精進電動創始人蔡蔚就電機和電力電子相關技術進行演講

2020-11-25 電子發燒友

精進電動創始人蔡蔚就電機和電力電子相關技術進行演講

工程師曾暄茗 發表於 2018-07-07 11:20:00

很高興有機會跟大家分享一下關於電力電子方面的問題。我在這裡主要是講電機對這方面的需求。精進電動最近在電力電子方面做了很多的工作,一半是在國內做的、還有一半是在美國做的,是美國團隊做的,我跟大家講講我們做了什麼。

能源向輕量化發展,所以汽車向電動化發展,汽車和能源兩個結合到一起才是中國國家發展的大旗。以某知名品牌電動車為例,他現在二氧化碳的排放遠遠超過了燃油車,所以電動車也不應該鼓勵超大和超豪華的方向發展。

這是我們大家都熟悉的一些法規方面的問題,沒有電動化是不可能達到油耗指標的、也不可能達到我們國家特別規劃出來的雙積分的政策。

還有一個原理方面的問題,傳統汽車的能量轉換是單向的,電動化的汽車能量轉換傳遞是雙向的,這是一個原理的問題,這是為什麼電動車節能的一個主要的原因。電機既能把電能變成機械能、也能把機械能變成電能,而傳統的發動機和變速箱變成機械能以後再想變回去是不可能的,如果不用的話全部浪費掉。電驅動和總成的發展,是以電機和電力電子為技術總成的。我們國家的「十三五」科技發展規劃,最開始的時候我就跟歐陽老師商量把這個字改了,原來叫「電機系統」,把它改成了「電機和電力電子」,更明確的說明了電力電子在這方面的重要性。

大概有幾個方面,包括電機的本題,齒輪、齒輪箱、車載充電器、輔機電驅動系統、功率控制器、總成的信號控制器,整個加到一起是從軟體和算法連起來,跟整車的聯繫是機電和通訊。

圖中間畫綠框的是跟電力電子相關的東西,就是說我們在講一個混合動力,為什麼講混合動力呢?因為混合動力更複雜一些,是電動化的部分+傳統的發動機和變速箱的部分。

如果把我們國家的「三電」技術放到一起,我們大概發現有這樣幾個東西,驅動電機基本上是感應電機和永磁電機,而功率電子元器件是用矽基IGBT和未來的第三代寬禁帶功率半導體方向發展,電池基本上是傳統的鉛酸電池、鎳氫電池,未來向固態電池方向發展。

如果我們把電機分成兩種的話,現在市場上用的主要是永磁化的電機,而永磁化的電機逐步達到了我們國家的新能源汽車電驅動系統的85%到90%以上,而且有進一步向前發展的趨勢。我這裡不講感應電機,只講永磁電機。永磁電機集中繞組和分布繞組的,極對數增加是減少電機尺寸的一個方法。增加電機的轉速是減少電機尺寸的另一個方法,原理上來講只有這兩個方法,剩下的都是向材料挑戰。
我們得出了分布繞組和集中繞組的電機各有特點。分布繞組,省材料、不花錢的繞組多。集中繞組,因為工作區比較狹窄。大家都知道,工程師最害怕科學家給了我們一個數,這個數沒有誤差。工程師總是要求誤差的,而集中繞組的電機誤差是比較大,而分布繞組的可能誤差比較小。得出結論也是,分布繞組的電機不太容易散熱,集中繞組的電機容易散熱,如果你發現電機燒了百分之八九十都是集中繞組電機,普遍採用的方法是封到一起,用高導熱率的材料進行密封。

對於高速電機的需求有兩種,一種叫BSG,現在的混合動力電機當中的48V, 48V電機需要很高的轉速,因為有一個皮帶傳輸比2.5到3,而電機最低要求是1.5萬轉,大部分需要1.8萬轉甚至2萬轉的電機,這麼高轉速的電機我們就需要開發高速電機,因而功率電子的頻率需要提高。

除此以外,還有一種是燃料電池的空壓機和電動渦輪增壓器,這個是指對於傳統發動機提高效率的一個方法,就是用電動渦輪增壓器和燃料電池。剛才清華的老師已經講了,我們一起合作在做,這個需要9萬轉到14萬轉高的轉速。這麼高轉速的電機顯然對電力電子提出了挑戰,我們必須提高頻率。

還有一種是矩形導體的,剛才歐陽老師也講了,矩形導體我國是世界上第一個把它放到新能源汽車上應用的,而且是批量生產的。14年以後,我很高興的看到了全世界沒有一個公司沒有研發這個,尤其是國外的公司。就是說經過14年大家終於認識到了我15年前的專利是有用的,但是這個時候正好可以不用專利了。

汽車未來既可以充電,也可以作為電源使用,這是一個很重要的部分。而且車作為區域網的一部分使用,也是作為一個電源充電和放電兩個共同作用的部分。

汽車電動化的另一個就是智能化,過去很多電機系統不具備智能化,而現在由於網聯化等等的一些需求,比如馬航的飛機沒了,我們一直在找通訊的黑匣子,好知道飛機在哪兒,未來的車也應該有這個,因而國產化的電力電子和一些智能控制的軟體非常重要,所以一定要看到自主方面該做的事情,遠遠超過了成本能和不能的問題。

