【2019WNEVC】精进电动蔡蔚：电机系统对汽车产业链的机遇与挑战

经国务院批准，世界新能源汽车大会（WNEVC）于2019年7月1-3日在海南博鳌隆重召开。大会着眼于全球汽车产业的转型升级和生态环境的持续改善，通过聚集全球专家智慧和产业精英，共同交流探讨新能源汽车在技术创新、产业创新、政策创新、市场模式创新等领域的成功经验与发展趋势，凝聚产业共识，明晰汽车产业转型升级的方向，探索电动化、智能化、共享化协同发展的有效路径。在“先进电驱动技术”的主题峰会上，精进电动科技股份有限公司创始人兼CTO蔡蔚发表了演讲，内容如下：

谢谢大家，也很感谢大会组委会给我机会来跟大家分享创新电驱动系统对产业链的机遇与需求。刚才Venturini先生讲了电驱动前瞻技术的现状与发展，温老师深入阐述了碳化硅控制器的基础技术，我这里只谈电机与功率电子应用产品创新及其对产业链的需求。也就是说，讲讲我们还需要什么样的材料和零部件/元器件从而使电驱动系统的性能和安全可靠以及耐久舒适更好一些。在进入主题之前，先用两个幻灯片做个降碳减排的科普宣传。先看第一个幻灯片，实际上用中国现有63-68%的煤发电驱动电动车是没法真正减少二氧化碳排放的，但是我国煤发电到2050年将降到13%，其余近78%全是可再生能源发电。以特斯拉为例，今天开一公里排放188克二氧化碳，即使还是这辆车不需改进创新，到2050年就可以将每公里二氧化碳排放降至58克。今天特斯拉在中国运行每公里排放188克二氧化碳，在美国排放还不到120克，所以二氧化碳的排放与电能清洁化有关系。中国乃至全球都向着清洁能源或可再生能源发电方向发展。第二个科普幻灯片，我国的A级车和B级车基本上耗电在30度以下，北方冬天因暖风耗电较多，南方夏天用空调耗电较多。我国发电厂与PM2.5相关的微颗粒和有毒气体大概是多少？2010年大概是每发一度电排放6克左右，可是到了2015年的时候，每度电排放接近1克。 2016年从发电厂的电表上看，每发一度电排放有毒气体和微颗粒进一步下降。假设从电厂把电送到电动车充电桩大概6%的损耗， 再假设充电的平均效率可以达到90%，当然也有不足90%的， 基本上大多数充电效率可达90%。这样可见，一个耗30度电的电动车，即使100%的用煤电（实际中国现在用煤发电是63%-68%，不是100%），电动车比国六的燃油车排放标准还减少30-50%毒物。就环保健康而言，100%的用煤电的电动汽车，也比燃油车对你的呼吸系统和身体健康更有好处。全世界向低碳化方向发展，中国也是一样的，降低二氧化碳不仅靠车本身的高效节能，也靠电能清洁化和可再生化。高效电机系统有助于进一步降低二氧化碳。电能清洁化和汽车电动化，是中国的战略大棋，也是全球能源和交通的大势所趋。

另外一点，大家都知道中国汽车企业加权平均油耗指标要求，2020年百公里油耗五升，2025年是4升，2030年是3.2升。除此以外，还有双积分政策，大家都比较熟悉。对于B级车和A级车而言，基本上没有汽车电动化就没法做到百公里五升或者四升油耗。得出的结论是：汽车电动化不是可选项，而是必须项，不干也得干，故汽车电动化是一个不二的发展方向。中国是不是唯一要求采用双积分或要求车企生产零排放车的国家或地区，即车企卖油车的同时必须卖一定比例的电动车？美国加利福尼亚州早就要求车企销售一定比例的零排放车。2018年加利福尼亚空气清洁委员会更新了法规，要求车企销售2018年4.5%，2019年7%，一直到2025年22%的运行时零排放的车。许多车企无零排放车投入加州市场或者达不到加州要求的零排放车比例，是特斯拉每卖一辆Model S可以拿3.5万美金奖励的来源。与中国政府补贴不同，特斯拉得到的钱不是加利福尼亚州纳税人出的钱，全部是由丰田汽车、通用汽车、本田汽车等零排放车比列不达标车企掏的。在美国加利福尼亚州，车企没有像特斯拉这样的零排放车，或其比例不达标就得交钱。这里过渡零排放车（TZEV）是我国讲的插电混合动力和增程车， 即车载储能系统有电的时候可纯电运行，没有电的时候就是混合动力。

