10月28日-29日由嘉定政府支持，国家特聘专家汽车组及盖世汽车联合主办的“2020第十二届全球汽车产业峰会暨第八届汽车与环境创新论坛”隆重召开此次论坛以“思辨谋局，創新落地”为主题邀请百名权威嘉宾共同探讨中国汽车产业在新形势、新格局和常态化疫情防控下，有序发展的思路举措会议期间，囧尔滨理工大学“头雁”教授、精进电动创始人 蔡蔚发表了题为“下一代电驱动的技术创新和技术路线图””的主旨演讲

非常感谢坚持箌傍晚的听众。我想留到现在的一般有两类一是被邀请来的演讲嘉宾，另一类是坚决支持节能与新能源汽车电驱动的铁杆粉丝对我接丅来要讲的内容非常有兴趣。首先简单地自我介绍一下还真给大家留了几句自我介绍内容。

我的经历很简单在欧美待了全职工作了14年，在中国工作了20多年其中在学术行业干了近16年，当过大学教授我1990年就是大学教授并做电机系副主任，一辈子只与电机打交道也包括功率电子在电机系统中的应用。这大概就是我的自我的介绍有学研和产用的“两栖”经历。

顺便介绍一下我最近的工作单位：哈尔滨理笁大学有些人常它当成哈尔滨工业大学，其实然哈尔滨理工大学排名比哈尔滨工业大学靠后不少。但是哈尔滨理工大学的电气与电仂电子工程系在全国学科排名却在10至20之间，且电气学院的电机与电器、电气绝缘与电缆、和高电压技术等三个专业方向在工业界有“三电黃埔”之称加上电力电子和电力系统两个专业方向，具备了做好电机系统绝大部分功底

今天演讲的题目是“下一代电驱动的技术创新囷技术路线图”，由于国家《节能与新能源汽车技术路线图》是前天由李骏院士发布的所以我今天把这里原准备要讲的其它内容压缩了，以电驱动技术路线图为主来跟大家进一步分享相关内容

今天主要是讲两部分，先讲永磁电机和电机系统包括电机控制器方面的内容；接下来讲一下节能与新能源汽车电驱动系统和产业链的技术路线图。这第一张PPT大家一看都明白，下面这些传统动力和发电装备将往上媔这使劲转型升级到电动化和新能源发电。不是说发动机将来会没了只是说演变成了不太一样的动力系统。电动化交通只是急待转型升级的许多方面中的一少部分升级后系统的共同特点就是电机+功率电子，再加上齿轮组成新能源发电和电动化的绝大多数东西就是研發和产业化这些东西。电几乎都是电机发的（光伏发电和生物质发电除外）,且全中国发电总量的60%左右又让电机消耗了所以电机从业者真嘚好好做，有了功率电子之后就更得好好做

讲到电驱动。这一页PPT展示了谁在做电机图中可见2019年大概就是这些公司在做。但也中汽协的數据不是很准比如说比亚迪确实在做电机和控制器，但图示也有的企业连电机厂都没有也被标明了其生产电机份额这个结果是怎么来嘚呢？源于申报自己生产电机换了供应商就不用重新做强捡了，既方便又省钱还不耽误领补贴。

下面这张图显示了2019年全球新能源汽车市场份额中国占了53%，但是2020年1-7月份中国只占了39%主要是欧洲的市场份额上去了。部分原因在于我国补贴退坡欧洲补贴力度大，所以此消彼长另一方面也说明新能源汽车是未来的发展方向，所以德国和欧洲才提供补贴支持产业发展。但我还是认为在补贴推动起步后，降税比补贴更有利于支持产业发展

这张图是用以将电机分类的，图中标红注解了直流电机、单边励磁和永磁助磁开关磁阻电机应用受限嘚原因简单地说，汽车电动化常用的就是图中标黑的笼型转子感应电机和正弦交流永磁磁阻同步电机等两个。

至于永磁电机与感应电機的比较我曾经在多个场合讲过，基本上是说做主驱永磁电机比感应电机好感应电机是不是就一无是处，当然不是比如说用做四驱嘚辅驱电机，可以免去传动系统的离合器因其在高速空转时只产生机械损耗并无铁耗。因不用离合器切入较快，此处用了感应电机空轉无铁耗的优点使系统简化。但是在作主驱时感应电机却不如永磁电机，尽管最高效率区的效率就差1个百分点或者两个但是在大部汾的用户开车工况或路谱下，电机主要运行在轻载低速下在此运行区域内永磁电机可比感应电机的效率高出5-8%左右。这就是为什么永磁电機可以大幅减少电耗也就是说，装同样的电池永磁电机可以使车多开些里程也可以说为了开同样多的里程用永磁电机的车可以少装电池。

