【2017泰达论坛】精进电动蔡蔚：应追求轻量小型化而非百公里加速

2017中国汽车产业发展（泰达）国际论坛在天津举行。在“能源多元化与汽车产业战略选择”专题下， 精进电动创始人蔡蔚博士发表了“汽车电动化进程中电机系统的机遇与挑战”主题演讲。

精进电动创始人兼首席技术官 蔡蔚

大家上午好！我的演讲基本上分几个标题，先讲能源清洁化。电能属于二次能源，二次能源一个主要的发展方向是要清洁化，这是全球电能发展的一个主要的趋向。很多国家包括中国都有承诺能源低碳化，也就是说由左边的化石能源发电逐步变成右边的可再生能源发电。在中国稍微有点不同，我们把核电归类为清洁能源。 这里不谈核能究竟是不是清洁能源，尽管我国把它当成了清洁能源，我暂时把它放在非清洁能源里面去，主要原因是万一发生了核辐射，它的半衰期是以万年计算的，所以是很可怕的事。

讲了能源清洁化，我们再看某知名品牌电动车，它现在的二氧化碳排放是每公里190克，而全球燃油车平均二氧化碳排放是160克/公里， 为什么豪华电动车排得多？ 是因为电能清洁化没做好。还是这辆车，什么都不做，如果我国满足“十三五”能源发展规划的话，能源清洁化经过五年的进步，那个时候该车的二氧化碳排放就是每公里160克左右。 显然能源清洁化和汽车电动化协同发展是国家的战略“大棋”。为此我国提出了一系列燃油经济性要求，比如汽车到2030年油耗要达到百公里3.2升。可以告诉大家，没有汽车电动化，要达到这个目标门儿都没有。因此，汽车电动化不是一个选项，而是一个必须项，做也要做，不做也得做， 除非说汽车行业将来不做汽车了或者我国的燃油规划不是强制性的，那将是另一个码事。可见电能和汽车都必须清洁化、低碳化。那么，汽车电动化的规划与愿景是否合理、符合自然科学原理？从汽车能源转换来看，传统汽车的能量转换，是单向的，传递也是单向的，汽车通过爬坡和加速积累的势能与动能，一旦刹车的时候就全部变成热能浪费掉了。而在电动车中，所积累的势能和动能，在下坡和减速的时候可以部分回收，因而电动化的车辆一定节能。

左边展示了美国自1985年以来的汽车发展：美国曾经把车越做越大、发动机功率也随之上升，把百公里加速时间越做越短，实际上油耗和排放的二氧化碳跟着增加；右图展示得是中国的企业平均油耗与车重的关系：由于车重的增加使燃料消耗也在增加。因此，我们应该追求轻量化、小型化，而不盲目地追求那些不必要的超短时百公里加速。

因而， 在《中国制造2025》节能与新能源汽车技术路线图中，就有了一些对于混合动力车，对纯电动车和对节能车的要求。 丰田前期做了一个预测，今天我也很高兴看到了日本政府又把汽车电动化的预测拿到这个会上， 很显然今天代表日本政府作报告的朋友的预测比丰田的还要激进。汽车电动化不仅是大势所趋，而且发展比想象得快。

讲汽车电动化就要讲电驱动系统的总成。PPT中间的这个框里面的电驱总成包括电机本体、功率电子控制器、减/变速器和动力电池等直接搭载底盘和车身，就是电动车；如果电驱总成跟发动机集成起来搭载的车就是混合动力； 电驱总成跟燃料电池集成再搭载就是燃料电池汽车。所以电驱动系统是所有这三种车辆的核心或者“心脏”。

这样一来我们如果把相当于血液的电池放到一边，因它跟传统车相比就是油箱。当然它比传统的油箱复杂得多、难得多。那么电驱动总成还剩下什么？电机、齿轮箱、车载充电器、电力电子控制器、辅机系统和总成信号控制系统，所有以上这些通过算法和软件联系起来，它们跟整车的关系是机、电、热和通讯接口。我们再看一个电动化方面的需求，事实上讲挑战就要讲需求。涡轮增压发动机可以提高发动机低速区段的性能，电动涡轮增压器需要一个90~140krpm的电机系统。还有燃料电池动力系统的空压机也需要一个 >80krpm的驱动电机。这么高转速的电机，首先遇到的挑战就是轴承，其次是在高速下的铁芯损耗，再就是电力电子开关元件具备不具备这么高的开关频率。

说到挑战，右边的是BSG起停系统，皮带传动的起停系统中的电机转速已经达到16~20krpm左右的转速，因而也存在对轴承、铁耗和开关元件的挑战。如何把电机做轻做小，尤其是起停系统，要做大了没人喜欢。
为了满足四驱车辆的电驱动需求，我们可以采用左图所示高效油冷双电极系统做前驱，原理展示如右图。再加上一个带切分功能的电驱动后驱模块，从而形成四驱电驱动系统。如果前轮驱动是带发动机的，这就是一个前轮是混合动力，后轮是纯电辅助驱动，这也是一个四驱混合动力系统。

