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【2017汽车零部件高峰论坛】精进电动蔡蔚:优化软件和算法可提升近10%功率

盖世汽车 2017-09-21 15:53:29

当前我国制造强国战略的实施和“一带一路”建设,为汽车产业发展提供了重要支撑和发展机遇。世界汽车产业发展出现的深刻变化,也给我国汽车产业转型升级、由大变强带来挑战和难得的历史机遇。如何应对挑战和机遇,夯实汽车零部件产业基础,推动行业内外协同创新,是中国汽车零部件产业急需探讨的重要课题 。2017中国零部件高峰论坛期间,诸多行业领袖、专家以及国家顶层设计者针对新形势下汽车产业链的协同发展进行了重要探讨 ,以下是精进电动科技股份有限公司创始人兼首席技术官蔡蔚在会议上的演讲实录:

2017中国汽车零部件高峰论坛,2017汽车零部件高峰论坛,零部件年会

精进电动科技股份有限公司创始人兼首席技术官 蔡蔚

感谢有机会跟大家聊一聊中国汽车核心零部件在创新方面的话题。没有创新就没有精进电动,精进电动是一个“不到十岁的孩子”,刚从幼儿园到小学,在成长过程中创新很重要。下面重点跟大家一起来回顾一下精进电动随着汽车电动化的大潮做了哪些创新,当然我顺序渐进地讲的如下几个子题目。

一. 汽车电动化的原因

首先是汽车为什么要电动化;二是电机、传动、功率控制器、传统方面的需求与发展;三是夯实材料、零部件和元器件等供应链基础;最后讲抓住机遇打造具有全球竞争力的电机与电驱动系统。我今天讲的是如何振兴我们国家的汽车工业零部件产业,尤其是汽车电动化的核心零部件产业。我认为中国的汽车工业强,世界的汽车产业才繁荣。

全球能源向清洁化发展,电能属于二次能源,从化石能源向可再生能源发电转型。只要完成我们国家“十三五”的电力清洁降碳规划,某知名品牌电动车不需要做任何努力就可以把二氧化碳每公里的排放从190克降到168克。同样是这辆电动车今天在美国的二氧化碳排放是120克,在法国的二氧化碳排放还不到90克,为什么今天它在我国行驶每公里排放二氧化碳190克?原因简单,就是能源的清洁化做得不够好,电能主要依赖燃煤。能源的清洁化和汽车电动化是我国国家战略发展的大棋。不要单纯地看我们现在是用化石能源发电,未来我们会有越来越多地可再生能源的发电。

据此战略布局,我们国家政俯发布了一些政策,左边是燃油经济性规划,做燃油车就要达到这个标准。右边是我国学习美国加州的做法,称着双积分的征求意见稿(即将发布),对传统的汽车生产不发执照,对新能源汽车已经发了15个执照,这是国务院的政策,也是我国汽车工业未来发展的政策。

为什么美国从1975年开始汽车的车重、发动机功率都在下降,原因是经济危机。而1985年逐步开始车重恢复增加、发动机功率越来越高、百公里加速的时间越来越短,这是什么原因,经济复苏了,结了伤疤忘了痛。所以我们不要等到经济危机的时候才想到汽车轻量化,不要等到经济危机的时候才想到小型化符合我国发展的汽车之路。业届也不要一味地去追求百公里加速,因为大部分老百姓并不需要每百公里加速3至4秒钟,完全没有必要。过分的追求是高碳排放之源,也浪费国家的能源和地球资源。

在《中国制造2025》节能与新能源汽车发展规划和市场预测中,有内燃机汽车燃油经济性的规划,混合动力要达到什么样的标准,纯电动车百公里的电耗要达到什么标准,我国还在探讨能够达到什么标准,应该达到什么标准。纯电动车的什么样的单次充电行驶里程比较适合,混合动力乘用车的节能标准又该是怎么样的,混合动力商用车的节油标准又是怎么样的。右下角展示了日本政府认为2050年的时候还有多少燃油车,当然日本说的燃油车不等于不烧油,其燃油车实指纯烧油的车,显然到那时纯燃油车已很少了。

近期媒体在热议德国、法国、英国都已经有明确的禁售燃油车时间表了,英法是政府在提出,而德国是议会通过的决议,但是在资本主义国家不是三权鼎立就是两权分立,各权都通过了才能成为法规来推动。目前激进国家才刚迈出第一步,而且混合动力汽车不在禁售燃油车之列;也有另一些国家的政党和组织经开始在建设和讨论禁售纯燃油车,同时讨论推广新能源汽车;还有许多车企的电动化规划,我选了几个车企列在右图中,包括我国的,也包括德国和美国的。总体可见,电动化是未来发展的趋势,有很多开始讨论禁售燃油车,我指的是纯烧油的车,纯烧油车如果没法达到法规的油耗要求,将来是不允许上路的。