那为什么特斯拉MODELS用感应电机这有其当时供应商受限的历史原因。现在TESLA MODEL 3已经改用永磁电机了究其原理，右下角图中可见涂黑粗线邊框内给出的转子电阻损耗和由于产生磁场所需激磁电流分量增加的定子电阻损耗是感应电机特有的损耗，永磁电机没有该损耗这个就昰工况路谱所处的低速轻载下永磁电机效率高于感应电机的原因。

好的永磁体是指磁能积大、矫顽力高、涂层质量好且随温度变化剩磁妀变小。用好的、差的和不用永磁体都可以做电机安装磁能积高的永磁体电机输出转矩/功率高，使用差的永磁体的电机输出转矩/功率低并且功率因数也随着永磁体等级降低而减低。低功率因数电机有较多的无功分量在电机和控制器之间来回流动却不能通过机电能量转換而输出，导致功率电子的伏安能力利用率低、效率也低总而言之装高档次的永磁体有利于提高永磁电机的性能。那干脆都用高等级永磁体不就得了我在行业内有句经典的说词：汽车行业对产品的要求是“军工的质量、垃圾的成本”，差的永磁体价格低有利于降低成夲，所以汽车工程师也经常在性能与成本之间寻求妥协说得好听点，叫追求高性价比

图示是中国2020年“中国心”十佳的新能源汽车动力系统评审现场，进入现场测评的电机基本上在如下几个方面展示了电机的发展趋势：高效、高速、永磁、安全、可靠、耐久等和好的NVH、EMC等等测评中还有一个发现，一反传统汽车进口车好于国产品牌、合资车优于自主品牌的老黄历我国自主品牌的新能源汽车好于合资品牌，这13辆车我都不仅试驾过而且还认真地做了比较。

扁铜线在槽深方向高会增加涡流所以每槽布放扁铜线由4根变成6根逐步增至8根，最近峩也很高兴看到有的公司在槽高方向摆放5根或者其它奇数根电磁扁线所以发卡绕组引领着很强的技术发展趋势。圆股线绕组的电阻大洇其同样大小的槽截面积挤放的铜线截面积小，所以损耗大总而言之，电机人用矩形导体的目的旨在降低电阻损耗

典型的发卡式绕组笁艺随着每槽导体不断增加（现在已经到8根了，很多人正在研究10根乃至更多）越来越困难例如端部扭转整形、焊接等等都困难很大。那囿没有更好的解决方法呢右侧图示下一代的绕组办法，就是多股线换位绕组其中大电机进行槽内直线段换位。槽内编制铜股线会导致槽满率下降直流电阻和低频电阻变大。故端部换位也是减低涡流（或交流电阻）的办法总而言之电机频率越高，绕组换位需求越迫切然而要往槽中嵌入大型线圈是很难的，铁芯只能采用开口槽可见，大电机和小电机采用的设计制造方法是不同的小电机可以继续采鼡多根股线换位并联制成这种低交流电阻的发卡式绕组，从铁芯端部插入而大电机绕组即使可以做成换位股线线棒，也难以将全部线棒插入铁芯后实施扭转和焊接

开口槽就是把槽口打开。打开槽口会产生系列问题例如转矩减低、波动、振动噪音等。要解决振动噪音嘚从电磁设计开始就瞄准这些问题。不仅要从定子铁芯上做文章但更重要的是要在转子表面开沟挖槽、在转子内部优化磁体大小和摆放拓扑。实践证明永磁电机振动噪音很多时候可以通过转子侧设计努力（包括开沟挖槽）来解决问题。

扁线绕组家族还有其它小兄弟图礻绕组和电机是大陆集团和雷米国际合资做的，最近又被博世和联合电子挖掘出来了L-型和I-型扁线导体。事实上这些都源于大陆和雷米匼资企业为通用汽车开发得42V混合动力皮卡电机所采用的“L-pin”绕组，缺点是焊点太多这里告诉大家我发明发卡绕组就是为减少焊点。L-pin、I-pin有焊点多的问题Hairpin（发卡）绕组才受到青眯。L-pin或I-pin是1998年前后开发的2000年前后开始生产的，但是市场上只卖了2千多台车就被通用汽车停产了。這是我的第一个混动电机批产项目电机绕组不是我设计的，我在雷米负责设计分析和工艺制造但后来因问题太多而被我发明的发卡绕組取代了。

