精進(jìn)電動(dòng)創(chuàng)始人蔡蔚：西安西瑪電機(jī)和電力電子相關(guān)技術(shù)

時(shí)間：2019-08-16 10:00

　很高興有機(jī)會(huì)跟大家分享一下關(guān)于電力電子方面的問題。我在這里主要是講電機(jī)對(duì)這方面的需求。精進(jìn)電動(dòng)最近在電力電子方面做了很多的工作，一半是在國內(nèi)做的、還有一半是在美國做的，是美國團(tuán)隊(duì)做的，我跟大家講講我們做了什么。

　　能源向輕量化發(fā)展，所以汽車向電動(dòng)化發(fā)展，汽車和能源兩個(gè)結(jié)合到一起才是中國國家發(fā)展的大旗。以某知名品牌電動(dòng)車為例，他現(xiàn)在二氧化碳的排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了燃油車，所以電動(dòng)車也不應(yīng)該鼓勵(lì)超大和超豪華的方向發(fā)展。

　　這是我們大家都熟悉的一些法規(guī)方面的問題，沒有電動(dòng)化是不可能達(dá)到油耗指標(biāo)的、也不可能達(dá)到我們國家特別規(guī)劃出來的雙積分的政策。

　　還有一個(gè)原理方面的問題，傳統(tǒng)汽車的能量轉(zhuǎn)換是單向的，電動(dòng)化的汽車能量轉(zhuǎn)換傳遞是雙向的，這是一個(gè)原理的問題，這是為什么電動(dòng)車節(jié)能的一個(gè)主要的原因。電機(jī)既能把電能變成機(jī)械能、也能把機(jī)械能變成電能，而傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱變成機(jī)械能以后再想變回去是不可能的，如果不用的話全部浪費(fèi)掉。電驅(qū)動(dòng)和總成的發(fā)展，是以電機(jī)和電力電子為技術(shù)總成的。我們國家的“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃，最開始的時(shí)候我就跟歐陽老師商量把這個(gè)字改了，原來叫“電機(jī)系統(tǒng)”，把它改成了“電機(jī)和電力電子”，更明確的說明了電力電子在這方面的重要性。

　　大概有幾個(gè)方面，包括電機(jī)的本題，齒輪、齒輪箱、車載充電器、輔機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、功率控制器、總成的信號(hào)控制器，整個(gè)加到一起是從軟件和算法連起來，跟整車的聯(lián)系是機(jī)電和通訊。

　　圖中間畫綠框的是跟電力電子相關(guān)的東西，就是說我們?cè)谥v一個(gè)混合動(dòng)力，為什么講混合動(dòng)力呢?因?yàn)榛旌蟿?dòng)力更復(fù)雜一些，是電動(dòng)化的部分+傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的部分。

　　如果把我們國家的“三電”技術(shù)放到一起，我們大概發(fā)現(xiàn)有這樣幾個(gè)東西，驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本上是感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)，而功率電子元器件是用硅基IGBT和未來的第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體方向發(fā)展，電池基本上是傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳氫電池，未來向固態(tài)電池方向發(fā)展。

　　如果我們把電機(jī)分成兩種的話，現(xiàn)在市場上用的主要是永磁化的電機(jī)，而永磁化的電機(jī)逐步達(dá)到了我們國家的新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的85%到90%以上，而且有進(jìn)一步向前發(fā)展的趨勢。我這里不講感應(yīng)電機(jī)，只講永磁電機(jī)。永磁電機(jī)集中繞組和分布繞組的，極對(duì)數(shù)增加是減少電機(jī)尺寸的一個(gè)方法。增加電機(jī)的轉(zhuǎn)速是減少電機(jī)尺寸的另一個(gè)方法，原理上來講只有這兩個(gè)方法，剩下的都是向材料挑戰(zhàn)。

　　我們得出了分布繞組和集中繞組的電機(jī)各有特點(diǎn)。分布繞組，省材料、不花錢的繞組多。集中繞組，因?yàn)楣ぷ鲄^(qū)比較狹窄。大家都知道，工程師最害怕科學(xué)家給了我們一個(gè)數(shù)，這個(gè)數(shù)沒有誤差。工程師總是要求誤差的，而集中繞組的電機(jī)誤差是比較大，而分布繞組的可能誤差比較小。得出結(jié)論也是，分布繞組的電機(jī)不太容易散熱，集中繞組的電機(jī)容易散熱，如果你發(fā)現(xiàn)電機(jī)燒了百分之八九十都是集中繞組電機(jī)，普遍采用的方法是封到一起，用高導(dǎo)熱率的材料進(jìn)行密封。