讲到电驱动系统实际上指的图中蓝框里面的关键零部件总成，是电动汽车的核心，把它装在底盘上，上面加一个盖就是纯电动汽车（BEV），与任何内燃机合到一起就是混合动力系统，与燃料电池发动机加在一起就是燃料电池车的驱动系统。以电机和功率电子为核心的电驱动总成将逐步成为未来车辆的核心。电机的本体、减速器/变速器、功率控制器、辅机电动系统、车载充电器等，它们被用算法和软件连接起来，与整车的关系是机、电、热的软硬连接以及网络通讯接口等，当然包括无线通讯，现在网络通讯也是一个连接的方式。

该表被工程师称为电驱动总成的BOM表。也就是电驱动系统的所有零部件和元器件列表，这里省去了各单项的技术要求。对于一台具体电机来说用参数来表述有一些什么样的要求呢？记得刚回国的第一个项目与上汽合作，只有半页，后来与上汽协商写成了30几页，当时国外的技术条件早已是几百页。实际上我们现在拿到的国际项目技术要求已经越来越细，少则500页左右。这里给出的只是非常重要几个参数。下一张幻灯片左侧是所有电机升级的展示，反电式更接近于正弦，对于电容有好处，使控制器可以少用电容。也就是说，把电机做好可以使控制器少用电容；转矩纹波小及转矩波动小，使用户更舒适。该图右边是“三电”的主要趋势，电机主要是永磁和感应电机，半导体功率开关元件从硅基向碳化硅基等方向发展。动力电池向三元和固态电池发展。但是也不难发现，日本的尼桑Leaf仍然坚持用磷酸铁锂电池，不追求高储行里程和过渡快充，故保持“0”火灾记录。

其一，驱动电机基本上都是交流的，永磁电机在新能源汽车驱动电机中占比近90%，其余主要是感应电机。感应电机与永磁电机的优缺点是什么？高速时，永磁电机不一定能赶上感应电机，它对传感器要求也严。在低速、轻载时，感应电机较差，所以在NEDC工况下效率低、能耗高。一般情况下，感应电机比永磁电机最高效率差1%-2%，但是在NEDC工况下差距扩大至5-6%或更多。该图是感应电机与永磁电机在NEDC工况下的比较。将来NEDC将会逐步过渡到WLTP工况，因后者更接近实际用户开车。特斯拉已经从用感应电机逐步过渡到永磁电机，而且将来新开发的车型也不会再用感应电机了。搭载同样多电池的车，用和感应电机和用永磁电机的储行里程差接近8-10%。

第二个是用好的永磁体还是用差的永磁体，还是不用永磁体？德国或者美国车厂有人担心中国会控制永磁体资源，过待会儿会有简单的数据告诉大家，中国控制不了永磁体资源（尤其是中轻稀土资源），作为一个负责任的大国也不会控制稀土永磁体产品市场，完全没有必要担心。为了比较用好的永磁体、差的永磁体和不用永磁体的电机的区别，先用好的，再用差的，再拿掉永磁体做三个不同样件比较得出如下结论：不用永磁体可以做磁阻电机，但其功率密度和转矩密度差了许多；用永磁体和不用永磁体的电机差别在于无永磁体电机的输出转矩低了，输出的功率也小了。还有一个就是功率因数也低了。为了使很多在座的搞机械的听众清楚功率因数的概念，控制器在给电机提供功率时，有一个称为“有功分量”，它是控制器送给电机进行能量转换成为电机轴输出的机械功率（除去电机损耗）的分量；还有一个称为“无功分量”，对于这部分功率控制器把它送给电机，电机又返送给控制器，如此反复但对输出功率无贡献。功率因数低了，就是这部分无功功率高了，显然是我们不希望的。如果不用永磁体或者少用永磁体或用低磁能积的永磁体都会产生低功率因数的问题。但也不一定永磁体用得越高档或越多越好，这里面还有一个度。汽车产品是性能和成本制约的结果。

