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【汽车与环境】精进电动创始人蔡蔚:驱动电机与电驱动总成现状与趋势

2018-12-10 09:47:54 盖世汽车综合
核心提示:2018年汽车与环境创新论坛-嘉宾演讲实录!

2018年12月7日-8日,以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨,旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台,通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系,助力实现向汽车强国的转变。以下是精进电动创始人蔡蔚在本次论坛上的发言:

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精进电动创始人 蔡蔚

大家经常说电动车用的是电,中国现在发电主要靠煤,电动车能节能减排吗?放眼未来,国家规划清洁能源发电将逐步取代煤电,到2050年我国煤电将从2016年的68%降至13%,像特斯拉这样的C级电动车,即使不做任何技术升级,其行驶每公里排放的二氧化碳也可从今天的188克降低到2050年的58克。那么电动车对于PM2.5相关的有毒气体和微颗粒排放影响又是怎样呢?我先把结论给大家,假设电动车烧的电100%全来之煤发电(事实上, 2016年中国只有68%的煤电),那么电动车也比燃油车更加清洁。这是怎么得来的呢?图示是考虑季节变化对A级车和B级车做的统计,结果是它们每百公里峰值耗电在30度以内。如果按照煤电厂电表来算的话,我国到2016年的时候,每度电大概排放1克左右PM2.5相关毒气和微颗粒。假设输电线路有6%的损耗,充电有10%的损耗,整体算下来到2015年(2016年更低排放)的时侯所有电动车排放只有国6的标准限值得一半左右,即使像特斯拉这样的豪华车也比也满足国6排放标准。结论是: 清洁能源发电加上汽车电动化是国家长远的、英明的产战略布局。面向未来,汽车电动化符合节能减排的潮流。

此外,国家的节能减排政策法规日益严苛,要求传统汽车企业平均油耗在2020年达到5L/100km、2025年4L/100km、2030年3.2L/100km,没有电气化很难实现。最近双积分政策正式上线,所以汽车电动化不再是一个可选项,而是一个必须项。这样的规划不仅仅是中国,全世界也是这样, 例如美国加利福尼亚州要求运行期间零排放车的占比从2018年的4.5%到2025年的22%。

讲到电动化必然讲到电驱动总成的核心部件电机、齿轮变/减速器、电机功率控制器、辅机系统、车载充电器和信号逻辑控制器等硬件,当然也包括控制硬件的算法、软件等等。那么,发动机和电机有什么区别?不难发现电机的高效区通常在转矩转速平面的中间部分,而发动机的高效区通常在万有特性曲线的顶上,这就是差别。与发动机从零转速到怠速区间无转矩和功率输出相比,电机在零转速时输秒出转矩就接近最大而且恒转矩区较宽,故百公里加速在电动车上不是问题。过去在传统车上,我国根本做不了百公里加速6-7秒的汽车,而在电动车上,百公里加速在4-5秒也很容易做到。过去在传统车上8挡以上,甚至12挡的变速箱也有所见,现在在电动车上只需要2挡、最高4挡就够了。这就是发动机和电机的区别,电驱动总成对变速箱的要求有所下降。

下面大家来看一下电机。目前中国存在一大批汽车驱动电机供应商。据不完全统计,在册的有380个新能源汽车电机供应商,考虑到行业特点,个人认为只需要十几个,最多二十个就够了。多而散是中国汽车零部件企业缺乏全球竞争力的原因之一。再讲电机结构,首先轴向气隙的电机较难大批量地使用在电动车驱动系统中。原因是,中间出一点误差,边上就差很多,电机对制造精度非常敏感。电机调速没有电感是不行的,故没有铁心的电机电感极低,致其难以满足电驱动的调速要求。

图中所见是通用汽车早期开发的42V P1总成,系统中的驱动电机采用了L型定子绕组。L-形绕组焊点太多、制造复杂,难以满足可靠性和性价比要求。鉴于这些缺点,促使我2000年前后率先发明并实施了“发卡式”定子绕组,现在已成为流行的驱动电机技术,时间关系这里就不详述了。对于感应电机和永磁电机比较,搭载同样电池的电动车用永磁电机比用感应电机可增加续航里程8-10%, 大家应该都同意我永磁电机优于感应电机的观点了,这里也不讲细节差异了。但特斯拉为什么用了感应电机,应该是特斯拉最早选择的供应商AC Propulsion只熟悉感应电机所致。至于后来者为何也选用感应电机,我就不做评论了。

