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精进电动创始人蔡蔚:电机和电力电子相关技术

http://www.newenergy.hc360.com2017年08月15日11:21 来源:盖世汽车T|T

    核心提示:

    7月19日,中国电动汽车百人会2017年第四期“电动汽车热点问题研讨会”在湖南省株洲市召开,本期研讨会聚焦“新能源汽车电力电子技术”。电力电子作为新能源汽车的关键技术,其技术进步影响着新能源汽车向电动化、智能化方向迈进。为此,本期研讨会将围绕新能源汽车电力电子的“六化一控”发展趋势(高频化、集成化、模块化、智能化、系统化、绿色化与全数字控制),新能源汽车电力电子器件的性能、可靠性与智能化应用,新型高频器件的发展,电力电子设备和系统发展趋势等关键技术问题,进行深入研讨和交流。以下为嘉宾演讲实录:

精进电动科技股份有限公司创始人兼CTO  蔡蔚

精进电动科技股份有限公司创始人兼CTO 蔡蔚

    很高兴有机会跟大家分享一下关于电力电子方面的问题。我在这里主要是讲电机对这方面的需求。精进电动最近在电力电子方面做了很多的工作,一半是在国内做的、还有一半是在美国做的,是美国团队做的,我跟大家讲讲我们做了什么。

    未来的能源向清洁化发展,汽车向电动化发展,汽车电动化和能源清洁化两个结合到一起才是中国国家发展的大棋。以某知名品牌电动车为例,他现在二氧化碳的排放远远超过了燃油车,所以电动车也不应该鼓励向超大和超豪华的方向发展。

    这是我们大家都熟悉的一些法规方面的问题,没有汽车电动化是不可能达到油耗指标的、也不可能满足我们国家特别规划出来的“双积分”的政策要求。

    还有一个原理方面的问题,传统汽车的能量转换和传递是单向的,电动化的汽车能量转换和传递是双向的,这是一个原理的问题,这是为什么电动车节能的一个主要的原因。驱动电机既能把电能变成机械能用于开车、也能把机械能变成电能存储起来,而传统的发动机的燃油经过化学反应燃烧变成机械能并通过变速箱传递机械能以后,再想变回去是不可能的,如果不用的话就全部浪费掉了。电驱动系统总成的发展,是以电机和电力电子为核心的创新总成。我们国家的“十三五”科技发展规划,最开始的时候我就跟欧阳老师商量术语做了改动,原来叫“电机系统”,现在把它改成了“电机和电力电子”,更明确的说明了电力电子在这方面的重要性。

    电驱动总成大概包含如下几个方面,包括电机的本体,齿轮和齿轮箱、车载充电器、辅机电驱动系统、功率控制器、总成的信号控制器,整个加到一起是用算法和软件连起来的,跟整车的联系是机、电、热接口和信号通讯。

    这里展示的是电驱动系统的物料单(BOM)。图中间画绿框的是跟电力电子相关的东西,我们在这里是以一个混合动力系统为例,为什么讲混合动力呢?因为混合动力总成更复杂一些,含电动化的部分+传统的发动机和变速箱部分。

    如果把我们国家的节能与新能源汽车“三电”技术放到一起,我们大概发现有这样几个东西,驱动电机基本上是感应电机和永磁电机为主,而功率电子元器件是从硅基低压MOSFET到高压IGBT和未来的第三代宽禁带功率半导体方向发展,电池基本上是从传统的铅酸电池、镍氢电池到锂离子和三元电池,未来向固态电池方向发展。

    如果我们把电机分成两种的话,现在市场上用的主要是永磁化的电机,而永磁化的电机逐步达到了我们国家的新能源汽车电驱动系统的85%到90%以上,而且有进一步扩大市场份额的趋势。我这里不讲感应电机,只讲永磁电机。永磁电机主要有集中绕组和分布绕组之分,极对数增加是减少电机尺寸的一个方法。增加电机的转速是减少电机尺寸的另一个方法,原理上来讲只有这两个方法,剩下的都是向材料挑战。