　　對(duì)于高速電機(jī)的需求有兩種，一種叫BSG，現(xiàn)在的混合動(dòng)力電機(jī)當(dāng)中的48V，48V電機(jī)需要很高的轉(zhuǎn)速，因?yàn)橛幸粋€(gè)皮帶傳輸比2.5到3，而電機(jī)最低要求是1.5萬轉(zhuǎn)，大部分需要1.8萬轉(zhuǎn)甚至2萬轉(zhuǎn)的電機(jī)，這么高轉(zhuǎn)速的電機(jī)我們就需要開發(fā)高速電機(jī)，因而功率電子的頻率需要提高。

　　除此以外，還有一種是燃料電池的空壓機(jī)和電動(dòng)渦輪增壓器，這個(gè)是指對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)提高效率的一個(gè)方法，就是用電動(dòng)渦輪增壓器和燃料電池。剛才清華的老師已經(jīng)講了，我們一起合作在做，這個(gè)需要9萬轉(zhuǎn)到14萬轉(zhuǎn)高的轉(zhuǎn)速。這么高轉(zhuǎn)速的電機(jī)顯然對(duì)電力電子提出了挑戰(zhàn)，我們必須提高頻率。

　　還有一種是矩形導(dǎo)體的，剛才歐陽老師也講了，矩形導(dǎo)體我國是世界上第一個(gè)把它放到新能源汽車上應(yīng)用的，而且是批量生產(chǎn)的。14年以后，我很高興的看到了全世界沒有一個(gè)公司沒有研發(fā)這個(gè)，尤其是國外的公司。就是說經(jīng)過14年大家終于認(rèn)識(shí)到了我15年前的專利是有用的，但是這個(gè)時(shí)候正好可以不用專利了。

　　汽車未來既可以充電，也可以作為電源使用，這是一個(gè)很重要的部分。而且車作為局域網(wǎng)的一部分使用，也是作為一個(gè)電源充電和放電兩個(gè)共同作用的部分。

　　汽車電動(dòng)化的另一個(gè)就是智能化，過去很多電機(jī)系統(tǒng)不具備智能化，而現(xiàn)在由于網(wǎng)聯(lián)化等等的一些需求，比如馬航的飛機(jī)沒了，我們一直在找通訊的黑匣子，好知道飛機(jī)在哪兒，未來的車也應(yīng)該有這個(gè)，因而國產(chǎn)化的電力電子和一些智能控制的軟件非常重要，所以一定要看到自主方面該做的事情，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了成本能和不能的問題。

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　　還有一個(gè)軟件和算法的問題，通過軟件和算法可以降低噪音大概5—6分貝，我們可以通過一系列算法提高現(xiàn)有的電機(jī)功率15%，僅僅通過控制算法。

　　還有一個(gè)軟件的問題，是應(yīng)用加上Service做到OSEK。

　　我認(rèn)為應(yīng)該做的是雙面冷卻，現(xiàn)有的IGBT應(yīng)該是發(fā)展的方向。而碳化硅、氮化鎵是未來的發(fā)展方向。精進(jìn)電動(dòng)在這方面跟美國的數(shù)所大學(xué)在合作，做了一個(gè)80千瓦的碳化硅的控制器，也在做另一個(gè)30千瓦的氮化鎵的控制器，主要應(yīng)用于燃料電池和其他幾個(gè)方面的應(yīng)用，氮化鎵暫時(shí)不適用于高電壓的控制器，目前還不具備這個(gè)條件。

　　芯片方面，比亞迪的宋全部用自己的芯片、自己的封裝，做自己的控制器來控制宋，過去秦曾經(jīng)嘗試過，不是非常成功，后來經(jīng)過改進(jìn)，他們已經(jīng)具有了產(chǎn)業(yè)化的能力?，F(xiàn)有的價(jià)格這個(gè)模塊是多少錢呢?兩三千塊，應(yīng)該目標(biāo)價(jià)格是700元，能不能做到?應(yīng)該可以做到，這是我的觀點(diǎn)。

　　另一個(gè)是多功能集成在一起，精進(jìn)電動(dòng)目前做的有四合一的控制器。還有一個(gè)充電和驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殚_車的時(shí)候從來不充電、充電的時(shí)候不開車。我知道有很多人說無線充電的時(shí)候，車一邊走、一邊充，現(xiàn)在還沒做到這一點(diǎn)。我們完全可以用一個(gè)功率模塊來做，有很多的人都在嘗試著做這樣一些東西，精進(jìn)電動(dòng)也在嘗試。

　　另一個(gè)，電力電子的碳化硅和電機(jī)集成到一起了，溫度也可以集中到一起，剛才溫老師已經(jīng)提到了絕緣方面有很大的問題，中國所有的絕緣材料的原材料全部依賴進(jìn)口，百分之百，我們必須解決這個(gè)問題，否則將來受控于人家。另外電機(jī)與減速器集成，精進(jìn)電動(dòng)已經(jīng)大批量的推廣這個(gè)東西，商用車上我們推廣的是電機(jī)和變速器的集成，尤其是兩檔變速箱。

