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WNEVC 2021 | 哈理工教授、国家特聘专家蔡蔚:电驱动系统创新技术现状与前沿技术展望

盖世直播 2021-09-16 20:16:48

2021年9月15-17日,“第三届世界新能源汽车大会”(WNEVC 2021)在海南国际会展中心盛大召开,由中国科学技术协会、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局共同主办。本次大会以“全面推进市场化、加速跨产业融合,携手实现碳中和”为主题,邀请全球各国政产学研各界代表展开研讨。

在9月16日上午举办的“新能源汽车电驱动技术”主题峰会上,哈尔滨理工大学博导教授、国家特聘专家创新企业家专委会副主任蔡蔚发表精彩演讲。

蔡蔚发主要观点如下:

  1. 根据美国DOE 2025规划,驱动系统峰值功率密度要达到33kw/L,分解到电控需要到100kW/L,分解到电机需要到50kW/L。需要新材料、新工艺、新技术等的创新才能实现。

  2. 电驱动核心零部件强,电动化汽车产业则强;电机到了需要与材料和关键零部件融合发展的时刻;功率半导体产业链强,电机控制器则有竞争力;芯片和算法软件强,控制系统则自主可控。

以下内容为现场演讲实录:

我的主题是“电驱动系统创新技术现状与前沿技术展望”,第一是现在是什么状况,第二是全世界主要的研究方面,主要谈这两个问题。

首先看一下2030年碳达峰和2060年碳中和,请大家注意2050年是一些先进的资本主义国家的碳中和时间,我们规划比别人晚了十年。在这过程当中,电动化是一个主要部分,不管发电还是电动,最后归结起来都是电机、功率电子和电子传动。中国的电有60%-70%用到电机上,如果用不好的话,碳达峰和碳中和都无从谈起。

接着我们看实际状况是什么样的。实际状况是我们国家从2017到现在,煤发电基本维持在71%左右,这些年没有变化,在这样的情况下汽车行业如何降碳?《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的规划是提前在2028年做到碳达峰,不是2030年,我们怎么做到?必须要认真考虑一下怎么做,建议可能要以混合动力为主,真正从国家层面来讲以混合动力为主、以纯电动提升效率为主做这样的事。

电动化大家都熟悉,基本最早的是1881年电动车就有了,1886年才有内燃机车,到1890年混合动力车已经有了,第一辆混合动力车就是一个增程电动车,用轮毂电机驱动,用一个发动机带一个电机发电,我们现在有什么东西比那个时候更多了呢?所以130年以后的今天我们国家开始做了一些长远规划,比如根据技术路线图2.0规划,到2025年的时候新能源汽车占20%,混合动力要占40%,加起来60%,可是2020年我们的混合动力是多少?全中国60万辆左右,基本上都是丰田和本田,所以混合动力在这五年当中要有长足发展,大家要重视混合动力,把混合动力的电驱动系统做好,否则40%如何达到?

到2035年的时候一半混合动力,一半新能源汽车,但是新能源汽车增程汽车里面讲的实际上也是混合动力,所以混合动力到2035年的时候还多于电动车,是电动化的主力。要达到这些目标,我国现在采取了许多措施,比如国六排放、双积分等等。去年很多央企都得到了巨额的罚款,应该叫碳补偿,没有达标要交钱,尤其是合资企业,去年没有不交罚款的。所以这件事很严重,使车企不得不向这个方向走,而对车企能耗指标的提出,使得车企不再是把新能源汽车或者是汽车电动化当成一个选项,而是一个必须项,没有可选的余地,就一条路,这件事我想说的稍微清楚一些。

不论是混合动力车、燃料电池车,还是纯电车,它的电驱动系统基本都是电机+齿轮箱+电力电子+电池,我们必须要做好这些。为了降碳,第一个最主力的车型就是混合动力,因为混合动力所降的油耗是与碳成正比变化,第二个纯电动车中小型的碳排放也是比较低的,但是如果想要持续下降的话,仅靠电动车自己提高效率对碳排放下降的作用有限,所以我们要解决电驱动系统的效率问题,但是更重要的是能源问题,电动车降低二氧化碳,主要靠能源的清洁化。