    我们得出了分布绕组和集中绕组的电机各自的特点。分布绕组,省材料、不花钱的磁阻转矩多。集中绕组,工作区比较宽。大家都知道,工程师最害怕科学家给了我们一个数,这个数没有误差。工程师总是要求给出允许误差的,而集中绕组的电机转子位置允许误差可以比较大一些,而分布绕组电机转子的允许误差比较小。另外得出一个结论是,分布绕组的电机容易散热,集中绕组的电机不容易散热,如果你发现电机烧了百分之八九十都是集中绕组电机得绕组,故普遍采用的方法是将绕组灌封到一起,即用高导热率的材料对集中绕组进行灌封。

    这里展示了两种应用,需要高速电机:一种叫皮带传动起动发电机集成(BSG),例如现在的弱混合动力系统当中的48V电机。48V电机需要很高的转速,因为有一个皮带传输比2.5到3,而电机最低要求是每分钟1.5万转,大部分需要每分钟1.8万转甚至2万转的电机,这么高转速的应用场合就需要开发高速电机,因而功率电子器件的开关的频率需要提高。

    除此以外,还有一种是燃料电池的空压机和电动涡轮增压器,右边这个图是指对于传统发动机提高效率的一个方法,就是用电动涡轮增压器提高发动机的低速效率。左下角这个图是燃料电池汽车需要的高速空压机。刚才清华的老师已经讲了,我们一起合作在做。这两种应用都需要每分钟9万转到14万转的高速电机。这么高转速的电机显然对电力电子也提出了挑战,我们必须提高功率电子器件的开关频率。

    还有一种是矩形导体绕组电机,刚才欧阳老师也提到了。矩形导体,特别是发卡式矩形导体绕组,我本人是世界上第一个把它应用到电动化汽车上的,而且推动了这种电机的批量生产,例如通用、宝马、戴姆勒和克莱斯勒等的豪华双模混合动力汽车的电机全是我领导设计制造的。14年以后,我很高兴的看到了全世界没有一个好的汽车公司不在研发这类产品,尤其是国外的公司。就是说经过14年大家终于认识到了我15年前的专利和产品是有引领技术进步作用的,也许这个时候正好可以不用考虑专利保护了。

    汽车未来既可以充电,也可以作为电源使用,这是一个很重要的部分。而且车既可作为局域网的储能单元的一部分使用,也可起到电源充电和放电两个作用。

    汽车电动化的另一个就是智能化,过去很多电机系统不具备智能化,而现在由于网联化等等的一些需求,比如马航的飞机没了,我们一直在找通讯的黑匣子,好知道飞机在哪儿,未来的车也应该有类似功能。因而国产化的电力电子和一些智能控制的软硬件非常重要,所以一定要我国自主地做这类事情,远远超过了成本能和不能的问题。

    还有一个软件和算法的问题,通过软件和算法可以降低噪音大概5—6分贝,我们可以通过一系列算法对同一台电机提高现有的电机功率输出15%,仅仅通过控制算法,无需电机硬件改动。

    关于硅基开关模块,我认为应该做的是双面冷却,这是现现代IGBT发展的方向。而碳化硅、氮化镓功率半导体器件和控制器是未来的发展方向。精进电动在这方面跟美国的数所大学在合作,做了一个80千瓦的碳化硅的控制器,也在做另一个30千瓦的氮化镓的控制器,主要应用于燃料电池空压机控制和其他几个方面的应用,氮化镓暂时不适用于高电压的控制器,目前器件还不具备成熟条件。

    芯片方面,比亚迪的"宋”开启了全部用自己的芯片、自己的封装,做自己的控制器来控制插电混合动力汽车宋。过去秦曾经尝试过,不是非常成功,后来经过改进,他们已经具有了产业化的能力。现有的IGBT模块的价格是多少钱呢?国际供应商要价两三千块,我们的目标价格是700元,能不能做到?应该可以做到,这是我的观点,例如,BYD的IGBT模块已经做到1000元以下。

    另一个功率电子控制器发展方向是多功能集成在一起,精进电动目前的产品有四合一的控制器。还有一个发展方向是充电和驱动共享模块,因为开车的时候从来不充电、充电的时候也不开车。我知道有很多人说无线充电的时候,车一边走、一边充,但是现在还没做到这一点,是吧?所以,我们完全可以用一个功率模块来完成驱动和充电双功能,有很多公司都在尝试着做这样一些东西,精进电动也在尝试。

