蔡蔚：新能源加上混动，才是真正的汽车电动化

哈尔滨理工大学头雁教授、精进电动创始人、俄罗斯工程院外籍院士蔡蔚是新能源汽车用“发卡式”扁线绕组电机的发明者，解决了传统绕组电阻大、损耗高的难题，成果率先应用于通用汽车的雪弗来Tahoe、凯迪拉克凯雷德、宝马X6、奔驰ML450和克莱斯勒Aspen等全球知名混动车型。

2022年10月26日，由NDE Automotive Group、盖世汽车共同主办，上海虹桥国际中央商务区管委会、上海闵行区人民政府指导，上海南虹桥投资开发（集团）有限公司协办的2022第十届汽车与环境创新论坛暨第十四届全球汽车产业峰会上，蔡蔚直言：“尽管今年1-9月份我国新能源汽车市场渗透率接近25%，但距离完成混合动力的市场份额还差得很远，新能源加上混合动力才是真正的汽车电动化。”

蔡蔚 哈尔滨理工大学头雁教授、精进电动创始人、俄罗斯工程院外籍院士

以下为演讲内容整理：

电能清洁化与汽车电动化降碳

图1来源：哈理工蔡蔚，部分原始数据来自周孝信院士

首先说说双碳战略。煤电装机将会缓慢上升到2030年碳达峰，此后煤电装机容量和年发电量将开始下降。总体来看，我国电量的需求到2060年会翻一番，但发电设备总装机量是2020年的4倍，装机量增加主要来自光电和风电。

我们发电设备装机量与年发电量，虽然装机量多，但发电量不多，原因在于风不是24小时都刮，光也不是24小时都照。2030年煤电装机开始逐步下降，可以理解为2030年以后从事煤发电，工作不太好找了（开个玩笑）。另外，到2037年时，煤发电量和新能源的发电量将出现交叉，这是总体的电力行业规划状况。

图2来源：蔡蔚

再来看一下不同装机容量的占比是多少。从左边可以看到发电总装机量和不同装机量的占比，主要是几个趋势：一是煤电的装机占比越来越少，2060年的装机占比只有5%左右。再看右图的发电量，大家会发现2060年煤发电量只有3%点几。为什么煤电装机量也没有年发电量多？实际上煤电到那时将起到电力调节的作用，每年不再运行365天，只运行2000小时左右。

2025年时，非化石能源的装机量与煤电装机量相当，2030年非化石发电量将与煤电的发电量相当。这个结果对我们研究电动车全生命周期的碳排放非常重要，特别是从煤井到电动车电池阶段。

图3和数据来源：蔡蔚、周孝信院士

我们把未来的40年能源和电力系统碳排放分为三个阶段，一是碳达峰阶段，二是加速减碳阶段，三是碳中和阶段。目前总装机容量是23.77亿kW，总发电量还不到10万亿度。到了2050年，风光电开始占得多了，而煤电占得比较小了，全年总的发电量大概是15.23万亿度，这是预计中国电力系统总体的电源情况。当我们研究电动车碳排放时，一定要和电力系统状况结合起来，要是不结合起来，所谓的车辆碳排放等估算都是不符合实际的。

再看一下双碳时间节点对应的碳排放：首先是能源和电力系统的二氧化碳排放，整个能源系统的二氧化碳排放约为93.5亿吨，将于2025年-2030年之间达到峰值。2050-2060年是碳中和阶段，该阶段碳排放已经很低，并将继续逐步下降；图3的右图下方的点画线展示的是电力系统二氧化碳的排放，最下面是煤电的碳排放量，可见发电系统的二氧化碳排放基本都是煤发电的排放。

从国务院《2030年前碳达峰行动方案》来看，到2025年，要求实现单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%的目标。2025年GDP预计为133万亿，二氧化碳排放约为93.5亿吨，将比2022年单位GDP降碳21.57%。只有这样，我们才能完成国务院的2025年规划指标。