還有一個軟體和算法的問題,通過軟體和算法可以降低噪音大概5—6分貝,我們可以通過一系列算法提高現有的電機功率15%,僅僅通過控制算法。

還有一個軟體的問題,是應用加上Service做到OSEK。

我認為應該做的是雙面冷卻,現有的IGBT應該是發展的方向。而碳化矽、氮化鎵是未來的發展方向。精進電動在這方面跟美國的數所大學在合作,做了一個80千瓦的碳化矽的控制器,也在做另一個30千瓦的氮化鎵的控制器,主要應用於燃料電池和其他幾個方面的應用,氮化鎵暫時不適用於高電壓的控制器,目前還不具備這個條件。

晶片方面,比亞迪的宋全部用自己的晶片、自己的封裝,做自己的控制器來控制宋,過去秦曾經嘗試過,不是非常成功,後來經過改進,他們已經具有了產業化的能力。現有的價格這個模塊是多少錢呢?兩三千塊,應該目標價格是700元,能不能做到?應該可以做到,這是我的觀點。

另一個是多功能集成在一起,精進電動目前做的有四合一的控制器。還有一個充電和驅動,因為開車的時候從來不充電、充電的時候不開車。我知道有很多人說無線充電的時候,車一邊走、一邊充,現在還沒做到這一點。我們完全可以用一個功率模塊來做,有很多的人都在嘗試著做這樣一些東西,精進電動也在嘗試。

另一個,電力電子的碳化矽和電機集成到一起了,溫度也可以集中到一起,剛才溫老師已經提到了絕緣方面有很大的問題,中國所有的絕緣材料的原材料全部依賴進口,百分之百,我們必須解決這個問題,否則將來受控於人家。另外電機與減速器集成,精進電動已經大批量的推廣這個東西,商用車上我們推廣的是電機和變速器的集成,尤其是兩檔變速箱。

我想順便提一下這件事,是噪音相關的問題。左邊講的反電勢的問題是電機可以做到的,可是為了做好這個需要增加電機的成本,但是增加了電機的成本就可以減少控制器電容的使用量,電機和控制器是相輔相成的,一個提高了另一個就可以下降。

提高電壓有利於增加功率,比亞迪是一個典型的改革,在制定 「中國製造2025」方案的時候,他們提出了做1500V甚至更高的建議,最後大家還是在1000V以下。

一些關鍵的技術是什麼?我們首先認為,一個是電機的極對數要多,一個是電機的轉速要高。原理上來講減少電機,為什麼減少電機,多用控制器、少用電機?為什麼?因為控制器現在主要的成本是智慧財產權、是基礎產業。把基礎產業提上去、把智慧財產權提上來,控制器未來的價格,比如一個800安培的控制器價格應該在3500元以下,而現在模塊的錢就是3000元,這顯然是不合理的,這個價格是可以下得來的。而電機的材料大部分是硬材料,銅、鐵、永磁體,尤其永磁體是我們國家獨有的,我們不希望價格跌的太低。因而從這個角度上來說,我們總是要想辦法多用控制器、少用電機是未來的一個發展方向。

還有一個「三小電」的問題,也需要很好的解決。我們缺少一個安全方面的措施就是無位置傳感器的控制,我們未來的傳統汽車上每個車都應該有無位置傳感器的算法,當你位置傳感器失效了以後可以開回家、開到4S店,至少這是應該做到的。而現在我們大部分控制器都不具備這樣的算法。

控制器的電流增加可以增加整個系統的功率,就是說同樣一個電機,就把控制器電流增加了,整個系統的輸出功率就增加了,同樣道理,為了使控制器用的小、用的電流能力差的控制器,就需要做一個大的電機,所以我們需要這樣一個東西,是做一個大的電機合適呢,這是一個例子,完全一樣的例子,假設生產同樣大小的一個轉矩的電機,這個電機系統所需要的控制器的能力大的時候是右邊這個結果,顯然右邊這個使得整個系統的性能大大的提高。也可以增加功率輸出,我都有具體的數據,而且這些都是真正的樣機。

為了減少振動和噪音,精進電動到現在為止做了有100臺左右的樣機,做各種各樣的測試,來減少振動和噪音,解決這些問題是很重要的。典型控制器的指標主要講的是電容的電壓和IGBT的電壓能力,這兩個能力實際上造成了控制器失效的主要原因。

最早的時候福特是把控制器和變速箱集成到一起了,但是福特現在不這麼做了,把變速器拿出來了,原因很簡單,變速箱裡頭髒東西太多,進到了控制器裡頭。因而這個路徑好像逐步在變少了,而且有的人嘗試了不算成功。

總而言之,第三代功率半導體是發展的方向,第三代功率半導體有這麼多好處,這是我們目前可以找到的在市面上已經封裝好的Cree的第三代功率半導體碳化矽的,電流已經達到了444安培。

最後一個,我國汽車的核心零部件供應商要有全球競爭力,這是非常重要的。精進電動的電機已經批量出口克萊斯勒了,去年獲得了Wards 「全球十佳發動機」,中國以前從來沒有獲得國「全球十佳發動機」,所以我們逐步進到了這個市場。

謝謝大家!

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