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【电动化论坛二】:哈尔滨理工大学博导教授、俄罗斯工程院外籍院士、精进电动创始人蔡蔚:电驱动前沿技术与产业化应用
来源:汽车研究网   编辑:侯小南  2023-09-04 16:05:55 字号   打印  收藏

  由天津市人民政府、中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社共同主办,天津市工业和信息化局、天津经济技术开发区管理委员会特别支持,日本汽车工业协会、德国汽车工业协会联合协办的第十九届中国汽车产业发展(泰达)国际论坛(以下简称“泰达汽车论坛”)于2023年9月1-3日在天津市滨海新区召开。本届论坛以“高质量·新未来”为年度主题,邀请重磅嘉宾展开深入研讨。

  在9月3日“电动化论坛二:提升新能源汽车产业竞争力的思考与实践”中,哈尔滨理工大学博导教授,俄罗斯工程院外籍院士,精进电动创始人蔡蔚发表了题为“电驱动前沿技术与产业化应用”的演讲。

  哈尔滨理工大学博导教授、俄罗斯工程院外籍院士、精进电动创始人 蔡蔚

  以下为演讲实录:

  各位领导、各位嘉宾:

  大家好!

  今天是命题作文,电驱动前沿技术与产业化应用,讲讲几个主要发展方向和大家做了什么,也讲讲我们国家一些不足的地方。

  先讲一下“双碳”战略下的电能清洁和汽车电动化,这个图是我们国家规划的新能源汽车,我们国家的发电,左侧这两个图一个是占有率的百分比,另外一个是实际的数据。是我们国家未来40年当中发电的规划,怎么规划,未来40年过程中我们国家的发电装机量将增加4倍,由现在的20亿kW变成80亿kW,我们的发电量右边这个数大概是增加2倍。为什么装机量增加4倍,发电量增加2倍,最主要的原因是新能源发电,光伏和太阳能未来是主力,他们不是24小时都能发电,所以装机量的增加和发电量的增加不太一样。

  第二个,水电和核电将缓慢增长,40年当中翻一番,到2060年的3/4的装机量是风电和光电。这个时候发电量有60%来自于风和光。整个热力发电将低于10%,煤电将低于10%。为什么讲这个,因为二氧化碳的排放跟用什么发电有直接的关系。

  这两个部分的情况我们基本上可以看到6.31L/100km的A级燃油车和电耗14kWh/100km A级电动车进行比较,我们得的结果油车从油井到油箱这段大概是0.126吨,每开1万公里,车辆运行排放1.5吨,加起来1.626吨。同样的道理从煤井到电站然后到电池,大概是不到1吨二氧化碳的排放,车辆运行电动车是不排放二氧化碳,加在一起是0.91左右。因而得的结论是这两个车进行比较,如果按照2021年煤发电占67%计算,一辆电车将减少44%二氧化碳排放。

  按照同样的计算总结一下,假设2021年是67%的热力发电,假设2021年全都是煤发电,按照刚才同样的计算方法得出的结论,即使100%用煤电,这辆电动车也比油车减少二氧化碳排放将近12%,这就回答了很多行业的人士怀疑新能源汽车是否减少二氧化碳的问题。

  A级车和B级车春夏秋冬加起来最多大概是耗30度电,一般情况是15度电左右,我们就看看30度电的耗电量排放多少有毒气体和PM2.5相关微颗粒。上边这个图我们国家每发1度电排放多少有毒气体和PM2.5的相关微颗粒,2016年的时候大概是1度电排放1g,这个是2016年统计的结果。

  我们现在实行的是国六排放标准,按照国六b的排放要求我们要求是每1公里排放0.665g有毒气体和PM2.5的相关微颗粒,按照这样计算我们到2015年的时候即使耗30度电的电动车也比国六标准少排放一半。如果是耗15度电大概还不到1/3,即使我们100%用煤电电动车也比现在的油车减少二氧化碳的排放,也减少有毒气体和PM2.5的相关微颗粒的排放。因而,国家大政方针就是能源清洁化,也就是绿色发电和汽车的电动化。