　　我想順便提一下這件事，是噪音相關(guān)的問題。左邊講的反電勢的問題是電機(jī)可以做到的，可是為了做好這個(gè)需要增加電機(jī)的成本，但是增加了電機(jī)的成本就可以減少控制器電容的使用量，電機(jī)和控制器是相輔相成的，一個(gè)提高了另一個(gè)就可以下降。

　　提高電壓有利于增加功率，比亞迪是一個(gè)典型的改革，在制定“中國制造2025”方案的時(shí)候，他們提出了做1500V甚至更高的建議，最后大家還是在1000V以下。

　　一些關(guān)鍵的技術(shù)是什么?我們首先認(rèn)為，一個(gè)是電機(jī)的極對(duì)數(shù)要多，一個(gè)是電機(jī)的轉(zhuǎn)速要高。原理上來講減少電機(jī)，為什么減少電機(jī)，多用控制器、少用電機(jī)?為什么?因?yàn)榭刂破鳜F(xiàn)在主要的成本是知識(shí)產(chǎn)權(quán)、是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。把基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)提上去、把知識(shí)產(chǎn)權(quán)提上來，控制器未來的價(jià)格，比如一個(gè)800安培的控制器價(jià)格應(yīng)該在3500元以下，而現(xiàn)在模塊的錢就是3000元，這顯然是不合理的，這個(gè)價(jià)格是可以下得來的。而電機(jī)的材料大部分是硬材料，銅、鐵、永磁體，尤其永磁體是我們國家獨(dú)有的，我們不希望價(jià)格跌的太低。因而從這個(gè)角度上來說，我們總是要想辦法多用控制器、少用電機(jī)是未來的一個(gè)發(fā)展方向。

　　還有一個(gè)“三小電”的問題，也需要很好的解決。我們?nèi)鄙僖粋€(gè)安全方面的措施就是無位置傳感器的控制，我們未來的傳統(tǒng)汽車上每個(gè)車都應(yīng)該有無位置傳感器的算法，當(dāng)你位置傳感器失效了以后可以開回家、開到4S店，至少這是應(yīng)該做到的。而現(xiàn)在我們大部分控制器都不具備這樣的算法。

　　控制器的電流增加可以增加整個(gè)系統(tǒng)的功率，就是說同樣一個(gè)電機(jī)，就把控制器電流增加了，整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率就增加了，同樣道理，為了使控制器用的小、用的電流能力差的控制器，就需要做一個(gè)大的電機(jī)，所以我們需要這樣一個(gè)東西，是做一個(gè)大的電機(jī)合適呢，這是一個(gè)例子，完全一樣的例子，假設(shè)生產(chǎn)同樣大小的一個(gè)轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，這個(gè)電機(jī)系統(tǒng)所需要的控制器的能力大的時(shí)候是右邊這個(gè)結(jié)果，顯然右邊這個(gè)使得整個(gè)系統(tǒng)的性能大大的提高。也可以增加功率輸出，我都有具體的數(shù)據(jù)，而且這些都是真正的樣機(jī)。

　　為了減少振動(dòng)和噪音，精進(jìn)電動(dòng)到現(xiàn)在為止做了有100臺(tái)左右的樣機(jī)，做各種各樣的測試，來減少振動(dòng)和噪音，解決這些問題是很重要的。典型控制器的指標(biāo)主要講的是電容的電壓和IGBT的電壓能力，這兩個(gè)能力實(shí)際上造成了控制器失效的主要原因。

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　　最早的時(shí)候福特是把控制器和變速箱集成到一起了，但是福特現(xiàn)在不這么做了，把變速器拿出來了，原因很簡單，變速箱里頭臟東西太多，進(jìn)到了控制器里頭。因而這個(gè)路徑好像逐步在變少了，而且有的人嘗試了不算成功。

　　總而言之，第三代功率半導(dǎo)體是發(fā)展的方向，第三代功率半導(dǎo)體有這么多好處，這是我們目前可以找到的在市面上已經(jīng)封裝好的Cree的第三代功率半導(dǎo)體碳化硅的，電流已經(jīng)達(dá)到了444安培。

　　最后一個(gè)，我國汽車的核心零部件供應(yīng)商要有全球競爭力，這是非常重要的。精進(jìn)電動(dòng)的電機(jī)已經(jīng)批量出口克萊斯勒了，去年獲得了Wards“全球十佳發(fā)動(dòng)機(jī)”，中國以前從來沒有獲得國“全球十佳發(fā)動(dòng)機(jī)”，所以我們逐步進(jìn)到了這個(gè)市場。

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