二. 电机、传动、功率控制器、传统方面的需求与发展

电动化是汽车发展的趋势,中间蓝框中的电机本体、功率电子控制器、储能单元和减/变速器等是最重要的,也就是说这块是电动化的核心,将其直接装到底盘上,就是纯电动车;如果它们跟发动机连起来,再搭载整车,就是混合动力车;它们与燃料电池发动机连起来,搭载整车就是燃料电池汽车。故电驱动系统是纯电动车、混合动力车、燃料电池车等共同的“心赃”。

从起停系统一直到纯电动,这一发展趋势中,电动化越来越强,强混合动力、插电混合动力和纯电动是未来的发展主流。

“十二五”解决了我国汽车电动化“从无到有”,“十三五”我国就要解决“从有到优”的问题。“三电”是主要的,过去我在不同的场合用过这个PPT,在此恕不详细讲解。电机是以感应电机、永磁电机为主,永磁电机占比超过85-90%;功率电子从被动二极管整流过渡到现代硅基功率半导体MOSFET和IGBT,未来向第三代宽禁带功率半导体发展,例如SiC,GaN等;储能方面,铅酸电池逐步向锂离子电池和三元电池过渡、未来可能发展成固态电池;控制器入端电压不断提高,电机功率不断增加,这是一个整体趋势。在这个情况下,传统汽车的部分产业,例如起动机,可能会没了,尽管在许多皮带传动BSG中仍然还需要起动机。你要做好充分的思想准备,产品随产业转型是一个非常重要的事情。

我们对产品有哪些要求呢?    一是防护等级的提高;二是低振动、低噪音;三是电磁兼容EMC。把这样一些指标提升起来,产品才上了一个台阶,中国的汽车产品到今天为止之所以全球竞争力不强,上述三个指标差负一定责任。

从电机的转矩随转速变化曲线上看,我们要解决的几个问题是什么?左边这个小圈是指电机的起动转矩,事关起动能力,特别是坡起。中间圆圈里转矩拐点,事关百公里加速的需求;最后是最高电机转速,事关最高车速下的性能要求。要同时满足这三个需求,在设计给定尺寸电机时是互相矛盾的。解决这个问题是很重要的。两档变速器和变绕组电机是解决问题的思路。

众所周知,要通过检测证实电机满足国家标准。然而,各大认证机构得出的报告显示:起动转矩等于平均转矩。这从原理上是不可能的,没有电机能做到这点。但却堂而皇之的写到了国家的认证机构的报告材料中,这个必须改变。为什么做不到?因为电机运行过程中,由于转子位置不同,起动的时候可能在峰顶和谷点中的任何一点。谷点对应的转矩才是可保证的最低转矩,而且起动时可能面临相电流过大而发热,导致运行时间变短。如果假设起动转矩为平均转矩,应用到整车上,很可能会产生安全隐患,造成人的生命和财产的安全等大问题。

电机的另外一个发展方向是高速化。我刚才说了48V可以缓解企业燃油经济性压力,但仅48V却达不到未来的油耗指标。我们要充分利用48V使其帮助发动机更多地省油,办法是给带48V电机的发动机,再加上个电动涡轮增压器,该新增电机需要每分钟转速在9万转到14万转之间,这个高速电机系统遇到了很大的挑战,尤其是轴承和功率控制器开关频率,因为传统的BSG电机也转是2万转,而它需要9-14万转。另外燃料电池汽车中的空压机也是需要高速的电机拖动,目前也是我国家该行业的缺项,因而需要我们克服困难、补上短版。

从电机本身来讲,要提高电机的功能密度有几种方式,包括增加极数和提高电机的转数或者提高传动比,提高传动比也是要求电机转速上升,这些都对控制器开关元件、电机系统材料等等提出了新的挑战。现在很多控制器不满足要求,因为开关元件压根儿不能开关得那么快,类似问题我们必须解决,例如用SiC元器件。

至今全球自动化下线电机的性能都赶不上手工下线电机。故全世界必须提高自动下线设备的水平。现存自动下线机大部分选单层链式绕组、单层的同心式、双层同心式等等,其缺点不言而喻。怎么样解决双层叠绕的自动化下线,才能进一步推动产业升级。

三. 夯实材料、零部件和元器件等供应链基础

我国还遇到哪些挑战?以高速轴承为例,基本上百分之百依靠进口;以永磁体为例,永磁体的材料利用率大概比国外低5-10个百分点;以耐电晕绝缘材料为例,基本上是买国外的原材料回来生产电磁线,仍然需要进一步努力自主创新,使得我国的电机产业往前推进。

我国的功率电子元器件我就不用说了,IGBT开关元件几乎全依赖进口,我很高兴地看到了比亚迪能够做该元件了,南车正在做,大约明年投产。这是走在前面的功率电子企业,剩下的还相对落后。整个国家花在买IGBT和相应的集成电路以及芯片的钱,相当于进口石油价花费的1.8倍,国家的弱项需要增强。即使传感器我们做得也不太好,经常一个控制器被打开细查,发现其国制造的元器件不是很多。

