哈尔滨理工大学蔡蔚：电动化汽车电机系统的昨天、今天和明天

10月18日-19日，2021第九届汽车与环境论坛&第13届全球汽车产业峰会隆重召开。本次论坛主要围绕中国汽车产业发展、动力总成电气化、ADAS与自动驾驶、芯片与汽车基础软件、智能座舱等行业热点话题展开，旨在共同探讨新形势下中国汽车产业有序发展的新思路。下面是哈尔滨理工大学“头雁”教授、精进电动创始人蔡蔚在此次论坛上就《电动化汽车电机系统的昨天、今天和明天》为题的演讲实录。

大家下午好，首先我简单介绍一下自己。我在欧美待了14年，在中国工作了20多年，这其中包括学研界17年，产研届20余年。这些年头加在一起，你就推算出我的年龄了。

今天先给大家讲一下“双碳”战略，双碳战略是目前大家都在谈的各行业大事。实际上对于碳中和，我认为还是挺难的一件事。

这个图左边是规划，右边是现实，以2020年为例，规划说62%是煤发电量，实际发电71%是煤电，可见煤发电量是很难降下来的。因此在煤电占比居高不下的今天，电动车的高速发展并不意味着解决了碳排放问题。也就是电动车降碳要伴随着电能清洁化。

从环境要求出发，2060年煤电装机量等于0，而煤电发电量最多6%（规划）。是否容易实现是另一回事儿，但得朝着这个方向持续努力。关于汽车电动化，这张幻灯片我用了三年，一直没改过，今天加了三行字：其一，混合动力是降碳的主力车型，因为煤电没有彻底降下来，必须用混合动力汽车通过降低油耗来大幅降碳；其二，纯电动汽车是降低污染排放（有毒气体和微颗粒等）的主力车型；其三，燃料电池汽车还在努力中。

既然讲过去，那就要回顾一下车辆发展史。实际上电动车是1881年发明的，比燃油车发明的早，但是没有率先规模量产，主要原因是没有高储能电池和功率电子，现在功率电子有了翻天覆地的变化，而电池也有了很大的变化，请注意我词汇用的不太一样。

后来才有了混合动力，大家讲到的轮毂电机和理想汽车的增城电动车，人家保时捷就是用轮毂电机去做理想增程车的驱动电机，那可是1898年21岁的小伙子弄出来的。再往后来，1930年就有了集成起动/发电机(简称ISG)，所以ISG距今已有90多年了。前几年某公司很高兴地从博世买了48伏系统电机生意，我个人认为买得不是很值，因为那是随着电动化很快要被淘汰的东西，所以人家博世不要了。

合动力和新能源汽车各占50%。对于乘用车规划有可能实现，但商用车可就难了，所以我们还需认真考虑。左下角是油耗的规划，借用师建华秘书长的话应该叫“建议”，建议出了“双积分”政策，又出了按照WLTC工况来测评的“国六”排放法规。

“双积分”政策是不是中国先提出的？不是，是美国加州走在咱前面，人家制定了法规，从法律上规定到2025年的时候整车厂要销售22%的零排放汽车，我国规划得是20%新能源汽车，包括增程汽车。

那么新能源汽车得市场表现究竟怎样呢？今年1-3月份新能源汽车是8%的渗透率，而1-9月累计已经是11.6%的渗透率。燃料电池车销售量一看就知道尚需努力，全中国1到9月只销售了906辆燃料电池车。至于混合动力汽车，我并没写，但混合动力汽车2020年全中国销售不到60万辆，几乎全都是外资品牌的，自主品牌没有混合动力汽车上市（不含可归入新能源汽车的插电混合动力汽车）。行业规划要求2025年达到40%的混合动力车，这个担子可不轻呀。

那么汽车降碳主力车型是什么？回答是商用车。商用车年产四、五百万辆，结果却是汽车交通碳排放的百分之六七十的来源。这其中我们优先要解决的, 就是140万辆左右在城际路上跑的商用车的碳排放问题。

