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精进电动创始人兼CTO蔡蔚:电机系统与节能效果
2017-12-11 18:11:48    来源:盖世汽车  


精进电动创始人兼CTO 蔡蔚

非常感谢组委会给我这个机会跟大家分享“电机系统与节能效果”。

第一个讲得是大家都非常关心的一件事,发展电动车遇到了很大的挑战,很多人说用煤发电,怎么电动车可称着新能源汽车。这是我借电科院周院士的几页PPT的数据组合在一起做成的。周院士的演讲基本上说明了我国未来发电量和非化石能源电量占比。这个幻灯片展示了我国未来发电状况和现有的状况、2030年到2050年的发电状况。电能中非化石的发电量占比逐年提高。这个表下面有详细的数字,包括风电多少,太阳能多少,生物发电多少,水电多少都有详细的数据。我想给大家读一下表中的数:2016年的煤电占比68.5%,2020年下降为62%,2030年是44%,2050年是13%。 我国到2030年以后就已经不是以煤电为主啦。国家的规划是以清洁能源和可再生电能为主的,这是国家的战略布局。我国非化石电能的占比到2050年已经提升到了78%。接下来要讲得是,也是大家可以看到的,现在这辆知名豪华电动车每公里二氧化碳的排放是190克,而这辆车不做任何的改善,它到2020年的时候,百公里二氧化碳的排放就是172克,到2030年的时候123克,到2050年的时候是36克。如果加上电动车技术提升,这辆知名品牌的豪华电动车到2050年时的实际百公里二氧化碳排放将远低于36克。 这将成为我国减排的主要贡献因素。 为什么是这样?全球二氧化碳有六分之一来自公路交通车辆排放,作为一个负责任的国家, 要达到习近平主席在巴黎气候大会上的降碳承诺, 必须下大力气减少汽车二氧化碳排放。以上两点得出的结论是什么呢?电能的清洁化和汽车的电动化同步推进是我国节能减排的战略大棋。

以下从全球汽车行业发展的情况来看,我总结了部分国家和汽车公司的战略趋向。一些国家提出了要禁售燃油车, 其实是禁售纯燃油车,不是说只要烧油就不行,归类在电动化汽车中的混合动力是可以生产和销售的。全世界所有国家没有一个例外,所有汽车公司业都是这么定义的。在这个电动化定义的前提下,大家千万不要认为英法德这三个国家禁售燃油车法规已经走在其它国家前面了, 一定要记住他们都是多权鼎立的国家,只有政府和议会都通过了,才能形成法规从而往前推进。还有许多国家也加入了讨论禁售纯燃油车的方案和时间表。我国和全球的许多车企也已经公开宣布了禁售燃油车的时间表。以长安为例,到2025年的时候新车全部电动化,只做混合动力和纯电动车等。从这个角度上讲,这是一个趋向。不单是政府的法规是这个趋向,而且各个企业所有的都是按这个方向走。也包括我本人参与制定的我国“十三五”科技发展规划和《中国制造2025》节能与新能源汽车发展技术路线图中也做了汽车电动化方面的规划和预测。这页PPT左边是我自己总结出的中国、美国和欧盟在未来10年中汽车油耗规划和法规,这个计算结果可能稍微有点不太一样,但是不管怎么说,到2020、2025、2030年,这个降低油耗和实现电动化的发展路径就是这样的,这是一盘战略大棋。从这个角度上讲,可以看出双重积分政策是汽车企业不敢做节能和新能源汽车的主要原因。谁要是不做,谁就out了,中国汽车市场就没谁的份了,实际上随之而来的世界汽车市场也没他的份了。

