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【汽车与环境】蔡蔚教授:电驱动技术进步与产

发布日期:2019-11-05

  9月20-21日,由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导,国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的“2019第(七)届汽车与环境创新论坛”隆重举办,此次论坛以“一个主论坛+四个平行论坛”的形式,携百名行业权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下,整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为

  今天话题会从电机系统和电驱动总成衍生到产业链上游建设层面。受工信部委托中国汽车工程学会和中国汽车协会分别在做两个事情,第一个是中国制造2035的新能源汽车技术规划,全名是中国制造2020-2035节能与新能源汽车的技术路线图规划。我和另一位行业专家合作任电机系统和电驱动总成技术专家组组长,组织来自近40家整车和1-2级供应商等行业专家近百人做节能与新能源汽车电驱动系统技术路线图,该工作由中国汽车工程学会牵头。同时,我也在做由中国汽车协会牵头的《电动汽车安全指南》中的第五章组织和编写工作,即电机系统和电驱动总成安全指南,同样任安全指南技术专家组组长。由于参加两个专家组的工作,今天在讲技术进步的同时,会重点讲产业链的事情,即节能与新能源汽车电机与电驱动总成的材料、部件/元器件等产业链的现状以及未来发展的需求。

  先讲一个引言,做两分钟环保节能降碳的广告。为实现汽车降碳减排的目标,与汽车电动化同样重要是电能的清洁化。国家从长远发展的角度上讲,清洁化发电是很重要的。现在全国发的电65%左右来自热电厂燃煤,按照国家规划,到2050年只有13%是烧煤发电的。明天(9月24日)在纽约召开的世界环境大会上,有些国家会前希望中国做出承诺:不建热电站了,不再用煤发电了。中国2018年排放的二氧化碳是世界上最多的,所以实施降碳付出也最大。

  首先,按照按照国家清洁能源发电规划测算,以特斯拉的C级车ModelS为例,现在在中国每公里排放188克二氧化碳,到2050年特斯拉车不做任何改进即可达到百公里碳排放5.8公斤。所以电能的清洁化是汽车电动化的方向。同样的特斯拉车,当今在美国行驶的碳排放小于120g/km,就是因为美国的煤电占比低于中国。

  第二,明天的联合国纽约气候大会将要求加快减少煤电。核电被归类清洁能源发电,最近大家害怕日本把福岛核电站受核辐射的水倒到太平洋里面,对全球产生核辐射污染。我希望中国的核电站将来不会出现类似核辐射事件,因为核辐射衰变是万年计算的。德国在日本福岛事件后禁止了本国的核发电,现在世界上核发电最多的是法国。

  一句话,减少二氧化碳的排放只要靠电能的清洁化,尽管提高电驱动系统效率等也很重要。汽车电动化的另一个相关问题是,它跟有毒气体排放有什么关系呢?这个问题我讲了多年。电动车是否减低了PM2.5呢?针对A级车和B级车做了统计,A级车百公里耗电15~20度电,B级车20-30度电可开100公里,这是我国行业统计的结果。也就是说B级以下的电动车基本上烧30度电以下。那么耗30度电能排放多少有毒气体和微颗粒呢?先看一下电厂每发一度电会排放多少有毒气体和微颗粒?在电力行业的不断努力下, 到2015年基本上1克多一点,2016年更低了。

  假设从发电厂到充电桩之间有6%的输电损耗,也就是说94%的传输效率。再假设充电桩本身的充电效率是90%,也就是说有10%的充电损耗。 从排放对耗电的关系图上,可见横坐标为消耗30度电(A级和B级车百公里的最高耗电量)的时候,耗30度电的电动车排放低于国6排放标准要求的一半。

  结论是,即使电动车百分之百用煤电,PM2.5排放也比燃油车更低,即比“国6”标准燃油车更清洁。 最后电能清洁化和汽车电动化两个加起来,将降低二氧化碳、减少有毒气体的排放。因此汽车电动化是一个发展的方向,是国家的战略大计。

  在电动化的推进中,中国有一个特殊定义叫新能源汽车,在坐的大多数同仁都知道,它包括纯电动车、燃料电池车和插电混合动力汽车。世界上没有别国这样定义汽车,说白了就是为了发放补贴时界定范围。电动化汽车还包括混合动力,我国定义其为节能汽车,与插电混合动力车之间就差一个充电桩,能接充电桩的混合动力汽车定义为新能源汽车,这个定义与技术无关。我国的新能源汽车占全球销售的50%以上,但是电动化汽车(含混合动力)全国加起来还没有丰田一个公司卖得多。