如果我们按照美国加州的政策去估算大约什么时候我国商用车碳达峰，再依据中国的“双积分”政策也做一个预测（祥见参考文献），基本上得到了左图所示的、百万吨油当量表示的中国商用车能源消耗趋势预测；右图所示的以百万吨CO2当量表示的，中国商用车终端CO2排放趋势预测。

商用车假设最高年产是550万辆，得到的结果碳是什么呢？用加州政策预测碳达峰2026年，依据中国的“双积分”政策预测碳达峰是2030年，美国加州商用车碳排放法规比我国的双积分政策对碳排放要求更严。参考美国加州法规情景我国碳中和时间将从2060年提前至2050年。也就是说，碳中和达成时，全都是清洁能源的汽车，即不是纯电动车就是燃料电池汽车。我个人认为对于商用车碳中和目标很难实现。

那让我们看一下2060年商用车的平均百公里油耗目标，达到这个指标难度极高。从这个角度来看，混合动力商用车无论如何都要推上去。不然，我们国家的降碳指标没有办法完成。还有，我国发电也要转向清洁能源发电，电能清洁化和汽车电动化两件事情加起来才能完成国家的“双碳”战略目标。

今天重点是讲电机系统，也就是电机和控制器。左测图示是电机的比功率和控制器功率密度的规划指标。业界很多人告诉我，路线图规划2035年的指标我们今天就完成了。事实上，他没有注意到电驱动技术路线图对电机系统和电驱动总成的指标参数表下方的折算系数，例如，系统电压提升导致电机输出功率上升，考核时要按一个折算系数将电机高电压下的功率密度折算到给定的低电压下参数，从而比较您的产品技术水平是否有所提高。无论如何，我国行业控制器从2015年每升4个千瓦升至2020年的17个千瓦，这项指标有大幅提高，超过了电池的系统能量密度在过去5年的提升幅度。

这个幻灯片展示了电机的分类和在电驱动总成中的应用机型。稀土永磁电机，如图中蓝色点画线所圈，到今天为止仍占行业驱动电机应用的90%以上，其它各种机型占比都在减少，包括感应电机和电励磁同步电机，到今天为止尚没有任何一个感应电机、直流电机、电励磁同步电机的各项加权指标可以赶上交流永磁电机的，所以交流永磁电机仍是主力机型。

最后讲一下功率电子控制器，刚才提到行业进步很快，但是功率电子芯片主要依赖进口。我国新能源汽车的功率电子芯片还装不上高端车，例如，比亚迪汉电动车也没用自主的碳化硅芯片，或者说我国的第三代功率半导体芯片供应商暂时无法提供满足装车需求碳化硅芯片。

谈一下未来的电机系统的发展方向。硅基功率半导体一定是向着碳化硅基等第三代功率电子方向进展，可以说是控制器升级的方向；电机则是向高速化、永磁化、低NVH方向发展。究其原因，因为电机大小跟转距成正比，功率正比于转矩与转速的乘积，为了保证功率输出需求，为减小电机尺寸而把转矩降下来了，就一定要通过增加转速来达到需求的功率。增加了电机转速，基波频率就增加了；基波频率进一步提升，12k赫兹的硅基开关频率不够了，需要开关更快的功率电子器件，那么第三代宽禁带功率半导体应运而生。第三代功率半导体主要有高电压、高频、高温、高导热、低损耗等优势。左下角给出了半导体行业评价器件用的优值，如果我们说硅基IGBT是1的话，SiC和GaN的优值分别是458和489，提升不是一个数量级。所以未来硅基IGBT一定会朝着SiC基器件转型升级。

这页幻灯片列出了许多做SiC基控制器的中外企业，到目前为止，这么多的控制器，包括研发的、产品的，都没有用中国自主SiC芯片的，所以我们要抓紧时间研发和产业化。这里统计了几个中外车企的下一代产品，基本包括传统和新造车实力以及中外主要新能源汽车玩家。从表中最右边一列一眼就看出来了：没有用中国自主芯片的，行业真的需要努力。

