WNEVC 2021 | 哈理工教授、国家特聘专家蔡蔚：电驱动系统创新技术现状与前沿技术展望

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2021年9月15-17日，“第三届世界大会”（WNEVC 2021）在海南国际会展中心盛大召开，由中国科学技术协会、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局共同主办。本次大会以“全面推进市场化、加速跨产业融合，携手实现碳中和”为主题，邀请全球各国政产学研各界代表展开研讨。

在9月16日上午举办的“汽车电驱动技术”主题峰会上，哈尔滨理工大学博导教授、国家特聘专家创新企业家专委会副主任蔡蔚发表精彩演讲。

蔡蔚发主要观点如下：

1. 根据美国DOE 2025规划，驱动系统峰值功率密度要达到33kw/L，分解到电控需要到100kW/L，分解到电机需要到50kW/L。需要新材料、新工艺、新技术等的创新才能实现。

2. 电驱动核心零部件强，电动化汽车产业则强；电机到了需要与材料和关键零部件融合发展的时刻；功率半导体产业链强，电机控制器则有竞争力；芯片和算法软件强，控制系统则自主可控。

以下内容为现场演讲实录：

我的主题是“电驱动系统创新技术现状与前沿技术展望”，第一是现在是什么状况，第二是全世界主要的研究方面，主要谈这两个问题。

首先看一下2030年碳达峰和2060年碳中和，请大家注意2050年是一些先进的资本主义国家的碳中和时间，我们规划比别人晚了十年。在这过程当中，电动化是一个主要部分，不管发电还是电动，最后归结起来都是电机、功率电子和电子传动。中国的电有60%-70%用到电机上，如果用不好的话，碳达峰和碳中和都无从谈起。

接着我们看实际状况是什么样的。实际状况是我们国家从2017到现在，煤发电基本维持在71%左右，这些年没有变化，在这样的情况下汽车行业如何降碳？《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的规划是提前在2028年做到碳达峰，不是2030年，我们怎么做到？必须要认真考虑一下怎么做，建议可能要以混合动力为主，真正从国家层面来讲以混合动力为主、以纯电动提升效率为主做这样的事。

电动化大家都熟悉，基本最早的是1881年电动车就有了，1886年才有内燃机车，到1890年混合动力车已经有了，第一辆混合动力车就是一个增程电动车，用轮毂电机驱动，用一个发动机带一个电机发电，我们现在有什么东西比那个时候更多了呢？所以130年以后的今天我们国家开始做了一些长远规划，比如根据技术路线图2.0规划，到2025年的时候新能源汽车占20%，混合动力要占40%，加起来60%，可是2020年我们的混合动力是多少？全中国60万辆左右，基本上都是丰田和本田，所以混合动力在这五年当中要有长足发展，大家要重视混合动力，把混合动力的电驱动系统做好，否则40%如何达到？

到2035年的时候一半混合动力，一半新能源汽车，但是新能源汽车增程汽车里面讲的实际上也是混合动力，所以混合动力到2035年的时候还多于电动车，是电动化的主力。要达到这些目标，我国现在采取了许多措施，比如国六排放、双积分等等。去年很多央企都得到了巨额的罚款，应该叫碳补偿，没有达标要交钱，尤其是合资企业，去年没有不交罚款的。所以这件事很严重，使车企不得不向这个方向走，而对车企能耗指标的提出，使得车企不再是把新能源汽车或者是汽车电动化当成一个选项，而是一个必须项，没有可选的余地，就一条路，这件事我想说的稍微清楚一些。

不论是混合动力车、燃料电池车，还是纯电车，它的电驱动系统基本都是电机+齿轮箱+电力电子+电池，我们必须要做好这些。为了降碳，第一个最主力的车型就是混合动力，因为混合动力所降的油耗是与碳成正比变化，第二个纯电动车中小型的碳排放也是比较低的，但是如果想要持续下降的话，仅靠电动车自己提高效率对碳排放下降的作用有限，所以我们要解决电驱动系统的效率问题，但是更重要的是能源问题，电动车降低二氧化碳，主要靠能源的清洁化。