如果根据永磁电机的交、直轴电感(Lq、Ld)的大小来细分,一种是Ld〉Lq,一种是Ld=Lq,一种是Ld<Lq。市场上绝大多数采用的是最后一种。永磁电机设计主要在于铁芯,特别是转子的铁芯,于是就出现了单层、双层,一个V上面加一个横的永磁体拓扑机构。 目标是使气隙磁场接近正弦。为了降低齿谐波,定子斜槽或转子分段等效斜极是常用的方法。至于是定子斜槽还是转子分段等效斜极? 究竟该怎么做? 前提是谐波越少越好。当你斜槽的时候会产生轴向力,传统电机在恒定转矩下是固定转角和电流运行,其产生的轴向力是恒定的,对轴承损坏不大。同时,斜槽也会使锐角端绕组易损。考虑到汽车电机中的电流大小变化引起轴向力来回冲击窜动,会造成轴承寿命下降。分段V-型排布各段的等效转子斜极,则可减小以至消除轴向力。故选择分段等效斜极在消除齿谐波的同时,不会损伤轴承。。

图示是精进电动用于四驱车的带切分的后驱电机系统。永磁电机的永磁体即使在空载时,也会因磁体随转子旋转而产生铁耗。根据电磁感应定律导出的公式,反电势随转速上升而升高,过高的反电势会对控制器直流母线电容和开关管的耐压能力产生挑战。我们需要解决高速不要的运行怎么办?如果给转子轴加一个切分装置,也就是说加上一个机械离合器,需要电机运行时离合器闭合,不需要电机运行时,离合器就断开,以此解决反电势和空载损耗问题。细节我就不详述了。  

我每次总爱把TOYOTA电机系统拿来展示产品升级换代,因为它的双电机动力分流系统通过4代不断地改进,电机和系统均有明显的升华。以最后一代为例,用了磁铁的裂变、转子表面开辅助槽、磁钢由单V排列改成单V加一横,即Delta排列等与第三代明显不同的设计。从而使得气隙磁场比较接近正弦。这些措施对性能和NVH改善到有好处。再看几个国际OEM驱动电机永磁体和铜的用量,这个显示单位重量有效材料所产生的功率和转矩越来越高,即耗材越来越少,这是一个设计发展方向。另外也请大家看看第二代、第三代、第四代的泵,厚度比原来做的大了,冷却也一代比一代更强大。做好冷却是非常重要的。

国际主流OEM一般动力总成产品开发周期是30个月,而国内主机厂大多不接受30个月的电机系统开发周期,因为等不起。但也许“等不起”是中国质量和国外品牌的差别,所以我们有做优质产品的耐心。

这里展示了部分精进电动的测试设备,比如说20000转/分的台架,比如说6800牛米的商用车电机系统测功机,没有金刚钻难拦瓷器活。此外,自动化对于汽车零部件制造是至关重要的,这是精进电动上海工厂的一角,我们的产品将逐步全面采用自动化设备和数字制造。 由于电机系统要逐步变成智能化,制造业要数字化,制造工厂要有数字化的管理,设计开始一直到制作要全方位的进行自动化管理。国产电机系统很多指标并不比国外差,仍需要在一致性、质量控制、过程管理和控制等方面发力。

精进电动有根供顾客选择的四驱方案和电驱动系统。左边是双电机前驱的混合动力系统,右边是后桥辅助电驱动模块。我们也有纯电动的前驱电机系统(电机+减速器)或者“三合一”总成,纯电驱动逐步的向“三合一”的方向发展,这里展示了精进电动和全球主要“三合一”电驱动系统,16000转/分现在是基本要求。我们系统的电机输入功率90-180kW,转矩170-400Nm,总成的输出转矩1800-3500Nm。

这里给出几个视频,先展示混合动力的串并联系统的运行图。左边的离合器合上去以后,切换到右边,从而形成了发动机和电机共同运行。再展示后驱模块,带一个切分装置。精进电动采用的不是传统的摩片式的离合器,而是精进电动自主知识产权的齿嵌式的离合器,这是分离状态。在逐步向“三合一”的方向发展时期,我个人认为一个企业在三个核心部件上均有全球竞争力较难,所以大家一定要注意合作。丰田普利斯在已经接近或达到百万台混合动力总成的时候,却开始把电机推出去让电装做。谁做的最好、性价比最高就让谁做,这就是全球分工合作的发展模式。