这里还有一个工程实际问题，是选用好的或者多的永磁体，还是用高伏安能力的控制器？用好的永磁体就可以把控制器电量容量需求降下来，使控制器便宜。反之，大容量控制器有利于使电机尺寸变小，以至少用永磁体或可用低档永磁体。控制器及其元器件的成本主要取决于工艺和技术，而电机成本主要取决于材料，在历史长河里材料没有停止过涨价，工艺改进和技术进步会使控制器降低成本。从长计议，建议大家尽量用大容量的控制器，使电机及其用材变小，从而使系统成本走低。这里我主要强调， 控制器的容量和电机的大小是可以相互妥协的，系统成本和性能决定相互的取舍。

这是丰田的四代电机，有人可能已经见过类似的幻灯片，我只是将其细化了一点。以第三代和第四代为例，转速更高的目的就是使电机变小。电机为什么可以变小？因为电机的大小与输出转矩成正比，转矩需求小了，电机尺寸即可下来。为了保证功率需求，可以通过提高低转矩电机的转速来实现，因为转速与转矩之积就是功率。仔细观察可见，丰田普利斯电机的如下细节：其一，第四代电机把永磁体裂变了，原来是沿着电机轴向分很多块，现在沿着径向和周向也分段；二是增加了两个磁桥；三是转子表面开了明显的辅助槽。永磁体裂变可降低损耗、减少永磁体退磁的风险，增加两个磁桥使得可以在减小漏磁的前提下仍满足电机高速结构强度要求，转子表面辅助槽是为了解决振动和噪音问题。其四，系统中的电机几乎所有部件都变小了，唯一冷却油泵变大了，加强冷却无论对电机定子绕组还是转子永磁体降温都很重要。

根据电动化汽车驱动电机用材统计结果，得出每一千瓦输出功率的用铜量和稀土永磁体用量。少用材料是一个趋势，但不是用材越少越好，行业主要追求高性价比。效率、重量和尺寸是电机的及格线，NVH和EMC是约束条件。我们目前开发出的电机，有的已经达到5.3千瓦/公斤和11.86牛米/公斤（有效材料）。电机整体（含轴、壳体等全部零部件）功率密度接近3千瓦/公斤。

降低电机齿槽转矩和振动噪音的传统方法是斜槽， 而制造业常用等效的斜极或分段斜极来代替斜槽。斜槽不仅挑战了产品的工艺和一致性，而且容易产生铁芯端面出槽口绝缘损伤，同时也产生轴向电磁力使轴承寿命降低。 故工程上常用转子斜极等效定子斜槽。因为真正的转子斜极加工和工艺复杂，特别是对于内置永磁电机，几乎变得不可能。 实际可行的是分段斜极，包括转子铁芯沿轴向分段单向斜极和转子铁芯沿轴向分段“V-型”斜极,见图。“V-型”分段斜极不产生作用于转子上的轴向力，有利于延长轴承寿命。以下几张幻灯片展示了斜极与不斜极对永磁电机反电势、齿槽转矩和转矩纹波的影响。斜极可以大大减小齿槽转矩和转矩纹波。考虑到转动惯性的滤波作用，高速的时候没有必要把转矩纹波降到5%以下，但低速运行时降低转矩纹波有利于减低电机和车辆抖动、提高车辆舒适性。分段斜极也使得反电势更加正弦，减少其谐波畸变量（THD），从而减小控制器电容量，有利于控制器功率密度提高或小型化。值得一提的是， 无论哪种斜极，均无法减低铁耗，这一点在仿真设计时需要牢记。

最近矩形导体绕组备受关注。 刚才Venturini先生把“发卡式绕组”归结为先进的电机技术。事实上我是世界上第一个发明人，并把它应用于汽车驱动电机的。我设计的“发卡式绕组”电机被通用汽车应用于雪弗莱Tahoe混合动力车，这是全球第一个“发卡式绕组”电机在电驱动领域的应用。后来，宝马X6和戴姆勒奔驰ML450的发卡式绕组电机也是我在美国雷米公司设计制造的。这种绕组的优点是直流电阻低，端部短，有利于油冷，定子槽口设计灵活有利于降低齿槽转矩和振动噪音。其高频交流电阻可以通过减小槽高方向导体高度和端部换位等措施得到抑制。低涡流、低环流矩形发卡绕组是高速电机应用的研发方向之一。耐电晕、耐高温、高漆膜附着力、与油兼容的矩形电磁线等既是行业发展的机遇也是挑战。

