蔡蔚：汽车减排与节能依赖高效电机和电驱动系统

7月下旬，第二届新能源汽车关键技术论坛在广州成功举办，此次会议专家汇聚、星光璀璨，致力于为中国新能源汽车行业搭建更为高端的全球化交流平台。

　　应广大会议代表的要求，我们将陆续发布讲课老师的精彩发言，敬请期待！

　　主讲嘉宾  蔡蔚博士

　　精进电动科技股份有限公司 创始人兼首席技术官

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　　“电能清洁化 汽车电动化” 是国家发展的战略大棋

　　首先我们来了解一下能源发展的方向。现如今我们国家以及世界各国的能源都在向清洁化方向发展，向可再生能源方向发展，这既是我们国家的发展规划，同样也是世界能源的发展趋向。

　　如果按当下电能的主要生产方式是煤发电来看，电动车的耗能，一定程度上还是会造成二氧化碳的排放，但暂时如果将电车造小，不向豪华、大型化发展，适合普通出行使用，那能耗和二氧化碳排放是在可接受范围内的，国家应该限制将电动车越造越豪华、越造越大，因为那是大车在拉着电池跑，浪费国家的能源，那也是在加剧二氧化碳的排放。当然满足部分用户的需求，个别的高档车是正常的，但是作为国家的发展战略不应该鼓励向着大型、豪华的方向发展。

　　“电能清洁化 汽车电动化” 是国家发展大棋，这是我的第一个观点。汽车电动化是不可逆转的趋势，当国家的法规规划在向这个方向倾斜的时候，如果企业不跟上这个趋势，那么只能是逐渐被时代淘汰 ，无法继续在中国做车了。

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　　中国2020年到2030年的新能源汽车生产数量的预估

　　中国2020年到2030年的新能源汽车生产数量的规划来看，要求数倍增长， 2030年比2020年增长逾100%，其中不同类型的电动车指标不同，插电混合动力车的纯电行驶里程要>50km，其混动运行节油>20%。纯电动车：乘用车单次充电行驶里程要>300km，电耗<10kWh/100km (<8 kWh/100km/t)；公交客车单次充电行驶里程>250km，3.2kWh/100km/t。节能汽车：混合动力乘用车：综合工况节油20%；混合动力商用车：综合工况节油25%。

　　另一方面是中国汽车油耗规划、油耗折算和财政补贴我们可以从下表看到：

　　另一个就是关于双重积分，就是企业平均燃料消耗量与新能源汽车分别计算积分。现在国际大型车企在华投资和自主品牌拓展市场时阻力最大的就是双重积分，为什么呢，就是因为如果车企要卖50辆燃油汽车，排放不达标，就要再造2辆电动车，那么如果自己不制造电动车，而是要买新能源汽车积分，那么就必须买11.25辆单次充电可行驶250公里的电动车，显然这是一个极度严格的政策。

　　丰田做了一个全球电动车市场发展的预测。根据丰田汽车预测，在2050年，按照电动化最小普及程度，传统燃油汽车的市场占比将跌至50%以下；我在2015年去参加德国CTI大会，98%的参会专家和工程师预测到2030年每台汽车至少搭载1台驱动或辅助驱动电机。

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　　汽车电动化符合自然界节能原理

　　在传统汽车动力总成与传动总成中，能量的转换或传递都是单向的，什么意思呢，就是说一旦燃料经过化学反应燃烧变成热能、机械能，除了用作动力驱动的那一部分外，其余的能量就全部浪费掉了。而在电动化的车中则不然，它的储能单元，经过控制器，将电能传递给了电机，而电机可以将电能转换为机械能用于开车，同时没用完的机械能是可以进行回收的，即将剩余机械能转换为电能存到储能单元。这就是汽车电动化节能的根本原因。也是因为这个原理，电机和电驱动总成一定比传统汽车的节能。进而一个企业想做好节能，那能量回收这一块也是最关键的地方。

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　　未来电动机的发展

　　1、“十二五”规划前在汽车电动化领域里我国做到了什么，做到了“从无到有”，但并没有做好节能这一项，全世界也大体如此。电驱动系统这一块是混合动力、纯电动和燃料电池汽车共同的核心技术。我们可以这样认为，电驱动总成等效于传统汽车的“发动机 变速箱”，未来的发展方向就是电驱动总成的创新。

　　2、从“三电”的现状和未来看，传统汽车主要用低压直流起动电机和爪极交流发电机，现在节能与新能源汽车较为普遍采用的是感应电机和永磁电机，现在为止还没有看到第三类电机能够具有竞争力，可以说暂时只有这两种电机具有实用竞争力。传统汽车用二极管整流，汽车电动化用现代硅基MOSFET和IGBT，未来以碳化硅、氮化镓、蓝宝石等新材料为代表的第三代宽禁带功率半导体做成控制器是发展方向。

　　3、从储能电池的角度讲，传统汽车的铅酸电池，逐渐向电动化汽车的镍氢、锂离子电池和三元电池方向发展，科学家和工程师正在研发和产业化代表未来的固体电池，这里仍有其不确定性。从电压方面来讲，我们正在逐渐提高电压从12V已经达到了680V，而且现在国家的一些专项课题已经将电压提高到了750V，电压的提高已经是一个趋势，但非无限制提升。

　　4、随着电动化发展趋势，中国乃至世界的电动机厂商呈井喷式发展，去年十一月份的时候做了一个简单的统计，中国有128家供应新能源汽车电机的企业，今年应该增加到200多家（包括新入门的）。当然数量不断上升的背后，就要谈到是不是所有的电机生产商都是能力相当呢，这肯定不是，并非所有生厂商都自主研发的能力。所以在新能源电机发展方面，掌握核心技术的同时，还要提高自主创新研发能力，只有如此才能在行业竞争中掌握主动。