这样一些政策和调控方向是不是符合自然界的规律呢?我已经用了一年了这一页PPT。可以看到传统燃油车的油经过化学反应燃烧变成了机械能,在通过变速箱传递到车轮驱动车辆,一旦燃油储能变成机械能就全部回不来了,开车以外的机械能全部被浪费掉了。车加速开到180公里了积累的动能和爬坡积累的势能,在车辆减速和下坡刹闸过程中全部变成热能浪费掉了,这些机械能能无一回收。可是在电动化的车辆中,除能单元储存的电能通过控制器传递给电机,把电能变成机械能用于开车,这是一条来回的路。当你刹车的时候或者在高速上减速刹车,这些机械能量都可以通过电机制动发电部分地回收。所以它就注定了这样的电驱动系统一定节能。剩下的技术难题就是工程师要玩得转的事,这是我的观点。从这张表中给出了一个从油井、煤井等产油和发电端到车轮子(W2W)的效率结果。这是全链条的能效分析。可以看出也是电动化的汽车节能。至于剩下来有什么问题待解决和提升,充电设施问题、储能电池技术问题等都是未来要解决的问题。我们有了方向就应该这样做,因为您用别的方法做不出来了燃油经济性达标的车,也就是说传统纯燃油汽车遇到节能达标的天花板了。节能主要靠电驱动系统总成,但是其它部分也都是重要的,因为电动车毕竟是车,许多传统车的技术和制造也都是离不开的。如果把中间这个蓝框里头的核心部件电机本体、减变速器、功率电子控制器和电池等直接搭载装起来就是一辆电动车。如果这些核心部件跟发动机联系起来装车就是一台混合动力汽车。 电动核心部件跟下面燃料电池发动机联系在一起装车就是燃料电池车。所以电机系统是”三纵”(HEV\BEV\FCEV)离不开的平台。基于这个原因,得出了传统发动机加上变速箱的终极发展就是混合动力或电驱动总成, 任何电动化的车都要搭载电机系统为核心的电驱动总成。

如果把电池当成油箱,放到一边去,因为它提供得是“血液”(电),剩下的就是如何把血液(电能)用好,如何把“血液”用得更节省。我们把包括电机、齿轮、车载充电器、功率电子控制器、辅机系统通过算法和软件连接起来了,就形成了一个电驱动的总成系统。车辆的耗电耗油多少主要取决于电驱动总成部件和系统,跟电池的内阻也有关系,但除了内阻以外的其它部分关系不是特别大。电驱动总成跟整车的关系是什么呢?机、电、热和通讯接口, 将来还应包括车载传感器等智能接口和近程、远程网络接口。电驱动总成的物料单(BOM)究竟由哪些部分组成呢?左边途中描述的物料单主要有哪几块呢?主要有三块,传统汽车有的,现在新能源汽车必须升级换代的。即传统车有这个零部件,但是不升级而直接拿过来不能用。第二,传统车压根儿就没有的,新能源汽车要有,这就是电池、电机以及功率电子系统。第三是传感器、接插件等,用于服务于传统车上没有的,也要加上去。传统车哪些东西是有的,现在必须升级换代,不升级换代就不能用?举例说一个很简单的轴,传统车上有轴,但是发动机和变速箱的轴不能直接用与电机。原因是新能源汽车电机的尺寸与转矩成正比关系。这样一个关系,为了使功率不变,欲把电机做小,对转距要小,把转速做高可以达到功率需求,因为转矩与转速之积等于功率。在减小电机尺寸需求情况下,电机的转速越做越高。传统汽车发动机除了跑车以外,其转速基本上每分钟6~7千转到家了。传统汽车变速箱和发动机的轴,最高转速9000转/分。在新能源汽车当中,我国驱动电机一般都是12000转/分。可是下一代驱动电机不管是国内还是国外的车企均要求16000转/分。这么高的转速和传统汽车9000转/分的轴是一样的吗?毫无疑问不一样,齿轮也不一样。某知名国际汽车公司召回两千多辆电动车,因为花键被磨平了。为什么?因为传统汽车的轴就传递一个单向的转距,新能源汽车所用的轴的花键正反两面腹背受敌。诸如此类,我就不一一再举例了。