让我们回顾一下我国电机系统（电机与控制器）方面的发展历程2010年我国规划的电机比功率只要求1kW/kg，到2020年是每公斤4千瓦最近這5年中（“十三五”）功率电子控制器功率密度有了翻天覆地的变化。“十二五”结束的2015年实际控制器产品率密度是6-8kW/L（科技部规划4kW/kg），洏2020年控制器产品功率密度已经大于20kW/L、装车样件功率密度大于30kW/L、SiC MOSFET基控制器功率密度已超过40kW/kg这个进展速度远远快于其它行业的发展。从功率電子及电机的功率密度角度上来讲我国有了长足的进步，与世界水平处于相持或差距不大但是在产品竞争力方面还有差距，也就是说峩国具有全球竞争力的电机系统和电驱动产品以及企业还比较少

驱动电机的50%或更高比列的失效源于绝缘。迫切需要解决绝缘材料和相关電机工艺的绝缘问题电机向高频方向发展，因而就出现了绝缘系统要耐压、耐电晕、耐温、导热等等一系列的要求制造行业专家会来問，你是采用单层绕组还是双层绕组是波绕组还是单层链式绕组？这些问题都与自动化生产密切相关所以我们必须要认真去研究和解決诸如此类的问题。

电机失效问题怎么解决节能与新能源汽车搭载的都是变频电机，它是怎么失效的呢一般来说都是老化加剧坏的，源于绝缘材料的耐电晕性能差我们不仅需要知道它是怎么样坏的，还应顾及应该怎么样解决绝缘和绕组失效问题可以这么说，我国的380哆家新能源汽车相关企业当中有90%的不知道什么叫局部放电，或没有局部放电实验室及其测评装备、仪器仪表

这里展示了不同耐电晕电磁线，左边是耐电晕扁线右边的耐电晕圆线，铜导线外面包覆两层、三层或只有一层绝缘漆膜究其优劣牵涉到扭转的时候不能掉漆膜，同时漆膜导热要好而且随温度变化时漆膜不能像麦秸管似的脱落等。除了解决这一系列的问题还要与绝缘系统和冷却油兼容，否则僦坏了局部放电常用于测评耐电晕性能，其设备接地要求严格要埋置10厘米粗的大铜管作为接地线至近百米深以保障可靠接地。与其他嘚仪表不一样故很多电机企业根本没有局部放电测试设备。有人认为不测局部放电或耐电晕不会影响电机产品质量控制事实可清晰地告诉你，不测耐电晕会产生质量问题

这里展示了我国目前耐电材料的绝缘寿命测试标准，随着电机高频高压发展电压对时间的导数不斷增加。适用于更高频率的耐电晕测试标准也要升级并且测评设备也得换代。标准和设备是我们要解决一些问题

除了这些以外，电机系统产品还要有一些设计和工艺认证如果您以前没做过的话，可以参照该页PPT中的试验认证项目基本上大部分都在这里面，但不是全部除此以外，还有更多的电机好像谁都能做，但是做好电机花了很多钱和做许多实验开发出来的产品的确不一样。这个就是为什么有嘚电机系统供应商中外主机厂都可以接受而另一些不被接受的原因。当然也存在部分主机厂甚至不是很清楚耐电晕和局部放电测试对電机产品的可靠耐久有多重要。

电机小型化技术发展有两个措施第一个是增加电机的极对数，第二个是提高转速这两个都导致频率增加，所以控制器开关元器件产生了对第三代宽禁带功率半导体的需求其产业链需求可用这样的一个图来表示，基本上从下游往上游推至模块和芯片材料在这些环节中大家别忘了中间这部分，过去常被认为不值钱而被忽略后来认识到了其重要价值，这个环节就是算法和軟件在这里就不详细解释了。在建议“十四五”规划新能源汽车专项的时候刚开始提出来要做软件，很多人不同意但现在没有人反對“十四五”专项应列软件攻关的项目。

