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精进电机创始人兼CTO蔡蔚:电机和电力电子技术

2017-07-19 12:46:30 作者:丁丁 来源:中国客车网
  2017年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”。

  中国客车网从现场了解到,依靠关键技术的突破创新提高核心竞争力,已成为新能源汽车领域的共识。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产业向电动化、智能化方向迈进。精进电机科技股份有限公司创始人兼CTO蔡蔚发表演讲,现场实录如下:

  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。

  能源向轻量化发展,所以汽车向电动化发展,汽车和能源两个结合到一起才是中国国家发展的大旗。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,没有电动化是不可能达到油耗指标的、也不可能达到我们国家特别规划出来的双积分的政策。

  还有一个原理方面的问题,传统汽车的能量转换是单向的,电动化的汽车能量转换传递是双向的,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。电机既能把电能变成机械能、也能把机械能变成电能,而传统的发动机和变速箱变成机械能以后再想变回去是不可能的,如果不用的话全部浪费掉。电驱动和总成的发展,是以电机和电力电子为技术总成的。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把这个字改了,原来叫“电机系统”,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。

  大概有几个方面,包括电机的本题,齿轮、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,整个加到一起是从软件和算法连起来,跟整车的联系是机电和通讯。

  图中间画绿框的是跟电力电子相关的东西,就是说我们在讲一个混合动力,为什么讲混合动力呢?因为混合动力更复杂一些,是电动化的部分+传统的发动机和变速箱的部分。

  如果把我们国家的“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,而功率电子元器件是用硅基IGBT和未来的第三代宽禁带功率半导体方向发展,电池基本上是传统的铅酸电池、镍氢电池,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,而且有进一步向前发展的趋势。我这里不讲感应电机,只讲永磁电机。永磁电机集中绕组和分布绕组的,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有特点。分布绕组,省材料、不花钱的绕组多。集中绕组,因为工作区比较狭窄。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。工程师总是要求误差的,而集中绕组的电机误差是比较大,而分布绕组的可能误差比较小。得出结论也是,分布绕组的电机不太容易散热,集中绕组的电机容易散热,如果你发现电机烧了百分之八九十都是集中绕组电机,普遍采用的方法是封到一起,用高导热率的材料进行密封。

  对于高速电机的需求有两种,一种叫BSG,现在的混合动力电机当中的48V, 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1.5万转,大部分需要1.8万转甚至2万转的电机,这么高转速的电机我们就需要开发高速电机,因而功率电子的频率需要提高。

  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,这个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和燃料电池。刚才清华的老师已经讲了,我们一起合作在做,这个需要9万转到14万转高的转速。这么高转速的电机显然对电力电子提出了挑战,我们必须提高频率。

  还有一种是矩形导体的,刚才欧阳老师也讲了,矩形导体我国是世界上第一个把它放到新能源汽车上应用的,而且是批量生产的。14年以后,我很高兴的看到了全世界没有一个公司没有研发这个,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年前的专利是有用的,但是这个时候正好可以不用专利了。

  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。而且车作为局域网的一部分使用,也是作为一个电源充电和放电两个共同作用的部分。

  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,未来的车也应该有这个,因而国产化的电力电子和一些智能控制的软件非常重要,所以一定要看到自主方面该做的事情,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提高现有的电机功率15%,仅仅通过控制算法。

  还有一个软件的问题,是应用加上Service做到OSEK。

  我认为应该做的是双面冷却,现有的IGBT应该是发展的方向。而碳化硅、氮化镓是未来的发展方向。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,目前还不具备这个条件。

  芯片方面,比亚迪的宋全部用自己的芯片、自己的封装,做自己的控制器来控制宋,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。现有的价格这个模块是多少钱呢?两三千块,应该目标价格是700元,能不能做到?应该可以做到,这是我的观点。

  另一个是多功能集成在一起,精进电动目前做的有四合一的控制器。还有一个充电和驱动,因为开车的时候从来不充电、充电的时候不开车。我知道有很多人说无线充电的时候,车一边走、一边充,现在还没做到这一点。我们完全可以用一个功率模块来做,有很多的人都在尝试着做这样一些东西,精进电动也在尝试。

  另一个,电力电子的碳化硅和电机集成到一起了,温度也可以集中到一起,刚才温老师已经提到了绝缘方面有很大的问题,中国所有的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,精进电动已经大批量的推广这个东西,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。左边讲的反电势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成本,但是增加了电机的成本就可以减少控制器电容的使用量,电机和控制器是相辅相成的,一个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,他们提出了做1500V甚至更高的建议,最后大家还是在1000V以下。

  一些关键的技术是什么?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。原理上来讲减少电机,为什么减少电机,多用控制器、少用电机?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。把基础产业提上去、把知识产权提上来,控制器未来的价格,比如一个800安培的控制器价格应该在3500元以下,而现在模块的钱就是3000元,这显然是不合理的,这个价格是可以下得来的。而电机的材料大部分是硬材料,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。因而从这个角度上来说,我们总是要想办法多用控制器、少用电机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。我们缺少一个安全方面的措施就是无位置传感器的控制,我们未来的传统汽车上每个车都应该有无位置传感器的算法,当你位置传感器失效了以后可以开回家、开到4S店,至少这是应该做到的。而现在我们大部分控制器都不具备这样的算法。

  控制器的电流增加可以增加整个系统的功率,就是说同样一个电机,就把控制器电流增加了,整个系统的输出功率就增加了,同样道理,为了使控制器用的小、用的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东西,是做一个大的电机合适呢,这是一个例子,完全一样的例子,假设生产同样大小的一个转矩的电机,这个电机系统所需要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,我都有具体的数据,而且这些都是真正的样机。

  为了减少振动和噪音,精进电动到现在为止做了有100台左右的样机,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电压和IGBT的电压能力,这两个能力实际上造成了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,但是福特现在不这么做了,把变速器拿出来了,原因很简单,变速箱里头脏东西太多,进到了控制器里头。因而这个路径好像逐步在变少了,而且有的人尝试了不算成功。

  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,这是我们目前可以找到的在市面上已经封装好的Cree的第三代功率半导体碳化硅的,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克莱斯勒了,去年获得了Wards “全球十佳发动机”,中国以前从来没有获得国“全球十佳发动机”,所以我们逐步进到了这个市场。

  谢谢大家!

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