风、光、水在发电，也包括火电。火电产生二氧化碳，电解水产生氢，通过氢、二氧化碳和氧就能够合成甲醇。大气中有70%多的氮气，氢氮循环能形成氨，目前有发动机公司开始研究氨的发动机，这是给发动机行业的一个新出路，这样就能实现碳中和的同时实现可持续能源发展。

总结以上，用绿电电解水制氢和氧，氢气和二氧化碳合成甲醇、氢和空气中的氮合成氨，而氨和甲醇都是发动机的原料，可以使得建立在发动机基础上的运载动力系统和交通行业可持续发展。当然，氨电或甲醇电混合动力汽车也是新能源汽车的一个分支。

据网络公开数据，中国发电基本占了全球1/4的二氧化碳排放，占全国近一半的碳排放。2021年火电57702万亿度占重发电量81121.8万亿度的71.13%。

为了比较燃油车和电动车的CO2排放，这里先计算百公里油耗6.31升的燃油车的二氧化碳的排放。假设年运行10000km，从油井到油箱会产生0.126吨左右的二氧化碳，车辆运行时开10000公里约产生1.5吨左右的二氧化碳，两者加起来是1.626吨。如果采用煤发电驱动百公里耗电14kWh的电动车，根据2021年实际71%的煤发电量去算，对年运行10000km的电动车算出来一年内电动车从发电站到电池之间的二氧化碳的排放量约为0.95吨，而电动车运行不排放二氧化碳，所以总排放量还是0.95吨。

总体来看，一辆每百公里耗油6.31升的油车和一辆每百公里耗电14度的电车相比，电车可以比油车减少约42%的碳排放。即使100%使用煤电，电动车仍会减少二氧化碳排放10%以上。

现在能得出的结论是，电动车既能减少二氧化碳的排放，又能减少PM2.5相关有毒气体和微颗粒的排放，因此能源的清洁化和汽车的电动化是我们国家的战略布局。

中国对进口石油的依存度已经超过了70%。为了能源安全我们要推动电动车发展。但是除了能源是各国争夺的核心，材料也有可能会成为争夺的核心。现在电动车电池材料的进口比例中，镍有93%依赖进口，钴有98%依赖进口，锂有65%依赖进口。也就是说电动车电池的上游材料并不是完全自主的，此事必须引起国家和行业高度重视。

但无论如何国家还是要推动电动化，我们给出了一个结果：我国2025年的新能源汽车要占到总量的20%的规划2022年已经完成了，但是我们距离完成混合动力的市场份额40%还差得很远，新能源加上混合动力才是真正的汽车电动化。

图4来源：蔡蔚，数据来源如图中所示

中国卖的电动车都是哪些？按照车型来分，仍然主要是中型车和SUV，总体来看是SUV更多。欧洲和中国差不多，而中国和美国相比，美国的SUV更多。

图4右侧显示中国新能源汽车的纯电动和插电混合动力占比，我国的电动车较多，插电混合动力较少，最近PHEV发展较快，下一步将会不一样。欧洲的混合动力和电动车对半，这是市场需求和政策推动的结果。

电驱动总成与驱动电机

图5来源：蔡蔚

下面讲电驱动技术上的事情。上图左边蓝框里是核心，给它加四个轮子再盖上个盖就是电动车，如果和燃料电池发动机放在一起，它就是燃料电池汽车（FCEV)，实际上FCEV也是一种氢电混合动力。蓝框里的和发动机放在一起，就是混合动力。

电驱动和混合动力总成是我今天演讲的重点，可分为两种，一种叫分布电驱动，每个轱辘按上一个电机；另一种集中电驱动是把传统发动机去掉，换上一个电机，再加上一个传动轴就变成四驱，没有传动轴就是两驱。无论是哪一种，我们都希望电驱动系统越变越小，这样电机的转速就会越变越快。因为电机的大小和转矩成正比，转矩乘上转速等于功率，所以把转矩降低，可以把电机做小，把转速提上去，就能把功率补回来了，从而满足功率要求，这就是物理学的基本原理。

