缘、功率电子、控制芯片和轮系等的耐热等级不同。这是三合一的基础模块,控制器+电机+齿轮箱+软件和算法。

全中国去年有50万左右用的是三合一,比亚迪和特斯拉占了中国的一半。为什么向多功能模块化方向发展?因为效率高、占空间少、重量轻等,如图显示了由分离子总成变成“三合一”电驱动模块的测试结果比较,从MAP图明显可见效率提升。

如果经一部把总成控制器、DC/DC,车载充电器、辅助驱动系统(包括油泵、空调等)都加入到“三合一”系统中,就形成了“多合一”,电驱动系统正由“三合一”向“多合一”发展。

进入工信部目录的新能源汽车驱动电机产品,2020年有240家电机企业。头部10家电机系统占了市场份额的75%~80%,后面的200多家只占了10%左右的应用市场份额。

从工信部目录中看不同车型驱动电机企业排名:乘用车第一是比亚迪,客车第一是精进电动,专用车第一是苏州绿控。当然上了目录不一定有产量,上目录只是拿到了电机系统的“准生证”。

如下表是典型新一代新能源汽车OEM的电驱动供应商:这里有新造车势力,有传统车厂,还有国外OEM。从表中不难看出,中外主机厂的功率电子模块的供应商主要来自国际平台,也即非中国自主供应商。

在电驱动总成中,行业常常被问到减速和变速如何选取?简单回复是:普通轿车或小轿车用减速器,高性能运动轿跑用两档箱,城际运营商用车用减速或变速器,中国公交大巴用直驱或减速器,但欧美大巴得用大功率变速器、不能用直驱,重载工程车             用多档位变速箱等等。时间关系,就不详细解释了。

感应电机在新能源汽车中做主驱动电机应用逐步减少。是否仍有些场合适合感应电机?如果有四驱需求的话,辅驱如果用永磁电机需要加离合器,但辅驱放一个感应电机是可以节省掉离合器的。主驱用感应电机一定不好,因为能耗太多,这一点不仅特斯拉证明了,步其后尘的蔚来也证明了,用自己切身经历证明了主驱电机最好是永磁电机。

驱动电机未来的发展方向是高效、高速、永磁、安全、可靠,良好的NVH和EMC指标。从2020年新能源汽车中国心评比中可以看出,十个入围的电驱动系统都是永磁电机,永磁电机做主驱的选择是无需质疑的。不要看到马勒、宝马、奥迪等用了励磁同步电机做“备胎”样车就怀疑永磁电机的地位被撼动了。

励磁同步电机和永磁电机有什么差别?传统同步电机的励磁可以通过调节励磁电流来调节磁场强弱,甚至改变磁场方向。而永磁电机的永磁体产生的磁场方向固定、强弱随温度升高而下降且弄不好会发生永久退磁。新能源汽车用的永磁体基本都是烧结钕铁硼。用什么档次的永磁体?汽车驱动电机主要用UH系列和EH系列永磁体。这个图还给出了哪个行业用什么档次的永磁体, 用作参考。以2021年6月份的市场价格为例35UH约330-350元/kg; (中间价340元/kg), 35EH: 380~400元/kg(中间价389元/kg)。这个价格与去年相比涨了很多。新能源汽车驱动电机用永磁体要做哪些努力来改善性能提高性价比?如下给出了技术方面的要求和发展方向。其中减低重稀土用量是个主要努力方向。

车用永磁体需求量,全世界用量预估到2030年大概会达到10万吨。永磁体单位功率用量,即每千瓦电机输出功率用多少永磁体,总而言之,材料用得少有利于降低电机成本。图中给出了全球几款电机单位输出功率的材料用量。 但是,永磁材料成本要与其它材料用量、整体工艺复杂性、可行性、产品安全裕度综合起来考虑。

如何降低永磁体成本和保证永磁材料产业链安全可控?首先是重稀土的利用,重稀土有资源问题,晶格细化、浸镝(或铽)等重稀土可以减少重稀土用量,已保障资源的合理利用;提高永磁材料的电阻率以减少永磁体涡流损耗和发热,以保证高温下电机性能,一旦材料问题解决不了怎么办?就要考虑将永磁体分块,从而在电机设计时采取降低损耗的办法。

涂层问题非常重要,我反复强调,涂层尽量不用金属涂层,因为金属涂层是导电的,将造成整个内置永磁体形似感应电机导条发热,会出现因永磁体升温而致电机性能下滑。 所以从2008年我就开始讲,讲到现在还有很多人仍在用金属涂层。当然除了因不理解而选择金属镀层外,也有片面追求低成本而在内置永磁电机中用金属涂层的。

这个表格将各种涂层的优缺点做了很好的总结,原始数据来自天津三环乐喜。

斜极应该采用轴向V型斜极布置,我是世界上第一个采用这种斜极拓扑的。因当年做的V-型转子斜极时候并没有报专利,所以今天全世界都可以免费用V-型斜极的方法消除电机负载变化而引起的轴向电磁力交变和冲击。。

“发卡式”(Hairpin)绕组,特别是扁线发卡式绕组是我本世界初发明的,20年后的今天,发卡扁线绕组仍然是引领高效汽车驱动电机的先进技术。沿槽高方向布置的扁线导体层数增多有利于减低涡流挤肤效应,但却使制造工艺变得复杂。换位扁线是值得探索的高频电机绕组新技术。

至于I-PIN型绕组,我认为焊点太多,制造问题明显,主要是焊点太多,端部较长。这是当年大陆公司首先提出的,并以此与雷米合资提供通用汽车的42V混合动力皮卡电机。

S型绕组,是用连续波绕的绕组方式。我常将其工艺流程比做先做“鸟笼子”,后将其沿径向压缩从电机定子内圆涨入定子槽。随着电机变大径向压缩变得越来越难,甚至不可能。 该技术是在本世纪初美国雷米公司从福特的伟世通(Visteon)公司初买的,当时只用在汽车发电机上。

这页PPT聚焦怎样做好扁线绕组的扁线导体?产品制造应该注意什么?

图示耐电晕扁线正常与失效试验结果。 高频绕组要进行局部放电试验, 不幸的是许多电机供应商并无试验设备,电机绕组也就没做PDIV和PDEV试验就出厂了。 这个视频展示了换位扁线绕组的制造过程,视频是我在金杯电工产线上录制的。

值得强调,绝缘老化不全是热老化所致,也可能源于局部电老化,怎么样区分电老化和热老化?烧了电机原因要搞清楚。无局部放电(无PD)是热老化,有局部放电(有PD)应属电老化。

实在抱歉,时间所限,今天就讲到这里。我准备的PPT内容太多, 还有60多页PPT(包括功率电子控制器的关键技术等)将来有机会再与大家分享。

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

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