稀土永磁体占电机材料成本的15-25%，而且随着稀土涨价而占比攀升。中国有一定的稀土资源，特别是稀土永磁市场优势。但是长期以来，稀土永磁体的材料利用率仍相对较低，比日本先进企业低5-10%。与国际上利用率85%甚至90%以上相比，我国磁体公司仍要在磁体精准成型、热挤压技术、加工切割等方面加大努力。电机公司也要在优化设计、挑战极限、制造设备和工艺等方面挑战自我。 磁体公司与电机公司合作公关有利于创新设计、材料利用率提高、工艺提升和成本下降。例如，降低永磁体涡流，要求不降低磁体性能的同时稀土永磁体的导电率下降。导电率下不来怎么办？制造工艺上，就只好多分段、分块，再粘接成型，这在制造当中有很大不确定性，即挑战产品一致性。再如耐腐蚀，钕铁硼最拍腐蚀，要保证不生锈就得避免其见氧和见潮汽，电镀涂层可以防腐，但它是导电的，用电镀永磁体就会在运行电机磁体中产生电流使磁体发热，导致性能下降甚至退磁。绝缘涂层的强度和耐腐蚀性以及与油兼容等，是磁体供应商和电机制造商共同关注的事项。 国内很多电机企业仍用导电镀层保护永磁体免于生锈，只因其价格便宜，但对质量显然是有影响的。

作为汽车动力总成的核心部件，电机和电驱动系统必须经过严格地试验认证。如图所示，新产品性能、设计和工艺试验认证的周期通常需要30个月左右时间。前些年，我国由于每年都改变补贴政策， 随之而来的产品技术指标也不断升级。纵观试验认证时间，为了赶上补贴变化的周期，也就只剩下可怜的几个月了或者干脆挤掉了试验认证时间。所以我国的电机，也包括电池，存在试验认证不到位的问题，因而就很难做出像宝马和奔驰一样的电动化汽车产品，这是一个很大的问题，甚者事关安全。

控制器是电机驱动的核心部件，我这里就不细讲结构原理了，只给出一个插电混合动力汽车的实例，幻灯片中方块图都是跟功率电子器件有关。除了控制器硬件以外，算法和软件也是至关重要的。用不同的算法和软件可以增加电机的高速输出功率，降低电机的振动噪音。例如，电机主动控制降噪，就是在其激励产生振动相位的180度时，再叠加一个激励，从而使两个相位相差180度的振动相互抵消，达到主动噪音控制的效果。软件直接关系到电机、电驱动系统和新能源汽车品质。

电机系统或电驱动系统或电动车其节能效果取决于运行工况，而不是电机的最高效率点或区。我国曾利用新欧洲驾驶路谱（NEDC）评价车辆能耗， 最近正在仿效欧洲采用全球轻型车测试规程（WLTP）测评车辆能耗。故最高效率点并不比NEDC或WLTC工况运行区重要。换句话说，在用减速器的总成中，电机最高效率区在实际驾驶中很少用到，因而工况经常运行区域的电驱动效率是设计和运营车辆的关键。以某电动车电驱动系统为例，其电机峰值转矩是300Nm，最高转速是12000rpm，但其80%以上的运行点落在转速1000-5000rpm,转矩<50Nm的运行区。

现在比较一下控制器容量大小对电机系统输出功率的影响。图中展示了同样大小的电机与两台容量不同控制器组成转矩相同系统的电机设计方案。与大电流控制器组成的电机系统其输出功率较大。当然增加输出会牵涉散热问题。