提到轮毂电机，优点是传动路径短、效率高，也可使滑板底盘易于实施。但全世界为什么还没实现量产呢？目前轮毂电机的机、电、热问题尚未得到良好解决，且簧上质量下移、操纵与舒适性的问题也没有得到妥善解决。我个人认为，轿车轮毂电机要实现批量生产，它一定是带减速器的，试图将直驱轮毂电机装在乘用车上前景堪忧。有些人可能不赞成我的观点，但是我说得是符合道理的，有很多数据能证明这件事情。

图6来源：蔡蔚

另外就是“三合一”和“多合一”电驱动总成。“三合一”主要是功率电子控制器加上电机再加上减速器或变速器，如果再加上其他功能模块就叫“多合一”。我反复提醒大家“多合一”一定要注意可靠性和售后维保的问题，不能因为一个小东西坏了就把整个总成拆解更换。维修是现在大部分主机厂都会遇到的问题，我们必须解决这个问题，因而“多合一”必须是模块化的“多合一”。

究竟是用减速器还是用变速器？什么样的车可以用减速器？普通车、小轿车可以用，但是如果运动型的轿跑，最高车速要跑300公里每小时，百公里加速还要在3秒之内，这样的车没有变速器不行。原因很简单，变速器是为了解决低速或零速时最大转矩需求和最高车速功率需求的矛盾，要解决这个矛盾的需求，变速器是最佳选择。如果使用减速器，为了兼顾两个需求，电机转速就要不断攀升，甚至上十万转/分，现在看起来太高转速速挑战太大。因此变速器在运动车型中仍有需要。

另一个是公交大巴，因为我国的公交大巴最高车速比较慢，最大转矩和最高车速之间没有那么严重的矛盾，所以可以用直驱或电机+减速器。根据要求不同选择动力总成，欧美的商用车、重载工程车则必须使用变速器。

图7来源：蔡蔚和电动车产业联盟

这是电机、控制器、减速器和电驱动总成各占比前十市场份额的图，在电机里国产品牌基本占70%以上，但是控制器的国产比例就出现了下降，电驱动总成比例会更低一些。我们能从中看出国产化在哪些方面是弱项，从而重点提升这些项目。

一台车究竟搭载多少台电机？2018年统计的数据大概是1.05台，2020年的数据是1.07台，这个数字有上升的趋势。我的预测是将来有可能会达到1.2、1.3的数量。也就是平均每100辆车中，将来可能会搭载130台电机或电驱动总成。

用什么电机？过去行业一直用的是永磁同步电机，现在有人考虑又回归感应电机的使用，但感应总体而言比比前些年用得少了，现在同步电机也就是励磁电机的使用开始增加了，主要源于对稀土永磁材料可获得性的担忧。

宝马在400V电压之下做的一款励磁同步电机，每公斤有效材料功率为7.2kW，而每公斤全部材料可以出2.77或2.58kW，很多永磁电机没有做到这个数，我认为这个做得是不错的。

不同转子感应电机的低速轻载效率会比永磁电机低3-5%，因此感应电机通常在四驱当中做辅驱电机。如果辅驱用永磁电机需要有一个离合器，否则在空转时会产生额外的铁耗和控制器损耗。永磁电机、感应电机和带切分离合器的永磁电机所产生的损耗大小比较应该引起行业的重视，究竟哪一个更好？如果不嫌麻烦，加上一个切分离合器配合使用，永磁电机能达到较好的性能。

由于电机转速高、频率高，控制器开关频率也要提高，因而控制器开始向碳化硅的方向发展。齿轮、电机向高速方向发展。高功率密度控制器需要解决电容耐温问题，如何解决这个问题？

图8来源：Thoma Jahns

美国DOE 2025项目的UW-Madison解决方案是采用集中绕组配合表贴式的永磁转子，最重要是采用了电流源SiC控制器。这也是全世界唯一的电流源SiC控制器电驱动系统，优点是可用电感来代替电容的作用，进而可以将耐温从105度提高到200度。