那么后驱模块为什么要带切分呢？主要原因在于我们用了永磁电机， 而一旦永磁体装到电机上就拿不下来啦，所以在电机高速运转的时候会产生反电势，很高的反电势。一旦车辆坏了，在拖车的时候也容易因拖车快速行驶而产生高压反电势，而损坏控制器电容和开关元件。 所以在这样的情况下，需要从控制的角度上进行弱磁控制。总而言之，需要让它高速下能够运行，就要弱磁， 弱磁是有付出的，而且有时弱磁会失效，这就是为什么用切分离合器的原因，说穿了就是降低反电式势产生的问题。

从整车系统来看，电驱动总成中的减速器在向多档变速器方向发展。但是由于电机调速范围宽、性能好，我们并不需要一个太多档位（如6-8档，甚至更高档位）的变速器。我个人观点，四档变速箱是纯电驱动系统所需要的最多档位，混合动力系统所需要的多档位变速器或等效的带行星齿轮的动力分流变速器是发动机的原因造成的， 跟电机没有关系。所以现在普遍在开发的是两档变速器，它结构简单，但是它同样带来了新挑战。总所周知，传统的变速器每个级差之间尽量不超过1.8，这是变速器的基本知识，但是如果把两档箱也变成1.8，却很难完成兼顾低速大转矩需求和甚高速功率需求。因为大部分两档变速器极差都是超过2的，所以对换挡平顺性形成挑战。

下面谈一下精进电动的一体化“电机+两档箱”总成，这里可以简单地看一下该两档箱的工作原理。在传统变速器中，离合器基本上是用摩擦传递转矩的，接触伊始摩擦片可以打滑。精进电动采用了齿嵌式的离合器，正是考虑到电机调速性更好一些，不需打滑换挡也不难实现且相对平稳。据此也使得我国避开了我国湿式离合器技术和产品滞后的问题。我国自动变速箱大部分靠进口或者合资， 自己开发的全球竞争力不强。

下面再讲另一个电驱动总成实例，即双电机同轴串并联混合动力总成。 也就是我国插电混合动力大巴车通常所采用的典型系统。该系统通常有两个电机，可以做串联运行，也可以做并联运行，右边的视频是它的一个运行原理。在这样的系统中，精进电动同样采用了电磁离合器，电磁离合器解决了哪些实际问题？ 第一，终身免维护，现在离合器每年最多两年必须维护一次，每次维修至少8000~10000块钱左右。而电磁离合器可以做到全寿命周期免维护；第二，解决了采用传统干式离合器的电驱动总成IP67防护等级不达标的问题，可带自动电磁免维护离合器的PHEV动力总成可以在下水运行，而不至于灌水。该点优于搭载干湿离合器的总成。 除此之外我们已经从仅做电机过渡到系统集成，除了极个别的客户希望自己集成外，大部分大巴公司都是采用精进电动的电驱动总成。 也就是是说，我们在向电驱动系统供应商的方向发展。

电驱动系统对于电机有什么要求？首先对左边的电势波形我们希望其谐波越来越小、 空载齿槽转矩和转矩纹波越来越低。而右图的是汽车电动化“三电”的发展方向。基本上电机的发展方向是感应电机和永磁电机，永磁电机现在占了全球新能源汽车的85%以上，而且还有进一步增加的趋势，因为特斯拉MODEL3和将来的新产品不再用感应电机了，永磁电机会达到90%以上的市场份额；功率电子开关正在由现代功率半导体的硅基MOSFET和IGBT逐渐向第三代宽禁带功率半导体方向发展，也就是说以碳化硅、氮化镓和蓝宝石等为主的新一代的开关元件代表着未来的发展方向； 而储能电池也在从铁锂向高储能的三元电池甚至固体电池方向发展；低端的起动机、发电机市场竞争愈趋残酷、市场规模将萎缩甚至开始逐步地退出市场。

正向开发过程是：从分析的角度要有电磁、转子因力、结构分析、流体分析、发热和冷却分析和车辆动态分析，右图也展示了整个产业化过程，这是汽车动力总成开发的周期，电机系统通常需要30个月左右的开发，跟整车同步开发。如果要找出目前国产汽车的水平不及国外的原因，其中主要原因是国内把这30个月的试验认证过分地压缩成了3-6个月。而且部分车企年底才规划明年多增产新型电动车XX万辆，全新的电机和其它新动力总成核心零部件没有得到从性能测试、设计认证到工艺认证的全周期开发就开始装车，如此电机和电驱动总成不可能具备全球竞争力。