关于电驱动系统，不管是四驱还是两驱，传统上都是集中驱动，即电驱动系统通过差速器或传动轴形成两轮的协调和前后桥的驱动。如果未来采用分布驱动，无论是轮边电驱动还是轮毂电驱动，分布驱动是以电驱动为主。本次大会科技委员会将分布驱动推选为未来前瞻技术，也许五年内很难量产，尤其是乘用车轮毂电机的机、电、热都存在待解决的问题。两档变速器的目的就是把电机变小，并使电驱动系统满足低速的爬坡转矩要求和高速的行驶功率需求。现在以减速器为基础的电驱动系统，要满足两个要求，将导致电机的转速要求越来越高，每分钟1.8万转或者2万转，最后做不出来低噪音高速齿轮成了系统瓶颈。所以不只是减速器，两档变速器乘用车还是有需求的。而工程商用车，甚至需要4挡乃至8挡变速器与电机匹配。另外，在电动化的过程中，一个四驱系统是可以分开前后桥驱动的。前轴和后桥可以分开驱动，精进电动有一系列的产品来解决，前驱或者后驱都是“三合一”或者“多合一”。纯电动四驱车，前面一个模块和后面一个模块，一个主驱，一个辅驱，与传统四驱同时驱动不同。至于谁集成这个系统，供应商还是主机厂，我的观点是谁做的性价比高则用谁的。当然许多主机厂喜欢自己采购电机、功率电子控制器和减/变速器模块，完成系统集成。精进电动还有一个混合动力电机系统，包括一个发动机和双电机的系统，这个混动前驱也可以与三合一电机后驱组成混动四驱。我们在辅助后驱系统中加了一个离合器，离合器在过速时断开，拖车的时候不至于因车速太快造成损坏。当后驱模块不参与驱动时，可以断开以减少转子空转产生的铁耗。

这个幻灯片是美国能源部（DOE)2025年电机系统发展规划。规划中个别参数是矛盾的或者是错的。不计其小节，到2025年一个150kW的电机系统其电机和控制器都不足RMB ￥3000元。您如果做不到这个价钱，可能在电驱动行业中就难混啦。至于如何可以达到控制器功率密度达到150kW/L, 材料的创新与进步是关键。例如，美国能源部在规划中提出“碳纳米管+铜”，导电率不变，但载流能力可增加100倍、导热能力提高10倍、强度是铜的300倍。运用这种“超级铜”，的确可使控制器变小。当然SiC高频控制器的电磁兼容（EMC）也是一个挑战，滤波电路和耐高温电容等都有待提高。SiC功率模块大部分是欧美供应商提供的，很多控制芯片离了美国、日韩和德国还不行，世界供应链应该是一个团结合作和互补的，希望推动全球供应链合作。电机的材料和零部件也是如此，包括高速轴承和刚才讲到的永磁体等，都有补缺和提升的需求。此图是对硅钢片的要求，另一张是对于永磁体的要求，永磁体性能提高、低重稀土技术、回收利用的等。这里也给出了稀土永磁体全球的情况，右边是矿藏储存量，中国是世界上最多的，但不是特别多，我国在重稀土储量和开发利用上占有优势，在轻稀土，美国储量不压于中国太多。从稀土永磁体在全世界应用状况图中可见，中国用得最多，提高稀土永磁体价格，我国稀土永磁体用户受损害最多。美国稀土永磁体用量只占其稀土应用总量的7%，日本永磁体有其23%左右稀土用量，中国有超过40%的稀土用在永磁体上，我们是最大的用户。电机的极数和转速上升导致其运行频率升高，碳化硅MOSFET是高频低损耗开关元件，温老师已经讲过了，而且讲得比较清晰。我就不重复了。这里只重点提醒一个问题，我们需要解决触发板和模块板“二板合一”的技术问题，否则从漏电感与电容、电阻之间的关系式可见，漏电感将增加，漏电感增加会造成开关损耗增加。这里也列出了碳化硅MOSFET控制器开发中应该解决的问题。最后一个，给大家报告一个好的消息，精进电动拿到欧洲著名主机厂碳化硅控制器的量产开发项目，给欧洲著名主机厂供应碳化硅控制器，将逐步提高公司自己在第三代宽禁带功率半导体应用方面的能力。我们给美国的OEM做电机和总电驱动总成，也给德国汽车公司做研发。我们参与中美、中德和中意等国际合作项目，希望未来各国相互交流，互利共赢。精进电动因美国谷歌智能架势汽车增加了很多的电机出口量，现在的关税是27.5%， 比原来高25%。这个税率从2018年7月就开始了，我们希望中美通过谈判的方式解决贸易摩擦问题。谢谢！

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