碳化硅控制器水平现状究竟如何？全中国2020年只有三个企业出了产品，特斯拉中国的Model 3和Model Y、比亚迪的汉、精进电动碳化硅控制器。幸运的是电驱动供应商精进电动已经小批量出口德国，但量产是2022年大众旗下的Traton商用电动车。在这一点上，中国的企业也逐步开始有了全球竞争力，精进电动是打败了多个国际顶级供应商获取的订单。

我国的新能源汽车用SiC MOSFET控制器研发从何而始？“十三五”立项的时候，我和几个专家建议列了3个国家重点研发计划新能源汽车专项，但三个项目到今天为止都没有装车。国家的重大研发应用项目就要把它执行到产业化，推动产业向未来发展，建议将来作为不可妥协的考核目标。

讲到碳化硅芯片一定要谈到下游模块封装。图示是用传统的键合线封装，会产生诸多高科技的需求，我有个建议，跳过非常细致的键合线封装，跨代研发烧结封装。因为键合线将造成寄生电感参数等大幅度上升，导致碳化硅控制器电磁兼容很难达标。现在全球主要厂商主流仍用键合线，我们已经转向采用烧结或者压接以及双面冷却的封装材料开发，哈理工在银焊浆、银铜焊浆、铜焊浆和封装填充材料诸方面都取得了巨大进步，有望帮助行业跨过键合线直奔烧结封装前沿。

这一页幻灯展示了封装材料必须要解决问题，现在封装材料耐温不到200度，我们现在采用一些方法来解决像耐温等这样一些问题。我们正在利用中国唯一的绝缘材料与电缆专业优势，解决封装填充材料耐温超过200度的问题。

这是双面烧结工艺获得无引线封装的结构图，我们正与几个单位合作，有规划可以把这件事情做好。时间的关系，这里不详细讲了。软件的控制算法，行业现在普遍用的是单位电流最大转矩，将来至少这三种方法都要变换采用（单位损耗最大转矩，单位电压最大转矩，单位电流最大转矩）。

谈到位置传感器，传感器精度将大幅度影响电机性能，尤其是电机弱磁工作区的输出转矩或功率。请大家注意图中右侧的曲线，不难看出传感器精度差会引起较大的损耗和功率输出下降。由于传感器对电机性能影响极大，传感器本身精度和软件算法误差补偿都变得非常重要。有好的永磁电机要给它配好的位置传感器。

电容是全世界的短板，不仅在中国，是全球范围的问题。现在市场上膜电容的最高耐温在115摄氏度左右。因而哈理工团队的一部分人在研究电容膜的问题，目前在现有基础上已经提高了10度，可做到电容膜耐温125度，图中是中试线在试制产品。是否有解决控制器电容耐温不达标的替代方案？在海南会议上，美国工程院院士Thomas Jahns提了一个方案，他采用了电流源逆变器，而不是常规的电压源逆变器。电流源逆变器需要的电感器和小电容具备耐高温200度的能力。

芯片慌引起了国人关注。尤其是车规级主控芯片，自主品牌基本上没有。希望到2025年的时候，我国的自主供应商能小批量装车用，逐渐告别无芯历史。

简单介绍一下技术路线图，这张图是美国能源部的2025年规划指标，要求控制器要达到每升100千瓦，电机要达到每升50千瓦，到今天为止全世界既没有电机产品达到每升50千瓦的，也没有控制器每升达到100千瓦的。日本富士说样件达到150千瓦，后来在一个国际会议上当面问了一下，回答说也是在实验室玩的，连上车试验也做不了，说明尚有有很多问题需要解决。今天解决高功率密度电机的问题， 美国NC-State University提出了一个样件解决方案，采用了我幻灯片中左边所示系列方法，据说是全世界迄今唯一满足每升50千瓦的电机，当然仍是样件，不是产品。