全世界做得最好的电机，目前为止应该是北卡罗来纳州立大学所研究的这台电机，也是唯一功率密度超过美国能源部50kW/L指标的电机。这个电机最主要的特点是加上了超级铜绕组，它的发展也带来了革命性的变化，当然碳纳米管铜材料目前离批量生产还有一定距离。

永磁体中用的重稀土还面临着全球的资源挑战问题。为了减少使用永磁体，尤其是重稀土，其解决方法是和供应商联合起来，采用重稀土扩散方法。大家都知道均匀扩散，但是我们现在又提出了一个新的方法——局部渗重稀土，哪个地方需要就往那渗。这样一来可以进一步减少重稀土用量。

另外是永磁电机涂层的问题，我反复强调最好使用绝缘涂层，尤其是内置式的电机，当你不用绝缘涂层，它是导电的，内置永磁电机的永磁体会像感应电机转子导条一样产生电流、引起损耗发热、导致磁体升温甚至退磁。

关于绕组的变化，从圆线到发卡式绕组、扁线绕组，我个人认为下一代会是是换位绕组。但其难点在于，使用换位绕组后往往直流电阻也跟着升上去了，因为换位占了空间，所以我们要想办法解决这些问题，这也是我们电机人需要应对的挑战。

这是上下游产业链，对于永磁材料、硅钢片、轴承、扁电磁线，我们必须要想办法解决这些材料的自主生产和性能提高问题，形成完整且良好的产业生态。

举个例子，高电压、高频的电机就对漆膜产生了挑战。漆膜越做越厚，800V电压加上高频，最后双边漆膜可能超过0.3mm的厚度，占去导电的地方，所以要想办法做薄，至少达到0.25mm的目标。为了提高电机的功率密度，哈理工团队在略微牺牲了一点其他参数的情况下，通过使用高导热聚酰亚胺最终将导热系数从0.2提高到1.7W/m·K。

另外是永磁体的排布和拓扑结构，最早时基本上都是内置式的，美国在研究下一代高速电机时普遍采用了表贴式，尽管现在主要是我在2004年为通用汽车等设计制造的双V型内置式永磁体排布。

由于需要提高转矩，特斯拉切断磁桥，使用碳纤维捆绑，并将这项大电机技术用在了小电机上。

图9来源：蔡蔚

另一个重要的解决方案是把冷却油路放在电机的定子接近定子槽的铁芯里面，而不是放在外面。大家看右边的铁芯冲片，它的冷却液是从那个地方流出来的，最终一个电机+减速器+控制器的总成可以做到每公斤6.7kW，我国目前还只能做到3kW/kg以下。所以我们一定要努力向别人学习，解决提高功率密度的技术问题。

功率电子控制器

碳化硅控制器一定是下一步的发展趋势，“十三五”的国家发展计划中有三个碳化硅的专项。我们的芯片发展到今天，下一步有可能会实现我们自己的碳化硅芯片上车，但是现在还没有，我们应该认识到这个问题的严重性。

碳化硅控制器为什么出现这样的问题？主要是成本、封装和集成的三大痛点，有人称其为“不可能三角形”。我在下一次会上会专门解释，我和我们团队是如何解决部分问题的。许多材料、工艺技术和装备是我国的短板，也是到现在为止仍依赖进口的主要原因。

另一个，希望业界打造我国基于稀土永磁电机电驱动的全球竞争力，只有走出了国门才叫全球竞争力。最近哈理工也在国家发改委的支持下，正在做一个新能源电机系统及关键材料实验大楼，将于明年竣工。部分重点电机试验装备已经陆续到位。所以希望和大家合作一起把我国的新能源汽车电驱动做好。谢谢大家！

（以上内容来自哈尔滨理工大学头雁教授、精进电动创始人、俄罗斯工程院外籍院士蔡蔚于2022年10月26日，在由NDE Automotive Group、盖世汽车共同主办，上海虹桥国际中央商务区管委会、上海闵行区人民政府指导，上海南虹桥投资开发（集团）有限公司协办的2022第十届汽车与环境创新论坛暨第十四届全球汽车产业峰会发表的《“双碳”战略下汽车电驱动的研究进展》主题演讲。）