  为了解决二氧化碳、有毒气体排放等问题,我国制定了“双积分”政策,目的是为了打压油耗高的燃油车,推进新能源汽车发展。其中承认了混合动力,不插电混合动力也有优势,原来混合动力算一辆车,现在可以算0.2辆车。

  国家政策要求车厂满足百公里加权平均油耗2020年5L和2025年4L。这个要求原来是按照新欧洲工况(NEDC)测出来的,但到2021年全球通用NEDC工况了。节能汽车的指标也不再是百公里4L了,而变成2025年要求百公里4.6L油耗了。这里不是放松油耗要求了,而是新的全球轻型车测试工况(WLTC)比NEDC更偏动态,对同样的车进行测评相应的油耗高了的原因。工信部资助了做中国自己的工况(CLTC-P)的努力。从2021年开始中国的新能源汽车将采用中国工况评价电耗。

  左侧图示是过去6年我国NEDC工况下百公里油耗的现状。右边是WLTC工况下2021~2025年规划要求指标,指标要求2025年是百公里油耗4.6L,如前所述不是油耗涨了而是工况变了,即WLTC工况下的百公里4.6L理应等效NEDC工况下的4L,但实际上会有些差异。左下方是传统油车和节能汽车积分计算式。贵阳农商行前三季度营收净利双升 资本充足率仍值得注意的是,式中用了0.2~0.5的系数鼓励混合动力汽车的节能努力。

  做油车要满足油耗指标,但即使满足油耗指标,也必须做一定比例或数量的新能源汽车,这是“双积分”的目的。要满足新能源车积分占比,不等于要求新能源车的数量。

  一辆电动车的积分等于Cb×EC,基值Cb可按照这个公式的计算结果画出左图,其范围是1~3.4。系数EC就是目标的能耗除实际的能耗得出来的数, 其范围是0.5、1~1.5。如果EC满足要求的电耗(即在右图曲线,如果电耗更低EC就会更大,新能源积分就变得更多。也就是说,做更省电的车可以多得正分。这就是国家新的双积分政策,这里用分段函数公式表达出来了。

  值得注意的是,不仅混合动力有助于燃油车积正分,达标的插电混合动力与充电续行里程200km的纯电动车积分相等,其细节和燃料电池车积分在此略去不讲了。双积分政策指标是积分,蓝线表示的是新能源车积分要求。那么,做多少新能源车才能免交二氧化碳排放罚金呢?

  积分可被折合成各种新能源汽车。如果电动车折合成充一次电能跑200公里、跑250公里、300公里等或者折合成插电混合动力汽车, 可以绘成满足电耗的新能源数量。

  这条绿颜色曲线代表的是插电混合动力汽车,你可以不做纯电动车,新能源车积分指标可以通过只做插电混合动力(而不做纯电动车)来完成。把新能源车积分需求折合成达标插电混合动力车的台数,2019年满足5%,2020年6%, …, 2023年11.3%, 这就是要达到双积分的达标插电混合动力车的台数。也就是说,如果车企销售100台车,2020年要含6%、2023年要含11.3%的达标PHEV。否则,车企要缴纳碳交换费,四九中特网5G落地+携号转网 运营,即罚款。国家要达到的整体的结果就是推动新能源汽车发展。

  可以看到双积分政策对混合动力HEV和PHEV的利好了吧?PHEV与充一次电能跑200公里的纯电动车积分相同。该新政策将从2021年开始执行,目前执行的是仍过去的政策。我们看一下新的政策当中充一次电能跑200公里的电动车,跟插电混合动力积分是一样的,占比是一样的。所以新政策对生产混合动力车和插电混合动力车的车企是个利好。原来政策都是电动车装得电池越来越多越好,大车拉着电池跑。

  现在来深入探讨一下这个双积分新政。按照此规划,2023年要求车企做11.3%的PHEV或续行里程200km电动车。国家以前规划的2025年要做到20-25%的新能源汽车,老彩民高手坛,也就是说新政要求2023年完成2025年新能源汽车年销售的一半,剩下两年(2024~2025)产销翻一番,能做到吗?我怀疑把任务都留到最后两年难以完成。