最后讲一下未来,我个人认为选择大的控制器,可以使电机变小,这是未来的方向。因为电力电子的成本会逐步下降,而电机主要取决于材料成本,降价空间不大。多用控制器,少用电机,尽管现在这些又是问题,我们国家缺少控制器材料和芯片的资主资源。芯片,包括功率电子芯片、封装等,全靠进口是有问题的,这种局面有待改变。

这里我要强调一下,是时候向材料和元器件要电机和电驱动系统性能了。这张幻灯片展示了对硅钢片的要求,要求高磁感、低损耗、高强度。这是对绝缘系统的要求,它们不仅要能够耐电晕运行还要放在油里面运行、与油兼容,和能在高低温循环下运行,这是发展的趋势。而这样的绝缘材料的原材料主要依赖进口,在精进电动牵头的“十三五”国家重点专项中,将于产业链合作解决这些卡脖子的技术瓶颈和填补产品空白。。这是我们对永磁体性能的、综合利用、回收利用和低稀土的要求,因为重稀土是短缺资源。稀土中我们更要特别重视的是什么?是钴,钴是电池用得最多的,属于国家的战略资源,导磁材料如果加点钴性能可提升不少,但是电机不能与电池争抢稀土钴资源。

特斯拉Model3采用了碳化硅(SiC)功率半导体,本田燃料电池汽车采用了SiC-MOSFET封装模块(IPM),丰田和BYD的样车也采用了SiC功率半导体,这是未来的发展方向。但在SiC控制器的应用同时,高温、高频对绝缘系统和永磁体也形成了挑战,我们必须重视这些问题的解决,这也是我国“十三五”规划中提前布局的问题。碳化硅耐温高,高频下损耗低,尤其对于NEDC工况或中国工况下的低负载区有减低损耗的优势,其节能效果明显。另值得一提的是,未来矩形导体会向多层的矩形导体的方向发展。这里展示了我负责的“十三五”科技重点专项规划,团队要推动的三个主要的东西,第一代、第二代、第三代。第一代是以批量生产为主,第二代以矩形导体定子绕组和降低噪音为主,第三代以换位导体电机绕组为主。最终应对产业链和电机高速、高功率密度和低噪音的目标挑战。

顺便提一下,可以通过改变绕组而取代变速器,这也是未来研究的方向。最后,看一下美国能源部(DOE)的专项对电机系统设定了什么目标? DOE规划到2025年,电机功率密度达到每升50千瓦。大约每公斤5.7千瓦;进而要求控制器达到每升100千瓦,与现在的每升20-30千瓦相比,三至五倍怎么做得到呢?达到2025年的成本要求好像也有严重挑战。为达目的,需要哪些突破呢?左边是碳基复合材料,即CNT,这个“超级铜”的导电率是现有铜的100倍,导热和强度也大幅提升。这个就是美国人鼓励材料突破的电机系统项目。这个项目还包括无稀土的电机技术、串并联绕组切换电机技术、同步磁阻电机设计技术、高导热的材料、高导电率的材料等等。一句话,是时候我们要向材料要性能了,材料也是我国的弱项,我们必须加快步伐去解决。

这个是万向拥有的美国KARMA汽车,电机也来自我们精进电动公司。我们期盼中美贸易谈判取得的进展,把关税从25%回复到原始状态。另外,精进电动过去和现在还在为宝马、大众和美国车企开发新产品、出口技术。与传统汽车核心零部件产业相比,我们不仅向国际上主流汽车公司出口产品, 也做前瞻研发。

最重要的是我们核心零部件产业链上下游要联合起来,使得中国有全球竞争力,仅有中国竞争力是不够的。我国统计的新能源汽车占全球50%,是因为我们把混合动力汽车去掉了,丰田普利斯一个产品就是一年一百万台。我国占全球一半的新能源汽车去年也只有78万台。无论从量还是质上,我国的电机和电驱动系统都有较大的进步空间,面向未来,必须认真对待全球竞争力的挑战。

今天我就给大家讲这么多,谢谢!

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