我认为燃料电池车还在努力之中，大家知道去年才一千多辆，丰田去年也是一千多辆，所以不能称之为产业，但是这是未来研究的事。另外是驱动，驱动有两个，一个是集中驱动，一个是分布驱动，现在基本是集中驱动，分布驱动没有一个量产。一个主要的倾向是电机要向高速化发展，因为电机的大小和转矩成正比，整车需要的工具是转矩乘转速，要把转矩降下来，一定要向高速化发展。向高速化方向发展的同时，又要求电机的频率增加，增加频率就使现在的IGBT遇到了挑战，因为开关频率12000赫兹是一个应用的顶限，在这样的情况下，用碳化硅就迎刃而解了，这个问题提上了日程。

接下来是轮毂电机，到现在为什么没有产业化，还是因为机电热没有切实解决，因此产业化还面临很多挑战，需要在座的更加努力。

大家都熟悉的电动化的总成是电力电子控制器+电机+齿轮箱形成了三合一，其中软件和算法起了很大作用。一个不好的软件和算法，即使将三个好的硬件放在一起也是等于零，所以这个事一定要做好，而且这三个事情就是三合一的基础模块。如果把车载充电机、车载辅助电机控制等都放进去就是多合一，多合一是未来发展趋势。现在的三合一是三个邻居，不是真正的合一，未来要真正的合到一起去。这有什么好处？系统效率高、占空间小、重量轻，当然这是实际测试的结果。为了达到这些指标，用什么电机？现在市场上用的主要是感应电机、同步电机等等。国外马勒有同步电机，主要目的是为了降低对稀土的依赖性，用美国的话说就是防止稀土涨价。为了解决这些问题，很多企业在用同步电机，也用了感应电机，但是95%的是永磁电机，大家都知道永磁电机效率高、体积小，到今天为止还没有发现比永磁电机更好的电机。

我们谈永磁电机必然谈到感应电机。感应电机特斯拉用的最多，特斯拉为什么用这个？特斯拉最早用的电机是通用汽车那帮兄弟出来创业的感应电机，特斯拉自己不会做电机，当然用感应电机，但是现在它也用永磁电机了。

如果主驱和辅驱都用永磁电机，那么辅驱需要一个离合器。轴向气隙永磁电机的功率密度大，但是这种电机有一个缺点，轴加工稍微有一些偏差，上面就偏很大，导致左右两边不对称，从而产生振动和噪音问题。当需要大转矩时，电机的盘子大，就没有地方放这么大的盘子，就变成了三明治，这是一个需要解决的问题。还有很多在航天用的，功率密度怎么高，但是他们用的材料用不到车上。盘式（蝶式）永磁电机是没有铁芯的，就没有电感，所以调速的情况下，没有电感的电机是不能用的。美国能源部（DOE）的2025规划提出控制器的功率密度要达到100kW/L，我们现在的水平是3 kW/L，现在我们国家规划的电机功率密度是4kW/L，挑战是巨大的。但是到今天为止，美国能源部有一个样件达到了这个指标，通用汽车为了实现美国DOE2025的指标，和国家实验室合作开发出来三种电机。

第一个图是低成本、无HRE磁体和防退磁设计，大家一看没有什么特殊的，但是指标也是很高的，而且用一个后轮驱动的磁组，就是以磁组为主，以永磁体为辅；第二个图中间是永磁体，剩下的大部分都是磁组；第三个图是铜铝混合的感应电机，最主要的难处在于铜铝混合，尤其是耐久性，这个并没有完成，现在正在做的过程当中，这个就是真正的把电机和控制器放在一起的，不是将电机和控制器用螺丝拧上去的。过去大家用的电机是内置的，他这是采用表贴的，他们提到当永磁电机提升到20000rpm以上的时候，表贴式可能更好。为了解决表贴式问题，就必须要解决电机的范围调速问题。

讲到低重稀土电机，这是美国自己做的，现在完成度只到53%，并没有彻底完成这个项目，还只是一个中期阶段，到2025年完成。特点有几个：一是双三相，和六相不太一样，优点是低反电势、低谐波、容错好、降电容量，如果用电压源的话，因为平了可以降低电容的使用量，而电容是控制器大小的主要障碍之一，我们解决了这些问题。他把控制器放在中间，是真集成，另外一个是铁芯分辨+导热块，另外一个定子转子分开的，之所以把控制器放在里面，是离定子近，转子放在外面，有利于提高它的强度。转子采用了复合内衬，除了外面有以外，转子永磁体里面还有内衬，这个方案也大幅度提高电机的密度和电机系统的集成度。BLE另外一个专项，已经达到DOE全部电机的指标专项，50kW/L的专项，我个人认为这个东西离产业化还有一定距离，它用了超级铜，这个用了很长时间做出来一台。我去他清华大学院士实验室，不是电机的院士，是搞超级铜的范院士，我得到的结论是暂时很难产业化。但是他采用的方法使电机现在已经达到了DOE2025年的标准，这是美国整个DOE项目当中唯一一个达标的电机，所以革命性的供应链变化会使电机更加变化，但是革命性不是一天就革成功的。