  始于2021年,汽车能耗指标是这样计算和测评的:燃油车、HEV和PHEV混动运行按WLTC工况进行测试, NEDC工况将于2021年全球范围停用,故中国也不能再用了。对于插电混合动力带电的怎么测评?用中国工况进行计算和测评。未来中国有了自己的轻型车的测试工况,叫CLTC-P,用于评价纯电动车、燃料电池车等。CLTC-P介入WLTC和NEDC的工况之间。插电混合动力车带电也要用CLTC-P测评,断电混动运行时其能耗要按照WLTC计算和测评。

  下面仍以NEDC工况为例,一台车搭载300牛米、12000转/分的电机,在NEDC工况下电机实际运行1000~5000rpm且小于50牛米的工况占了81%。也就是说一辆车并不总需要那么大的峰值功率和和转矩,但在需要时没有,肯定不行。结论是电机、发动机都是按有足够的安全扭矩裕度去设计的。而NEDC工况下,电机大多运行在蓝线底下的区域内,用这个中间区域圈里面最高效率来评价电机好坏合理吗?用运行几率极低的最高效率是无法准确评价电机在车辆运行过程中的效率和能耗。真正有用是蓝线下边这一块的运行,无论发电还是电动。这个结论同样适用于WLTC工况下的电机。用工况运行效率得出的节能,才是真正节电或节油。

  电驱动总成包括什么?电机、功率电子控制器、减速器/变速器、充电器等。我每次都讲这一页PPT,这次不细讲了。

  发动机和电机的区别作为常识也没有必要讲了,发动机从零到待速没有办法运行,以其怠速以上运行为主。电机可以在四象限运行,发动机只能第一象限运行。由于这个原因,我国也能做百公里加速4秒、5秒的车。在传统汽车产业中,我国做不出来百公里加速5秒的豪车。

  新能源汽车驱动电机主要是用永磁体电机。用磁能积高的好永磁体电机性能高,不用永磁体性能会很差。电机如果用好的永磁体可以节省什么?右边电机用了好的永磁体,左边用了差的永磁体。对相同输出转矩进行比较,我们发现用好的永磁体在相同峰值转矩下,电机损耗会低12%;单位电流线%左右,用好的永磁体也可以增加最高电速下的电机输出转矩。比较不难发现,用好的永磁体,其性能也好。但是好的永磁体价高。

  从产品创新进步的发展角度看,丰田常以己为荣,这里也拿丰田作例,其部分图源于网上,分析和结果是我给出来的。先看四代演变:转速越来越高,转距越来越小,高速齿轮怎么解决?齿轮是我国短项。第三代和第四代有什么区别?永磁体分成瓣了,解决高速涡流所致升温;转子外表面做了许多凹陷,旨在解决径向电磁振动所致噪音,转子表面开槽为了实现低噪音设计。另外也增加了磁桥,解决转速提高所致机械问题和减低漏磁。

  电机所有零件都变小了,但是油泵变大了,丰田的电机泵越变越大,以增强冷却和散热。每输出一千瓦功率,电机用多少铜线、多少永磁体?蓝色是铜线,红色是永磁体。这是精进电动已经做到的水平,这里只拿出我们两个版本的电机,我们A电机可以做到永磁体20g/kW,电磁线g/kW左右;B电机进一步将永磁体减少到12g/kW。如此可以降低成本。

  通过承担国家重点研发计划项目取得了可喜的成果,我圆股线kW/kg,发卡式扁线绕组电机功率密度进一步做到了6.3kW/kg,中国有了可以跟国外比拼的竞争力了。

  图示是圆股线绕组电机和发卡式矩形导体绕组电机。 我是“发卡式绕组”的发明人,也是世界上第一个将其应用在汽车驱动电机上的, 例如雪佛兰-Tahoe、卡迪拉克-Escalade、BMWX6等双模混合动力车。

  这里是另一个发卡式绕组电机,该矩形导体绕组电机公路不、密度已经做到6.5kW/kg,远高于美国2025年的指标要求。

  如何降低电机的齿槽转矩?采用定子斜槽还是转子斜极?转子沿轴向是直线斜极还是V-形斜极呢?鉴于工艺和绕组可靠性问题,斜极应用多于斜槽;六段斜极优于四段斜极;V-型斜极可以减小轴向电磁力所致轴承失效和减低振动噪音。

  这里展示一个制造的路线年已经做到完全自动化的无人黑灯装配工厂,产品向美国出口,客户包括克莱斯勒-PACIFICAPHEV和谷歌WAYMO的自动驾驶车。

  关于功率电子控制器,图示一台增程电动车搭载的与功率电子相关的控制器。把多个功能放到一个盒子里去的“多合一”,让充电和驱动共享一个模块等都是发展趋向。目前看,充电的时候不开车,开车的时候不充电,模块需求完全一样,驱动和充电两个模块完全可以用一个功率模块做,可以省掉至少1200块钱。

