精進電動創(chuàng)始人蔡蔚：西安西瑪電機和電力電子相關(guān)技術(shù)

時間：2019-08-16 10:00

　很高興有機會跟大家分享一下關(guān)于電力電子方面的問題。我在這里主要是講電機對這方面的需求。精進電動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，是美國團隊做的，我跟大家講講我們做了什么。

　　能源向輕量化發(fā)展，所以汽車向電動化發(fā)展，汽車和能源兩個結(jié)合到一起才是中國國家發(fā)展的大旗。以某知名品牌電動車為例，他現(xiàn)在二氧化碳的排放遠遠超過了燃油車，所以電動車也不應(yīng)該鼓勵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，沒有電動化是不可能達到油耗指標的、也不可能達到我們國家特別規(guī)劃出來的雙積分的政策。

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

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

　　圖中間畫綠框的是跟電力電子相關(guān)的東西，就是說我們在講一個混合動力，為什么講混合動力呢?因為混合動力更復(fù)雜一些，是電動化的部分+傳統(tǒng)的發(fā)動機和變速箱的部分。

　　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)有這樣幾個東西，驅(qū)動電機基本上是感應(yīng)電機和永磁電機，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。

　　如果我們把電機分成兩種的話，現(xiàn)在市場上用的主要是永磁化的電機，而永磁化的電機逐步達到了我們國家的新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的85%到90%以上，而且有進一步向前發(fā)展的趨勢。我這里不講感應(yīng)電機，只講永磁電機。永磁電機集中繞組和分布繞組的，極對數(shù)增加是減少電機尺寸的一個方法。增加電機的轉(zhuǎn)速是減少電機尺寸的另一個方法，原理上來講只有這兩個方法，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各有特點。分布繞組，省材料、不花錢的繞組多。集中繞組，因為工作區(qū)比較狹窄。大家都知道，工程師最害怕科學家給了我們一個數(shù)，這個數(shù)沒有誤差。工程師總是要求誤差的，而集中繞組的電機誤差是比較大，而分布繞組的可能誤差比較小。得出結(jié)論也是，分布繞組的電機不太容易散熱，集中繞組的電機容易散熱，如果你發(fā)現(xiàn)電機燒了百分之八九十都是集中繞組電機，普遍采用的方法是封到一起，用高導(dǎo)熱率的材料進行密封。

　　對于高速電機的需求有兩種，一種叫BSG，現(xiàn)在的混合動力電機當中的48V，48V電機需要很高的轉(zhuǎn)速，因為有一個皮帶傳輸比2.5到3，而電機最低要求是1.5萬轉(zhuǎn)，大部分需要1.8萬轉(zhuǎn)甚至2萬轉(zhuǎn)的電機，這么高轉(zhuǎn)速的電機我們就需要開發(fā)高速電機，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和電動渦輪增壓器，這個是指對于傳統(tǒng)發(fā)動機提高效率的一個方法，就是用電動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)速的電機顯然對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公司沒有研發(fā)這個，尤其是國外的公司。就是說經(jīng)過14年大家終于認識到了我15年前的專利是有用的，但是這個時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，也是作為一個電源充電和放電兩個共同作用的部分。

　　汽車電動化的另一個就是智能化，過去很多電機系統(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，比如馬航的飛機沒了，我們一直在找通訊的黑匣子，好知道飛機在哪兒，未來的車也應(yīng)該有這個，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，遠遠超過了成本能和不能的問題。

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　　還有一個軟件和算法的問題，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)有的電機功率15%，僅僅通過控制算法。

　　還有一個軟件的問題，是應(yīng)用加上Service做到OSEK。

　　我認為應(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。精進電動在這方面跟美國的數(shù)所大學在合作，做了一個80千瓦的碳化硅的控制器，也在做另一個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方面的應(yīng)用，氮化鎵暫時不適用于高電壓的控制器，目前還不具備這個條件。

　　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，他們已經(jīng)具有了產(chǎn)業(yè)化的能力?，F(xiàn)有的價格這個模塊是多少錢呢?兩三千塊，應(yīng)該目標價格是700元，能不能做到?應(yīng)該可以做到，這是我的觀點。

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

　　另一個，電力電子的碳化硅和電機集成到一起了，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口，百分之百，我們必須解決這個問題，否則將來受控于人家。另外電機與減速器集成，精進電動已經(jīng)大批量的推廣這個東西，商用車上我們推廣的是電機和變速器的集成，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可以做到的，可是為了做好這個需要增加電機的成本，但是增加了電機的成本就可以減少控制器電容的使用量，電機和控制器是相輔相成的，一個提高了另一個就可以下降。

　　提高電壓有利于增加功率，比亞迪是一個典型的改革，在制定“中國制造2025”方案的時候，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?我們首先認為，一個是電機的極對數(shù)要多，一個是電機的轉(zhuǎn)速要高。原理上來講減少電機，為什么減少電機，多用控制器、少用電機?為什么?因為控制器現(xiàn)在主要的成本是知識產(chǎn)權(quán)、是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。把基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)提上去、把知識產(chǎn)權(quán)提上來，控制器未來的價格，比如一個800安培的控制器價格應(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，這個價格是可以下得來的。而電機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有的，我們不希望價格跌的太低。因而從這個角度上來說，我們總是要想辦法多用控制器、少用電機是未來的一個發(fā)展方向。

　　還有一個“三小電”的問題，也需要很好的解決。我們?nèi)鄙僖粋€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)汽車上每個車都應(yīng)該有無位置傳感器的算法，當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系統(tǒng)的功率，就是說同樣一個電機，就把控制器電流增加了，整個系統(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，就需要做一個大的電機，所以我們需要這樣一個東西，是做一個大的電機合適呢，這是一個例子，完全一樣的例子，假設(shè)生產(chǎn)同樣大小的一個轉(zhuǎn)矩的電機，這個電機系統(tǒng)所需要的控制器的能力大的時候是右邊這個結(jié)果，顯然右邊這個使得整個系統(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。

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

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　　最早的時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，進到了控制器里頭。因而這個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)達到了444安培。

　　最后一個，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。精進電動的電機已經(jīng)批量出口克萊斯勒了，去年獲得了Wards“全球十佳發(fā)動機”，中國以前從來沒有獲得國“全球十佳發(fā)動機”，所以我們逐步進到了這個市場。

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