另外一个美国DOE有一个很好的办法，都做100kW，看一下连续功率多少，这样互相之间很容易比较。很多提速都是100kW的设计，他这里做了什么？是系统成本和效率的平衡，探索新材料的应用。这个电机结构不是用稀土了，是采用双离磁的。

我们接着讲另外一个高功率密度的，这是不对称的，空间是六项，这是飞机上用的钴钢片，飞行汽车可以考虑这个事。最后是非晶和纳米晶，上面都是转子，下面是定子，右边是定转子结合在一起的，这是卡内基?梅隆大学承担的，都是有意义的项目，这个项目号称已经达到了8倍密度的提高，我非常期待，因为这个非晶电机在美国做，我回到中国做了不少国家项目，还是有一些体会的，这里有很多的技术壁垒和障碍。

另外电机绕组的改变，从圆线到扁线到换位线，这是一个整体的变动，原来每个槽有四根导体，现在是8根，将来会不会有20层导体，这的工艺制造太复杂了。人们在考虑更多层的时候是不是采用换位绕组，本身可以进一步降低交流电阻的损耗，这是将来的一个发展方向。

我在这里做了一个比较，一个是比较了圆线和扁线，一个是比较了四层和八层，两个结果包括仿真，有很多都是有计算结果出来的。第二个是一个超级铜，称之为石墨烯铜。超级铜大概是这样的，在常温下超级铜由于加了石墨烯，电阻率不可能低于铜，但是在40℃或者60℃以上的高温下，电机大部分运行在这个温度，它的电导率大幅度提升，从而使电机效率提升，这是一个研发的方向。

另外一个是新研制的高端产品，高强度硅钢片，它具有高强度、高导磁率、低损耗的优点；另外一个是钴钢片，随便设计一个电机如果用了钴钢片都会使长度降低10%，这就是材料的革命。

最后讲到稀土永磁的问题。我们国家不缺稀土，尤其是我们北方的稀土有很多很多，但是我们缺“重稀土”。过去经常用的是晶格细化，现在要到一个新的地步，叫选区扩散，哪一个地方需要往哪里弄，另外一个地方需要我再用，这样进一步降低重稀土的使用。

电机的斜极和斜槽，斜槽造成制造成本增加和PPM大幅上升。斜极有两段、三段、六段，重点说六段，我是世界第一个引入六段斜极的，这个已经普及了，主要是防止产生轴向振动，增加轴承寿命，还有其他的优点不详细讲了。另一个是永磁体，现在大部分都是内置，这是普遍的发展趋势，而双V型的出现又掀起了高潮，现在大部分开始恢复到早期时候，表贴式有一些新的原因开始用，还有Halbach排布。

齿轮的发展在这里点一下，主要是齿轮精度大概有ISO 5级和ISO 4级。碳化硅控制器是由于频率的升高不得不用，或者用了它更好。我比较了一下，第一代半导体材料的优值如果是1的话，第三代半导体材料SIC就是458，GaN是489，这是为什么从“十三五”开始推动碳化硅的发展的原因。

寄生电感是碳化硅集成一个重要的问题，我们要用烧结连接的方法做封装，封装和碳化硅控制器联合起来是未来一个发展方向，哈尔滨理工大学在这方面有了突出进步。这是封装未来发展的方向，因为有70%-80%寄生电感是这样来的，你如果消灭掉了就可以解决现在的问题。

另外一个是高电压的问题，电压的提升一定会带来一些问题，优点大家比较熟悉。随着电压提高，车上很多的元器件寿命在下降；随着电压的提高，绕组有局部放电的问题，还有轴电压的问题。但是从280到800V之间没有生命安全，国际标准和任何其他标准都是这样的。

电驱动核心零部件强，电动化汽车产业则强；电机到了需要与材料和关键零部件融合发展的时刻；功率半导体产业链强，电机控制器则有竞争力；芯片和算法软件强，控制系统则自主可控。这是今天讲的所有的内容，谢谢大家。

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）

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