我认为燃料电池车还在努力之中,大家知道去年才一千多辆,丰田去年也是一千多辆,所以不能称之为产业,但是这是未来研究的事。另外是驱动,驱动有两个,一个是集中驱动,一个是分布驱动,现在基本是集中驱动,分布驱动没有一个量产。一个主要的倾向是电机要向高速化发展,因为电机的大小和转矩成正比,整车需要的工具是转矩乘转速,要把转矩降下来,一定要向高速化发展。向高速化方向发展的同时,又要求电机的频率增加,增加频率就使现在的IGBT遇到了挑战,因为开关频率12000赫兹是一个应用的顶限,在这样的情况下,用碳化硅就迎刃而解了,这个问题提上了日程。

接下来是轮毂电机,到现在为什么没有产业化,还是因为机电热没有切实解决,因此产业化还面临很多挑战,需要在座的更加努力。

大家都熟悉的电动化的总成是电力电子控制器+电机+齿轮箱形成了三合一,其中软件和算法起了很大作用。一个不好的软件和算法,即使将三个好的硬件放在一起也是等于零,所以这个事一定要做好,而且这三个事情就是三合一的基础模块。如果把车载充电机、车载辅助电机控制等都放进去就是多合一,多合一是未来发展趋势。现在的三合一是三个邻居,不是真正的合一,未来要真正的合到一起去。这有什么好处?系统效率高、占空间小、重量轻,当然这是实际测试的结果。为了达到这些指标,用什么电机?现在市场上用的主要是感应电机、同步电机等等。国外马勒有同步电机,主要目的是为了降低对稀土的依赖性,用美国的话说就是防止稀土涨价。为了解决这些问题,很多企业在用同步电机,也用了感应电机,但是95%的是永磁电机,大家都知道永磁电机效率高、体积小,到今天为止还没有发现比永磁电机更好的电机。

我们谈永磁电机必然谈到感应电机。感应电机特斯拉用的最多,特斯拉为什么用这个?特斯拉最早用的电机是通用汽车那帮兄弟出来创业的感应电机,特斯拉自己不会做电机,当然用感应电机,但是现在它也用永磁电机了。

如果主驱和辅驱都用永磁电机,那么辅驱需要一个离合器。轴向气隙永磁电机的功率密度大,但是这种电机有一个缺点,轴加工稍微有一些偏差,上面就偏很大,导致左右两边不对称,从而产生振动和噪音问题。当需要大转矩时,电机的盘子大,就没有地方放这么大的盘子,就变成了三明治,这是一个需要解决的问题。还有很多在航天用的,功率密度怎么高,但是他们用的材料用不到车上。盘式(蝶式)永磁电机是没有铁芯的,就没有电感,所以调速的情况下,没有电感的电机是不能用的。美国能源部(DOE)的2025规划提出控制器的功率密度要达到100kW/L,我们现在的水平是3 kW/L,现在我们国家规划的电机功率密度是4kW/L,挑战是巨大的。但是到今天为止,美国能源部有一个样件达到了这个指标,通用汽车为了实现美国DOE2025的指标,和国家实验室合作开发出来三种电机。

第一个图是低成本、无HRE磁体和防退磁设计,大家一看没有什么特殊的,但是指标也是很高的,而且用一个后轮驱动的磁组,就是以磁组为主,以永磁体为辅;第二个图中间是永磁体,剩下的大部分都是磁组;第三个图是铜铝混合的感应电机,最主要的难处在于铜铝混合,尤其是耐久性,这个并没有完成,现在正在做的过程当中,这个就是真正的把电机和控制器放在一起的,不是将电机和控制器用螺丝拧上去的。过去大家用的电机是内置的,他这是采用表贴的,他们提到当永磁电机提升到20000rpm以上的时候,表贴式可能更好。为了解决表贴式问题,就必须要解决电机的范围调速问题。

讲到低重稀土电机,这是美国自己做的,现在完成度只到53%,并没有彻底完成这个项目,还只是一个中期阶段,到2025年完成。特点有几个:一是双三相,和六相不太一样,优点是低反电势、低谐波、容错好、降电容量,如果用电压源的话,因为平了可以降低电容的使用量,而电容是控制器大小的主要障碍之一,我们解决了这些问题。他把控制器放在中间,是真集成,另外一个是铁芯分辨+导热块,另外一个定子转子分开的,之所以把控制器放在里面,是离定子近,转子放在外面,有利于提高它的强度。转子采用了复合内衬,除了外面有以外,转子永磁体里面还有内衬,这个方案也大幅度提高电机的密度和电机系统的集成度。BLE另外一个专项,已经达到DOE全部电机的指标专项,50kW/L的专项,我个人认为这个东西离产业化还有一定距离,它用了超级铜,这个用了很长时间做出来一台。我去他清华大学院士实验室,不是电机的院士,是搞超级铜的范院士,我得到的结论是暂时很难产业化。但是他采用的方法使电机现在已经达到了DOE2025年的标准,这是美国整个DOE项目当中唯一一个达标的电机,所以革命性的供应链变化会使电机更加变化,但是革命性不是一天就革成功的。