    再一个发展方向是将电力电子的碳化硅基半导体控制器和电机集成到一起。,碳化硅MOSEFT的耐温也也允许将其与电机集成到一起,这样的总成可以节能高压大功率线束和接插件,同时减少电磁干扰等。刚才温老师已经提到了电机绝缘方面有很大的问题,中国所有的高温耐电晕绝缘材料的原材料全部依赖进口,百分之百,我们必须解决这个问题,否则将来受控于人家。另外电机与减速器集成也是一个发展方向,精进电动已经大批量的推广这类产品,更进一步,商用车上我们推广的是电机和变速器的集成,尤其是两档变速箱。

    我想顺便提一下这件事,是噪音相关的问题。左边讲的减低反电势谐波的问题是电机可以做到的,可是为了做好这个需要增加电机的工艺成本,但是增加了电机的成本就可以减少控制器电容的用量,电机和控制器是相辅相成的,一个造价提高了另一个就可以下降。

    提高电压有利于增加功率,比亚迪是一个典型的改革,在制定“中国制造2025”方案的时候,他们提出了将乘用车母线电压提高到1500V甚至更高的建议,最后大家还是落实在1000V以下。

    提高电机功率密度的关键技术是什么?我们首先认为,一个是电机的极对数要多,一个是电机的转速要高。原理上来讲用控制器容量来减少电机大小,为什么要减小电机,而提高控制器容量呢?为什么?因为控制器现在主要的成本是知识产权、是基础产业和制造工艺。把基础产业提上去、把工艺水平提上来,控制器未来的价格是有下降空间的,比如一个有效相电流600安培的控制器价格应该在3500元以下,而现在IGBT模块的价钱就是3000元,这显然是不合理的,这个价格随着技术水平的提高是可以下得来的。而电机的成本大部分取决于材料,即铜、铁、永磁体,尤其永磁体是我们国家独有的,我们不希望价格跌的太低。因而从综合角度上来说,我们希望想办法多用控制器、少用电机,这是未来的一个发展方向。

    还有一个“三小电”的问题,也需要很好的解决。现有的电驱动总成中,缺少一个安全方面的措施就是无位置传感器的控制备份,未来的电动化汽车上每个车都应该有基于无位置传感器算法的备用软件,当你位置传感器失效了以后,启动无位置传感器控制系统可以将开回家、开到4S店等。而现在全球大部分汽车电机的功率控制器都不配备这样的算法。

    控制器的电流增加可以增加整个系统的功率输出能力,就是说同样一个电机,仅把控制器电流增加了,整个电驱动系统的输出功率就可以增加了。同样道理,选用小的或者电流能力差的控制器,就需要做一个大的电机。所以我们需要这样一个判断,是做一个大的电机合适呢,还是做一个大的控制器更省钱?这是一个例子,完全一样大小电机的例子。假设生产同样转矩需求的电机,这个电机系统所配备的控制器的能力大的时候是右边这个结果,显然右边这个使得整个系统的性能大大的提高。也可以增加功率输出,我能拿出具体的数据,而且这些都是真实的样机。

    为了减少振动和噪音,精进电动到现在为止做了数十台的样机,做各种各样的测试,来减少振动和噪音,解决这些问题是很重要的。典型控制器的指标主要讲的是电容的耐电压和IGBT的耐反向击穿电压能力,这两个能力问题实际上是造成控制器失效的主要原因。

    最早的时候福特是把控制器和变速箱集成到一起了,即控制器埋置在变速箱的冷却油里。但是福特现在不这么做了,把控制器从变速箱里拿出来了,原因很简单,变速箱里头脏东西太多,极易进到控制器里头。因而这个路径好像逐步在变小了,因为有的人尝试了,但是结果不算成功。

    总而言之,第三代功率半导体是发展的方向,第三代功率半导体有这么多好处,这里展示的是我们目前可以找到的在市面上已经封装好的美国Cree公司的第三代功率半导体碳化硅MOSFET的封装模块,电流已经达到了444安培。

    最后一个,我国汽车的核心零部件供应商要有全球竞争力,这是非常重要的。精进电动的电机已经批量出口美国了,去年与克莱斯勒发动机集成的混合动力总成获得了沃德全球十佳发动机(WORDS 10 BEST ENGINES),中国以前从来没有获得过如此殊荣”,而今我们逐渐进步到了这个境地。功率电子器件是汽车电动化核心元部件,事关核心零部件-电机系统的竞争力。汽车核心零部件强,中国汽车产业则强。

责任编辑:朱婧芸

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