电机从“十二五”期间已经解决了从无到有的问题,我国会做汽车驱动电机了。但是“十三五”期间,要推动“从有向优”的方向发展。左下方是“十二五”原有的电机,上方是升级的电机。升级后电势波形比较光滑,原来毛刺比较多。毛刺是谐波造成的,谐波会使控制器电容受到可靠性和寿命的挑战,可见电机也与控制器寿命相关。电机齿槽转矩和纹波转矩大,容易引起车辆低速抖动、振动噪音大、损耗增加等负面影响。这样一来,高性能的电机应有的表现是什么?除了高效和高功率密度外,就是低噪音、低EMI、安全可靠和寿命长等。电机、功率控制器和电池的全球发展趋势主要有如下几个: 传统汽车爪极发电机发展成为感应电机和永磁电机, 永磁电机是主流发展方向,市场份额越来越高;功率电子主要是从传统的整流二极管向硅级MOSFET和IGBT方向发展,未来向宽禁带功率半导体方向进演。储能电池由铅酸电池向镍氢、锂离子、三元电池方向发展,未来可能出现固体电池。从下面这张图来看,电压不断提高推动驱动电机功率等级提升。从这个角度上看,基于发电机的皮带传动起停系统甚至电动系统(包括48V,乃至高压系统)还必须要有起动机。目前电动乘用车电机功率已经有300多千瓦的了,跑车现在有不少,包括蔚来、美国的特斯拉都是二三百千瓦的电机系统。

分布、集中绕组永磁(PM)电机比较,分布绕组具有高磁阻转矩,散热较好等优点,而集中绕组电机轴向尺寸小、对位置误差的敏感度较低。控制角是指电流或者磁势和交轴之间的夹角,如果按照这个方向定义,电机转矩工作区是从最大转矩对应的控制角向90度方向发展。为什么不在最大转矩所对应的控制角左侧?因为在左侧运行不稳定。大家可以看到一个集中绕组的电机,与分布绕组的电机比较,集中绕组的电机控制角工作区域较宽。工作区域宽有什么优点呢?宽的对转角误差不敏感。对于一千牛米的电机,机械角度差一度,大概转矩会差73牛米。对于一个一千牛米的分布绕组电机,每度机械角度误差将引起114牛米转矩差。角度误差耐受力好变成了集中绕组的优势。那么它的劣势是什么呢?用同样多的材料可以做出来的分布绕组的电机转矩大,当然磁阻转矩低是集中绕组电机的劣势。如果轴向安装尺寸不受限,尽量采用分布绕组的电机,但是转角位置精度要做好,否则会失去转矩控制的精度。尽管很多国外的公司无论何种安装环境都采用集中绕组,这是值得考虑的,要因地制宜。

从散热的角度上讲,对于同样大小的输出功率的电机,集中绕组电机散热较差。散热不好是电机的一个致命的弱点。集中绕组采用灌胶封装的方式,主要为了解决散热不好的问题。进一步比较电机的永磁体有和无,永磁体好和不好的差距。我们得出的结论是,好的磁钢使电机的转矩功率等指标好,但是成本较高。我说过,做汽车的要做出“军工的质量,垃圾的成本”的电机。同时发现,功率因数也是随着永磁体降级直到取消而不断地下降。说白了,在控制器和电机之间有一部分不做功的部分来回折腾,提高了损耗。电机对控制器要求的伏安特性更高。

从控制的角度看,有些问题可以采用软件的方法来解决。这对我们搞电机的算法和软件的人不是一件多难的事。 通过变算法,可以提高10%的功率输出。再此,我就不详细地一点一滴地讲了。算法还可以解决降低噪音、减少轴电流、补偿位置传感器转角精度等问题。我们通过算法和软件降噪5分贝。除此以外,我们希望控制的时候,单位电流产生的转矩最高,在转矩曲线上要走鱼脊背,而在转矩纹波曲面上则要走峡谷,这是综合控制的问题。很多地方这两个要求是重合的,但是个别的地方不重合,就需要进行约束控制来兼顾两个要求。