另外一个美国DOE有一个很好的办法,都做100kW,看一下连续功率多少,这样互相之间很容易比较。很多提速都是100kW的设计,他这里做了什么?是系统成本和效率的平衡,探索新材料的应用。这个电机结构不是用稀土了,是采用双离磁的。

我们接着讲另外一个高功率密度的,这是不对称的,空间是六项,这是飞机上用的钴钢片,飞行汽车可以考虑这个事。最后是非晶和纳米晶,上面都是转子,下面是定子,右边是定转子结合在一起的,这是卡内基·梅隆大学承担的,都是有意义的项目,这个项目号称已经达到了8倍密度的提高,我非常期待,因为这个非晶电机在美国做,我回到中国做了不少国家项目,还是有一些体会的,这里有很多的技术壁垒和障碍。

另外电机绕组的改变,从圆线到扁线到换位线,这是一个整体的变动,原来每个槽有四根导体,现在是8根,将来会不会有20层导体,这的工艺制造太复杂了。人们在考虑更多层的时候是不是采用换位绕组,本身可以进一步降低交流电阻的损耗,这是将来的一个发展方向。

我在这里做了一个比较,一个是比较了圆线和扁线,一个是比较了四层和八层,两个结果包括仿真,有很多都是有计算结果出来的。第二个是一个超级铜,称之为石墨烯铜。超级铜大概是这样的,在常温下超级铜由于加了石墨烯,电阻率不可能低于铜,但是在40℃或者60℃以上的高温下,电机大部分运行在这个温度,它的电导率大幅度提升,从而使电机效率提升,这是一个研发的方向。

另外一个是新研制的高端产品,高强度硅钢片,它具有高强度、高导磁率、低损耗的优点;另外一个是钴钢片,随便设计一个电机如果用了钴钢片都会使长度降低10%,这就是材料的革命。

最后讲到稀土永磁的问题。我们国家不缺稀土,尤其是我们北方的稀土有很多很多,但是我们缺“重稀土”。过去经常用的是晶格细化,现在要到一个新的地步,叫选区扩散,哪一个地方需要往哪里弄,另外一个地方需要我再用,这样进一步降低重稀土的使用。

电机的斜极和斜槽,斜槽造成制造成本增加和PPM大幅上升。斜极有两段、三段、六段,重点说六段,我是世界第一个引入六段斜极的,这个已经普及了,主要是防止产生轴向振动,增加轴承寿命,还有其他的优点不详细讲了。另一个是永磁体,现在大部分都是内置,这是普遍的发展趋势,而双V型的出现又掀起了高潮,现在大部分开始恢复到早期时候,表贴式有一些新的原因开始用,还有Halbach排布。

齿轮的发展在这里点一下,主要是齿轮精度大概有ISO 5级和ISO 4级。碳化硅控制器是由于频率的升高不得不用,或者用了它更好。我比较了一下,第一代半导体材料的优值如果是1的话,第三代半导体材料SIC就是458,GaN是489,这是为什么从“十三五”开始推动碳化硅的发展的原因。

寄生电感是碳化硅集成一个重要的问题,我们要用烧结连接的方法做封装,封装和碳化硅控制器联合起来是未来一个发展方向,哈尔滨理工大学在这方面有了突出进步。这是封装未来发展的方向,因为有70%-80%寄生电感是这样来的,你如果消灭掉了就可以解决现在的问题。

另外一个是高电压的问题,电压的提升一定会带来一些问题,优点大家比较熟悉。随着电压提高,车上很多的元器件寿命在下降;随着电压的提高,绕组有局部放电的问题,还有轴电压的问题。但是从280到800V之间没有生命安全,国际标准和任何其他标准都是这样的。

电驱动核心零部件强,电动化汽车产业则强;电机到了需要与材料和关键零部件融合发展的时刻;功率半导体产业链强,电机控制器则有竞争力;芯片和算法软件强,控制系统则自主可控。这是今天讲的所有的内容,谢谢大家。

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)