以下是对稀土行业提出的要求。这是日本的三个主要的发展方向,我做了一个总结。右图是我国稀土行业的技术发展方向,包括高性能化、低重稀土化、回收利用和综合利用。最近我们在推动工信部的原材料司和装备司共同成立一个上下游共同参与的联盟来提高这方面的产品研究和应用能力。

对于电机定子绕组物料,我们希望通过“十三五”的攻关来解决。总而言之,我们在这方面遇到的问题很多。油冷也是很重要的,右图的实验结果显示,到今天为止我国自主的油冷材料没有满足要求,两款合格品全是进口的。我们要做出满足全生命周期的绝缘材料,不要钻补贴政策的空子,未来你的产品质量过硬才是硬道理。

IGBT我就不多讲了,目前是2~3000元一个模块,未来应该做到700块钱。另外就是齿轮,不管是高速齿轮、行星排、复合行星排、液压系统、油冷系统,这都是我国的弱项。只有攻关和突破瓶颈,才能进一步满足全球发展的要求。

四. 抓住机遇,打造具有全球竞争力的电驱动系统

电驱动系统一般需要30个月的开发时期,不能把30个月减化成半年或者3个月。精进电动拥有国家和地方联合实验室,同时拥有多个北京市级试验室。也具备各种各样的认证资质。这为创新产品的试验认证提供了保障。

开发应是正向的,通过别人的平台学习也是非常好的发展方向,但是要有自主创新开发能力。也就是在电磁、应力、结构、流体、发热和运动每个环节都需要有一个分析工位,每个节点要有开发者,要与全球同步开发。目前自动化是我们首先要解决的。我就不详细地一一讲解了。

未来的发展,因为产品要智能化,图中是我认为未来电机的产品要具备这些功能或属性,那么我们的制造一定要数字化,也就是MES系统与SCM、SSM、ERP、FCM、P/PE、底层生产控制系统等等集成,变成真正的数字化。

这是我们的一款产品,前面是前驱模块,后面是后驱模块,它是一个四驱电驱动系统,因为时间关系,我就不细讲了。

在后驱动系统中,精进电动加了一个切分装置。因为永磁体装在电机上在高速运转会产生损耗、高反电式等等,故加了一个切分装置。在高速的时候它把转子分开,而需要的时候再合上离合器,这个切分装置解决了系统潜在的损耗和反电势两个问题。

未来,减速器向多档变速器方向发展,但对纯电动而言,四档箱足够多。档位太多,回馈发电能力受限,甚至连国家的节能标准都达不到,更别说达到国际化的优质产品了。在混合动力系统中,变速箱要对迎发动机,仍然需要多档位的变速箱,与在纯电动系统中少档位需求不同。

视频展示了一个电机加上两档变速箱的应用:这是正在运行过程中,先是一档运营的时候,现在准备从一档切换成二档,最后前面电磁齿钦离合器分开了,后面合上了。进一步可见精进电动的串并联的混合动力系统,它是我国主流的大巴车搭载的插电混动系统。这里我们用了电磁自动离合器,使得大巴的节油率达到60%左右,这里面一定要强调车辆的轻量化技术已应用于该节能大巴中。

除此之外,精进电动还开发了一大堆的创新产品,有的是与车厂一起开发,有的是精进电动自主开发,比如这个双电机混联系统是精进电动自主创新,搭载北汽新能源的PHEV。目前也有很多整车公司与精进电动合作开发,在混合动力上我们有一系列的项目要与主机厂合作开发。

软件算法可以解决很多问题,只要把软件和算法提高了,可以提高电机将近10%的功率。系统控制未得到这额外10%的功率,其原因是软件算法不到位。就软件算法可为的而言,我们也可以用软件算法减低噪音、补偿旋变误差等等。

现在最大的挑战是电机轴和壳体之间的密封,这是中国仍至全球面临的主要问题,希望大家共同努力来解决这类问题。有时在创新过程中选对方向极为重要,特斯拉经过了十多年的努力认识了永磁电机比感应电机好,我们一开始就集中精力做好永磁电机,永磁化是节能的主要方向之一。

这是精进电动的直驱电机装在某一个车上和对手对比,搭载不同供应商电机的两款车都能拿到国家的补贴,我们的电机实际节省更多电能,节电指标是用户追求的指标。

关于未来电机的发展方向,我们要满足第三代宽禁带功率半导体更高开关频率。现在的电机绝缘在高频下已显示有问题,怎么办?我研究了满足第三代宽禁带半导体的材料和电机绕组,对国家重点专项承诺,在我国“十三五”期间开发出耐甚高频电晕材料和高频电机绕组。我国核心零部件要进入全球竞争,精进电动的电机已批量出口欧美,由我们的产品集成电驱总成获得了沃德全球十佳发动机。而且这个电机系统装在谷歌的智能驾驶MPV上。除此以外,精进电动还为新创电动车企供货电驱动系统。让我们与同行一起把我国汽车电动化推向未来,走向世界。


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