欧美日的循环工况因时间限制我就不细讲了,这里是总结的,NEDC、FTP75、SC03、US06等等。我国主要借用NEDC工况。比较结论是感应电机不如永磁电机。有人问,为什么特斯拉用感应电机? 我只能回答,因为他们没弄懂,经过十年学习和探索现在弄懂了,特斯拉MODEL3改用永磁电机了,不再用感应电机了。蔚来汽车总有一天也会改变使用感应电机的立场。 如图是感应电机和永磁电机在NEDC工况下的对应效率结果比较,不难看出几乎在所有NEDC经常运行的区域, 永磁电机都比感应电机的效率高2-3%。如图是对应于NEDC工况的电机转矩平面图,可见通常要求电机的最高效率在这个地方,实际上没有运行在这个高效区,而是运行在其下面的相对低效区。所以将来的电机要解决循环工况区高效问题,因为电机最高效区利用率较低。也就是要解决下面低速低转矩需求这些地方的电机效率。用户经常开车的都是在这个地方,我国自己的循环工况将更符合我国实际用车情况,一旦推出,将取代我国借用的NEDC工况。

运用我国典型城市公交循环工况和实际路况下商用车的测试结果。从节能数据上,好的电机和差的电机是能区别出来的。下面列了一个在工况下的在一个城市真正运行下的线路结果。这是用SOC来判断的, 不难得出精进电动电机节能效果好于竞争对手。接下来我要说的是,我国目前国家级车辆测试中心给出的电机起动转矩是错的, 没有测试机构给出来的起动转矩数据是对的。原因是当施加三相电流的幅值不变的时候,转矩因转矩纹波的存在而不可能是不变的。在高速运行时完全可以用平均转矩,而在起动时只能用最坏点的“谷点”转矩。不仅如此,在电机静止的时,可能出现电机最高电流那相的损耗是平均损耗的两倍还多。在这样的情况下,您不可能运行峰值转矩要求的那么长时间。故起动转矩会低于峰值转矩,但是国内测试机构给出的起动转矩与峰值转矩相同。峰值转矩定义事关安全问题,我希望在全中国引起重视。测试标准的方法错了也要更正。

最后讲讲去磁,局部退磁、逐步退磁和居里点退磁。剩下的问题就不多讲了。放两个视频给大家看一下。我首先放第一个,这是一个我国用得最多的大巴车上的PHEV系统。下边是运行原理图,其中电磁自动离合器解决了我国每年大巴车都需要维修的问题,这种齿嵌式结构离合器可以做到终身免维护。在整车寿命内不需要维护和保养这个东西。使用我国传统的干式离合器的PHEV总成每年都要修理换件。使用电磁自动离合器,精进电动也开发了一个两挡箱,它的原理图如下所示,视频展示了它的结构和运行原理。现在看到的是低速挡的运行,,请大家注意一挡向二挡切换。运用电磁自动离合器因为电机电动容易控制,它用在发动机上控制离合就没那么简单了。关于节能原理时间关系就不细讲了。

这里面也有两个图也是借用电科院周院士的。中间的显示了IGBT和SiC的性能参数,包括满载和半载的情况下各自的优缺点。丰田的碳化硅控制器只有传统硅基IGBT控制器的四分之一大。最后展示得是我牵头的国家“十三五”科技重点规划专项,至今我国只立了一个电机项目。我没时间讲了, 但是内容包括圆股线电机的自动化生产,方形导体电机的开发与产业化,和用于第三代宽禁带功率半导体控制器的电机。

最后一个我想说的是,应该利用国家补贴这个机会,提升我国汽车核心零部件的全球竞争力,使得我们走向世界。我们很高兴的是精进电动出口美国克莱斯勒的油冷双电机集成的电驱动系统,获得2016年沃德全球十佳发动机,搭载的克莱斯勒大捷龙MPV获得2018年最值得购买绿色汽车和2018年最值得购买的混动MPV。谷歌智能驾驶MPV搭载德也是精进电动驱动电机。不仅如此,精进电动也在为许多新创电动车企业配套电机系统。希望我们的电机与传统车企和新创电动车企一起为我国的电动化汽车具有全球竞争力合作共赢。大家一起把中国的电动化做好,汽车核心零部件强,中国汽车产业则强。

谢谢!
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