开发过程的试验认证需要装备精良的实验室。精进电动拥有国家地方联合实验室和北京市级别的多个实验室。关于实验能力，希望所有电机和电驱动总成供应商都应装备产品研发所必须的实验能力和实验室。如果未来的产品是智能化的，那么制造就必须建立在数字化的基础之上。如图所示是将来制造数字化的规划。有关定子绕组制造，手工、自动和机械下线各有各的优势。到现在为止分布绕组自动下线的电机其性能大多赶不上手工下线的电机，这是下线设备供应商和业界需要努力的地方。定子自动制造的电机一致性、可靠性是好了，但其性能下降了，装上整车耗电多了、耗油多了，这怎么能行？需要设备行业抓紧，努力作出更好的设备、更好的产线、更好的产品。

我们的目标是向高端产品和智能化方向发展，右边是精进电动一个黑灯工厂，整个转子制造是没有人的，直到全部装配测试完成。但是这里面很多设备是进口的，部分自动化机器人是国产的，实际设备使用经验告诉我们，同志尚需努力。

关于振动和噪音，可以想办法从控制的角度，从软件的角度来降低噪音，从软件的角度增加电机性能。从软件的角度还可增加电机性能，从软件上可以降低振动和噪音，这是我们需要努力的，不但中国要努力，全球也要努力，全世界离行业需求都有差距。

电机的振动和噪音要降低，我们要允许大巴涉水，乘用车也可能涉水，因而对电机的防护要求是IP67，即浸入1米深的水中运行30分钟。当你用上轮毂电机的时候，环境要求车辆得保证24小时均在水里没有问题，此类工程问题尚多，所以轮毂电机到现在为止离量产相差甚远。在诸多待解决密封问题中，最重要的、较难的是轴和壳体之间的密封，这是全世界面临的挑战，需要大家努力。右图事关安全问题，为解决EMI的问题，需要加装安规电容。由于安规电容的存在，只要一点短路会造成了系统性短路回路， 故产生了安全性问题。所以你需要应对电磁电容， 当电磁电容的问题解决了以后又遇到了新的问题，可谓挑战不断。

图中显示电机系统在循环工况下进行测试。请看电机高性能、高效区在转矩-转速平面什么地方，而电机实际循环工况运行区在什么地方，所以NEDC要求的工况现实和电机高效性能区是不重合的，需要努力提高系统效率，以达到节能减排的目的。

如图是永磁电机和感应电机在循环工况下的测试结果， 可见永磁电机的确比感应电机的加权平均效率高好，而且好得较多。

表中展示精进电动的永磁电机和另一供应商的永磁电机搭载某一线城市同一公交大巴线路电动车的七天测试结果。每天要求行驶174公里，大家可以看到好的电机和差的电机消耗的电池电能是不一样的，而且相差较多。

最后让我们关注一下电机的产业链。 稀土永磁发展趋势是高性能化、 低重稀土化、回收利用和综合利用。图中展示日本稀土永磁体技术的走向， 就稀土而言，日本基本代表了全球的发展方向，在许多方面都做得较好；有关定子绕组的材料，值得重视得是我国几乎百分之百耐电晕绝缘原材料依赖进口，这个问题必须解决。 高速电机大部分的轴承也几乎百分之百依靠进口，中国要培养自己的高速轴承供应商。然而在谈到电机的时候，许多人说中国电机没问题，事实上电机系统前端产业链的问题比电池严重得很多，我国功率电子元器件90%依赖进口，自主的只有10%的低端产品，打开控制器盒盖，很少有中国制造的零部件与元器件。我国要提高未来作为电机系统产业链的研发和产业支持。现在市场不成熟，但却代表未来发展走向的材料和技术，只有国家支持才能参与全球竞争。故碳化硅相关项目和课题的比例在“十三五”科技重点专项中明显增加。我国不仅要加快扁线导体绕组电机的开发，还需要前瞻开发绕组涡流损耗低的高频电机。我正在牵头用于第三代宽禁带功率半导体供电的高频电机的材料、绕组和产品开发。进一步的研究应包括可用于测评甚高频绝缘材料耐电晕特性的方法和设备以及仪器仪表等等。

图中标红颜色的是我国现在还处于空白和较差的方面，需要努力的。当然这几年我国有了长足的进步，但是我国的电机系统供应链仍不够成熟，我国在制备永磁体中消耗比别人多，我们叫黑色的黄金，比别人多费了5-10%。主要是指当你从原材料制成可用于转配电机的永磁体的过程中，跟日本相比浪费了材料。我国的硅钢片，耐电晕电磁线等也离需求有差距。关于功率电子元器件，同样标红颜色的是我国能力较差的，粉红颜色的是尚可的，黄色的是自主可以满足要求的。从这个角度大家可以看到，电机跟电池相比，电机系统和产业链更需要国家的支持。

精进电动至今仍是我国唯一一个电机系统出口供应商，一花独放不是春，我国应有更多的公司有全球竞争力。 精进电动向美国出口的电机搭载克莱斯勒动力总成去年获得了“沃德全球十佳发动机”，这是中国的突破。希望大家共同努力，把我国的新能源汽车做好。 我们不仅要能跟国内供应商竞争，还要具备跟国际供应商竞争的全球竞争力。核心零部件强，中国汽车产业则强。走出国门，争全球第一。

谢谢大家！