谈到我国电驱动技术路线图，这是国家2021-2035《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的组织架构，以电驱动技术路线图为例，一个组有40多个单位100多名专家参与调研和编写。包括规划汽车总量和新能源汽车预计产销等，我折算出来了电机和永磁体材料的数量如表所示。研究发现一个问题，按传统稀土永磁材料制造工艺，轻中稀土没有资源问题，但是重稀土产生了资源短缺的问题，因为新能源和混合动力汽车量太大了。我们希望通过电机与稀土行业联合攻关，采用选区渗重稀土（镝、铽等）的方法减少重稀土用量，实现资源可持续发展。

我们要解决电驱动路线图中的诸多问题，通过两边往中间挤，提出了一些方法，这是只是可行的建议。我在这里简单提一下高电压平台，高电压平台所采用的功率电子器件一定是碳化硅基等宽禁带功率半导体。提高电压也带来挑战，很多高压器件在高压功率下寿命会下降，而且还产生局部放电和电晕加剧等问题，但是没有安全风险等级提高的问题，换句话说，280VDC和800VDC是一个安全等级，所需解决的问题相当。

这一页幻灯片解释了450VDC平台需要650V器件的原因，这里同样算出了800VDC平台需要1200V的器件，供大家参考。同时比较了硅基和碳化硅基功率电子控制器的损耗，不难看出， 硅基IGBT的功率损耗在800VDC直流母线电压下比400VDC大幅升高。采用SiC控制器后，损耗在800VDC电压下比硅基IGBT在400VDC电压下还低。 电压平台提至800VDC后出现了轴电压、轴电流问题。目前解决的方法是加导电环/刷、采用陶瓷轴承、高绝缘性能油脂、控制策略来降低共模电压等等。

水冷电机系统，因为功率密度的增加因而给冷却带来挑战，我对研究生说，未来解决冷却问题的人遇到的挑战要多于搞电磁设计的，但工程师就是为解决工程实际问题而产生的职业。

直接油冷，五年前我国的绝缘系统还无法兼容变速箱油，这是当时的试验结果。现在我国的绝缘行业水平有了提高，有很多国产供应商产品基本可用。

这里简单提一下对轴承的要求，到今天为止我们的轴承大部分是靠进口，本土自己研发生产的轴承还比较少，尤其16000rpm以上的电机基本没有用国产轴承的。

谈到未来市场格局，我参考行业报告给出了北美和欧洲市场竞争格局，北美电机和控制器市场基本上是LG和Tesla两个独大。我国电机系统要走出国门，参与全球竞争，出口到北美、欧洲和日韩等。有全球竞争力的企业，才不愧为行业领军企业。

这是精进电动十余年的发展，公司在全球新能源汽车电机系统技术上占领了比较高的地位。创造了我国全球竞争力的数个第一，我国第一个汽车驱动电机出口美国，第一个控制器而且是SiC控制器出口德国，第一个“三合一”电驱动总成出口欧美。希望我国电机系统行业有更多的企业站上全球技术和产品创新的制高点。

关于碳化硅控制器，我个人预计明年会装车50万辆，主要是特斯拉。但除了Tesla之外，自主车企也会有8-10万辆采用碳化硅控制器，包括蔚来汽车等整车厂。为了解决第三代功率半导体相关的问题，对控制器卡脖子的问题我们做了很多工作，希望这些工作对未来发展有益。

简单介绍一下哈尔滨理工大学，哈理工尽管学校排名百名以外，但是电气学科一直排十几名，排名靠前。以电机专业为例，国家教指委指定4本教材，两本来自哈理工。最近“电机学”获国家级高等教育教材二等奖。绝缘材料与电缆专业是全国唯一的独角兽专业，高电压技术也是知名专业。加上功率电子等，具备了电机系统所需的全部知识结构。我领衔的“新能源电机系统及关键材料研究”黑龙江省头雁团队拥有10名博导教授。希望行业专家与哈理工团队建立合作，谢谢。