  我们的混合动力或者节能汽车目前没有达标,数量没有达标,我们去年只有3.3%,按照规划我们到2025年的时候要有40%。

  第二个,我们燃料电车汽车过去5年来统计最多是2022年3000多辆,燃料电池汽车还有很大的空间需要努力,否则我们没法完成100万辆的任务。

  零碳燃料零碳发动机,我的建议是未来我们只研究适合混合动力的零碳燃料发动机,不要研究纯零碳燃料发动机,因为混合动力一定节省燃料,应该做的是有用的事情。

  究竟应该是氢燃料还是氨呢,还是甲醇呢?这里面我们会简单的提一下,氢燃料是直接通过电解水来的,只要我们用绿电得出氢就是绿氢,换句话说是用光和太阳能风电制造出来的氢就是绿氢。而氢要变氨是由氢来做,氢加上空气中的氮气形成了氨,而氢加上空气中的二氧化碳形成了甲醇,所以它们两个是另一种原料。

  我们可以看氢燃烧不产生二氧化碳,但是甲醇的燃烧产生二氧化碳,并且制造甲醇也用二氧化碳,因而它的全生命周期可能是一个零碳的燃料。氨也是这样,但是我们重点看氢,氢的沸点是零下252度,也就是说氢基本上没法以液体的形式存在。氢用气体的方式存在,这样一来小的空间要多放氢,就需要罐的压力,不管是运输还是放在储氢罐压力都要达到70~100MPa,这是一个很大的数,需要很大的努力。还有密封容易爆炸的问题,因为氢的气化产生的能量是很大的,一旦发生泄漏爆炸,这是很危险的一件事。

  因而,这些问题都要解决后,我们才能直接用氢做发动机燃料,否则我们最好还是做成液体燃料,既方便运输也容易做,当然这些问题都解决了之后,我们直接用氢是最省的。

  新能源汽车电驱动系统的一些创新的产品,左边这个是集中驱动,关键的问题是我们有一个差速器的东西可以把左右轮进行分配解决转向等一系列的问题。右边是分动驱动,轮边或者轮毂电机,按照这个定义,我们得出的结论右边这个需要对电机进行很好的控制才能达到差速器要做的事儿,不这样做就掉到沟里,这是一个很大的问题。

  无论是集中驱动还是分布驱动,一个非常重要的问题都是需要电机系统小,电机系统要想做小现在有两个办法,第一个办法是把电机的转速提高,电机的转速提高就需要一个车轮,需要减速器或者是一个变速器,这样一来就需要齿轮高速转动。如果想把转速提高还需要增加开关频率,现在的开关频率不够那么高,将来随着高速发展开关频率需要第三代宽基带功率半导体碳化硅大概是现在开关频率的5~10倍,这就解释了对减速器、变速器的要求,和我们对第三代宽基代功率半导体的需求。

  总而言之电机的尺寸要想下降必须把转距降下来,而功率又不能下降,因为功率等于转距×转速,转距下降只有提高转速才能保证功率不变,这是电机开发的一个主线。

  我们刚才讲了分布驱动的问题,机、电、热的问题要得到很好的解决,现在全世界没有大批量的生产。另外一个问题是簧上质量下移造成操控性问题,这个要解决一系列的问题是降重,车轱辘降重。有人做了测试认为簧下质量每增加1公斤等于簧上质量增加3~5公斤,如果一个车轱辘增加30公斤,4个车轱辘120公斤,相当于簧上增加360公斤,而簧上整个车的质量要增加的话就等于操控性要下降,就等于能耗要增加,因为车的质量每增加10%,车的能耗将增加6%~8%。

  我们国家在“十四五”的重点专项正在申报过程中,这个轮毂电机专项,不仅仅只研究电机,还要研究电机控制器、加速器、制动器和轮毂轴承,从而使整个的车轮降重,只有这样才能量产,实现产业化。

  另外一个问题我们的电驱动未来朝什么方向发展,横坐标是功率的提升,纵坐标是电压的提升,大家可以看到功率越大通常对电压的需求有一定的增加,电机基本上在小功率低电压的情况下仍然用传统的圆股线、硅基IGBT和水冷方式。如果变成大功率和高性能的车,我们就需要改成发卡式扁线和碳化硅、油冷等等。

  另外一辆车有多少电机呢?一般来说我们纯电动汽车按照过去3年的平均数来说基本上纯电车一辆车有1.1台电机,平均起来一辆车就1台电机。如果是混合动力,至少在过去的3年当中,由平均每台车1.52台变成2022年2.06台,也就是说每台车当中超过了2台电机。我们按照平均数计算大概每辆车1.32台电机,我们就得出这样的一个结论,到2022年的时候大概是688万辆汽车900万台电机系统。