　　5、简单的说一下用什么电机事宜。首先是轴向气隙电机，由于在整车开动时，轴的变动会造成外沿区域气隙较大的变化，而电机对气隙变化是非常敏感的，极易造成性能下降乃至整机损坏，所以暂时看轴向气隙电机、盘式电机不是一个很有吸引力的发展方向。

　　6、再谈一下感应电机和永磁电机，两者定子基本是一样的，但转子是不一样的。因为感应电机的转子会有电流损耗，但是永磁电机不会有，感应电机的定子因激磁需求会引起额外损耗，因为感应电机是单边激磁。永磁电机也会有额外损耗，但是发生在高速区。因为永磁电机的磁体一旦安装上去就拿不下来了，在高速旋转的时候，会产生一个很高的反电势实际是一种电压，这个电压在高速下会过高，那么只能在定子电流中增加一个去磁分量，这个分量会引起额外定子电流增加，从而产生额外损耗。

　　电机设计中要进行电磁分析、转子应力分析、结构分析、流体分析、热分析、车辆动态分析等，如果一个企业只具备以上的分析能力的一半，那么可以说您的企业不具备新能源汽车驱动电机供货商的可持续发展能力。

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　　关于退磁

　　关于退磁主要讲两个退磁，第一个是“居里点”退磁，这个是什么意思呢，当永磁体受高温达到这个温度点时，就被永久退磁了，即不再是永磁体了，稀土铷铁硼的居里温度大概在摄氏320度-340度左右。

　　另外一个是局部退磁，永磁体除了居里点退磁，大部分情况下多是由于温度和去磁磁场引起的局部退磁。所以我们不要求永磁体的各个部位具有极强的抗退磁能力，按照部位需求可以高低档搭配，例如渗重稀土就是提高稀土铷铁硼的表层抗去磁能力，从而节省重稀土用量和节省成本。

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　　电驱动系统安全问题

　　下图我要讲的电机系统安全问题，首先是IP防护等级，现如今应用最多的是：IP67，这是什么意思就是将电机系统浸在1米深的水中而被试件顶端仍需淹没在0.15米水下的试验，要求半小时内无漏水，且能正常运转。

　　当然我们集中驱动的汽车是不会长久泡在水里的，但如果是轮毂电机的分布驱动汽车，车辆涉水那么轮毂电机可能要求彻夜泡在水中，安全问题就会受到威胁，所以在轮毂电机的研发中IP防护、电、磁、热和机都是面临挑战的关键问题。

　　一台混合动力总成是否能满足IP67要求呢，首先必须保证电机里外是不通的，尤其是旋转轴和静止壳体之间的密封是关键的且极具挑战的，截至现在都是全世界的难题。现在很多企业是绕过轴与壳体密封，而选择壳体密封，例如将减速器和电机壳体密封连接。再就是密封圈的寿命、壳体的渗漏也都是需要解决的防护问题。

　　还有一个电机系统安全相关问题是起动转矩及防溜坡，尤其是谈到商用车的时候，我们经常会谈到起动转矩，或者说爬坡转矩、坡起转矩，电机供应商现在用的转矩多半是平均转矩，而平局转矩真正在高速旋转时可行的，但是你在低速时尤其是车在动于不动之间时，这样的平均转矩被称为驱动转矩是完全错误的，因为永磁电机的转矩可能这个转矩“谷点”，如果用平均转矩设计车辆，极有可能造成转矩不足而产生溜坡，这是一个非常严重的安全问题。尤其是在商用车的直驱系统中，是非常严重的问题。在计算起动转矩时一定要考虑转矩的波动，一定要用 “谷点”转矩校核车辆起动需求。

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　　分布、集中绕组的区别

　　集中绕组，端部很短，好处在于它容易放在轴向空间较小的地方。

　　分布绕组，是国内甚至全球的传统电机所应用的，他的缺点是绕组端部很长，尤其对于机械自动下线定子，占得轴向空间较大。

　　将分布绕组和集中绕组的电机进行比较，会发现分布绕组电机单位永磁体或单位有效材料所产生的转矩更高，所以要控制成本要尽量采用分布绕组，但是它也有缺点，其控制角的工作区较小，因角度误差造成的转矩控制精度误差也较大。

　　未来电机驱动系统的发展，必然是会朝向智能化发展，例如智能诊断，功能安全、电机的感知、控制、保护，能源有效管理、通讯与安全等。

　　同时软件的创新发展也愈发重要，软件是未来电子产品非常关键的智能组成部分，可以完成机械硬件往往很难实现的精细化控制。然而很多机械控制不到位却是直接关系到车辆整体安全、质量以及用户体验。应用软件在电动车中，可以解决机械所不能应对的问题，例如软件减低噪音4~6分贝，软件进行旋转变压器的位置补偿和软件可以减小轴电流和提高轴承寿命等，进而实现电动车各功能精细化操控。

　　我的一个观点

　　电机是以材料为主要成本，而材料的价格下降区间是有限的。而控制器则不然，它基本上都是技术成本、工艺成本，因而它的价格依赖于技术的进步，我们可以通过技术的进步以及更好的工艺来降低控制器的成本。将来电动车应该向应用大容量控制器的方向倾斜，而不是用大电机，依靠提升控制器的能力来弥补电机的材料成本劣势，实现系统成本的降低。节能和减排依赖高效电机系统和电驱动总成软硬件。做好节能与新能源汽车核心零部件有利于我国电动化汽车产业做强。

　　谢谢大家！

　　（来源：新能源汽车关键技术论坛/G）