  如果采用能力较强的控制器,可以少用电机的材料。未来的发展个人觉得应该用大控制器小电机,控制器的成本主要是技术和工艺,电机的成本主要是材料。所以未来电机降价空间较小,而控制器降价空间较大。

  原理上,电驱动分为集中驱动和分布驱动。集中驱动和分布驱动都会是使电机的频率越来越高。为什么?因为提高转速可以减少转矩需求,而电机大小和转矩需求成正比。故维持电机功率输出一定,可以减少转矩大小,通过提高转速来实现。左边是集中驱动,右边是分布驱动。简单提一下几个拓扑排列:HEV和EV有平行轴驱动,同轴驱动,还有行星齿轮驱动。

  图示两挡变速箱在客车上面的应用,为什么用两挡变速器?主要是在解决启动转矩和最高车速所需功率的矛盾同时,降低电机的大小,用齿轮变比减小电机尺寸和用材,降低成本。两档箱也可以提高效率,许多应用没有展示提高效率。这些仍需同行继续努力。

  另一个是“三合一”的总成,电机、减/变速器、功率电子控制器集成放到一起是发展的方向之一。国外的主机厂一般愿意付出较高的开发费,这是我国整车企业需要学习的。建议自主整车企业像对待国外零部件企业一样对待自主品牌供应商,大家一起把核心零部件做好。

  最后简单讲一下电机系统与电驱动总成技术路线图的事。以下技术路线图是大家共同努力的结果。主要是早期几个起草的单位,供应商和上游的元器件/.零部件以及材料企业,也包括上汽、比亚迪、吉利、北汽、长安等主机厂都在内。我作为联合专家组长,将综合大家的建议在此展示一下,希望大家指正。

  基本上对电机的要求,2025年、2030年、2035年,电机、控制器、减速器、变速器都有这样一些指标,这是为什么9月22日还要在开会的原因,广泛征求更多专家的建议。

  整体框架上面临许多上游的技术要求,例如硅钢片、永磁体、电磁线、绝缘、IGBT、 SiCMOSFET、电容、传感器等等。通过讨论,希望上游企业畅所欲言:能不能做得到,跳起来能不能够得着和如何做到等。

  这些图有些我亲手画的,总成、控制器、电机一直到左侧所示。对于材料部件要求,主要提出指标需求。

  这是元器件、零部件展开以后对这些进一步提出的要求。这是我们的短板全部吗?可能仍不完全,密封可能也落后,甚至比芯片还与国际领先者差距大。对部分的元器件提出了一些需求指标,例如功率器件、电容器等。电容需要突破膜电容的维度,否则将影响控制器升级换代。永磁体还有多少事可做?尤其是镧铈永磁体、富镧钴永磁体,把扔掉了的镧铈做成永磁体。进一步解决材料利用率:我国永磁体材料利用率最好做到75~78%,与日本的85%尚有差距。

  世界上的稀土矿储中,我国公布的是占23%。但实际上在永磁方面是37%。美国人只用其全部稀土当中7%做永磁调料,日本人23%,中国人42%。政策导向无论如何不要伤及自我。

  汽车对电机的要求是高转矩、高效率、高功率密度、体积小。据此得出电机要走多极对数,高转速、高传输比等。高传输比挑战的是齿轮,挑战的是开关频率,功率开关元器件。碳化硅、氮化镓等第三代功率半导体的高频、高效、耐高温等将有助于未来电驱动系统跨代进步。这里只是一个例子展示碳化硅控制器与IGBT控制器相比所能解决的问题。

  作为国家重点研发计划项目负责人,节能与新能源汽车电机专项2.2的参加单位有哈工大、北理工、华中科大、河北工大和清华等大专院校。项目将电机研发纸箱解决三代材料、设计、工艺和产品以及装车等。目前时间过半,起到了“强长项”驱动电机、“补短板”零部件和解决“卡脖子”材料和工艺等作用。

  我们目前在做的,包括为所有的美国车企做各种有偿研发和生产;给欧洲很多车企做有偿研发,同时,也在给自主企业做免费或低费开发和量产。

  最后一个观点很明确,现在是向零部件和材料要电机系统性能和效率的时候。为了使得我国有全球竞争力,逐步向中央和国务院提出的2030年交通强国迈进,得从全行业包括诸位做起。核心零部件强,中国汽车产业则强。谢谢。


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