  过去从2016年中国的IGBT 100%的依赖进口到2022年已经做到了51%靠自主,但是我们的碳化硅的功率芯片和控制芯片只占5%左右,所以我们还有很大的努力空间。

  我们看全世界的发展,重点看我们国家的,我们国家有两个样件,功率密度已经做到了在高电压下达到了每公斤12kW,美国已经达到了将近16kW,因而在高端产品层面我们离国外还有差距。他们解决两个问题,一个是从永磁体方面,他们既采用了烧结也采用了粘接,从而把整个的空间利用上。因此得出的结论他们作为整个电驱动总成可以每公斤出6.76kW,我们国内最好是2.4kW,所以我们并不是世界上的领先,我们可以说我们比较先进,但是我们不是领先。

  全产业高质量快速发展的问题,大家都熟悉扁线绕组Hair-pin,。按照这个来理解我们首先看到有4层到8层的,逐步提高是为了减少涡流损耗。我在这里只计算了4层,我们得出的结论是越靠槽口的地方损耗越大。右下角这个图我们把四个导体给大家看了一下,随着频率的升高或者转速的升高会看到损耗是不一样的,这样一来就造成了四个导体发热不一样,就要产生热的问题,所以我们解决的另外一个问题是采用这样的结构导体是变的,四根顶一根,两根顶一根,下一代的发展是这样的电机。

  尤其要解决本田雅阁这个,大家都看起来像一个艺术品,但是它把涡流损耗变成了环流损耗,也是错的,我是从科学的角度来讲,从技术的角度来说,这种方法是不好的,应该是用其他的方法解决这个问题。

  制造的问题,怎么使端部变短,这边有一个伸出端焊接当然更可靠,现在有人说不把伸出端砍掉直接从下面焊接,这样一来就给焊接增加了很大的麻烦,这上面四个定义我认为是误定义,时间关系我在这里不详细解释了。

  我们在行业当中有很多错误的东西,需要认真更新解决。另外一个是不含稀土的材料,因为特斯拉说它要做永磁电机不含稀土,所以造成了稀土产业当前下滑8%市场,又说要减少碳化硅的使用,又造成了很多硅片产业当天下降了10%的市值。这一系列的事件原因有两个,因为它说不含稀土的永磁材料基本上有两个,铁氧体和氮化铁,铁氧体已经用了很多年没有什么问题,但是磁能机比较小。氮化铁磁能机很高,但是到今天还不成熟,我请教过很多材料的专家他们认为短时间内不可能量产。少重稀土主要是碲镉,有资源的问题,因为我们要减少使用,而且价格也贵。我们采用的方法原来把它融到整个的磁体中,现在是哪里需要放到哪里去,要求制造和材料的企业合作起来运行。

  氮化铁的问题,氮化铁是美国做出来的,我们可以看到氮化铁的确可以和雪佛来基础的电机性能差不多,它主要是需要稳定解决材料的问题,如果取得突破的话是可能用的,但是到现在为止没有看出突破的迹象。

  根本没有永磁体、永力磁,大家知道充电电流会产生磁场,这个跟永磁体是一回事,采用这种方法来解决,包括宝马、奥迪用的,需要电刷,这样是有接触的传递,在高速的时候会有一些问题,但是宝马说它基本上解决了。

  另外一个是马勒,马勒采用的方法转子不一样,跟无线充电是一个道理,先把交流电充过去,然后在转子侧进行整流,画的原理图是这样的。

  总而言之,驱动电机、永磁电机仍然是主流,稀土永磁还是主流,但是油冷和扁线是发展的趋势。功率控制器IGBT是主流,碳化硅是未来发展的趋势。传动机构,减速器是主流,但是变速器和绕组重构都成为未来的选择方向。三合一是主流,多合一是趋势,但一定要注意售后的问题。系统的电压问题,280~400V是主流,800V是趋势,实际上在“十三五”的时候比亚迪提出了1500V,当时我是专家组的组长我没有同意。冷却系统,间接冷却是主流,水冷、直接冷却是趋势。

  我们必须要打造全球竞争力,不能只跟国内竞争,我们具有了全球竞争力,给全球主要的客户供货才是中国的竞争力。

  最后介绍一下我们最近在发改委的支持下建了一个实验室,将成为我们国家高校当中在电机领域和材料领域当中最好的实验室,不是之一,我希望是NO.1。

  谢谢大家!

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