我们看一下这个硅基IGBT和SiC MOSFET开关元件的损耗比较图SiC的开关损耗降低显著。从SiC开关损耗变化图中损耗随着电流的变化是线性的。因此从整体情况来看结论是碳化硅在低频、轻载低电流、低速的情况下运行效率更高，这就是为什么尽管碳化硅控制器的最高效率与IGBT控制器相比就高1%左右而实际测试出来的车辆工况能耗数据会低5个百分点以上。因为车辆大部分都是在控制器低频轻载下运行的因此引入SiC控制器可减低车辆的实际能耗，这与用户对车辆耗油、耗电多少的感觉基本一致

这是我昨天在SAECCE2000会议上听斯達刘总报告时记录的，把它搬过来了SiC MOSFET的价格大概在年之间能逐步降下来，到2026年的时候也许是萝卜白菜价了（开个玩笑）但是我相信SiC的價格逐步下降到可接受范围是可能的。右图描述的是技术成熟度从导入期、增长期到2025年前后就基本成熟许多了。所以有人问我你相信2025姩会有SiC控制器批量应用于新能源汽车吗？我当然相信特斯拉已经生产了搭载近30万辆SiC控制器驱动永磁电机系统的电动车了。

我们来看看车企和控制器供应商开发和产业化SiC控制器的成绩单这里只列了一部分单位。我国除了比亚迪“汉”电动车属SiC控制器产品应用、精进电动拿叻批量生产的出口合同以外剩下的自主品牌SiC控制器都处于样件开发的早期阶段。不管中国企业还是国外企业所用SiC芯片供应商非常集中，Cree、Rohm、ST等目前还没有产品级自主SiC MOSFET芯片。第三代宽禁带功率半导体材料、芯片和封装方面的供应商需要紧急动员起来把开发和产业化水岼提上去，从而展示下一代国产功率半导体的全球竞争力

讲到控制算法和软件，一般控制器软件可定义为3个环节总体称为控制架构。吔就是说控制架构有3块：电流控制策略、控制算法和调制方法。通常大部分应用工程师并不是对三部分都特别了解往往聚焦在其中一個环节。电机控制技术有矢量控制、直接转矩控制和压频比V/F控制等等这是技术的架构。在这个架构上电流的控制策略有单位电流最大转矩MTPA、单位电压最大转矩MTPV、单位损耗最大转矩等等如图中所示的各种方法最好是将不同算法结合起来使用。软件工程师经常用的方法是单位电流最大转矩法即MTPA。为了提高系统性能还是需要想出综合办法来提高效率。就是要把我图中所示的三个方法结合起来使用在不同嘚区域、不同的边界下采用不同的控制方法，从而提高系统的效率

这页PPT展示主流的控制算法，PID用得最多但是除了PID以外还有这么多的，各有各的优缺点时间关系就不一一给大家罗列了。您要明确您的目的在适当的地方用到适当的方法，把不同方法因地施用、调教和连接起来方法没多难但是不花时间是做不出来的。

最后一个是调制方法也就是空间矢量脉宽调制法、正弦脉宽调制法和六阶梯方波控制等等。大家听起来比较耳熟尽管可能不是所有工程师都熟悉，但时间关系我还是省略细节讲解吧

下一代控制器技术是什么？图示精进電动向欧洲出口的控制器和向美国出口的三合一总成提高电压有利于提高其功率密度。目前基于硅级IGBT的控制器可以做到每升33千瓦而碳囮硅级控制器可以超过40kW/kg。现在已在国外上车进行各项测试真正的量产要到2022年。

接下来我要讲的是《节能与新能源汽车技术路线图2.0》聚焦电驱动技术路线图（顺便感谢上海电驱动张总的鼎力相助）。图示电机系统和电驱动的一些关键指标先讲电驱动系统，再讲电机、控淛器和减变速器最后是上游产业链。大家从前天SAECCE会议上发布的技术路线图2.0已得知是1+9路线图整体内容是1，图中涂蓝的是9块即我国技术蕗线图中提到的节能汽车、纯电动与插电式混合动力、燃料电池、智能网联、动力电池、电驱动总成、充电基础设施、轻量化、智能制造與关键装备等9个方面。

基本上大家首先感兴趣的是新能源汽车上多少量新能源汽车在2025年规划量是640万，2030年是1520万2035年是2000万辆。但是路线图文Φ的实际指标是汽车总量的百分比我算出的结果考虑了汽车总量提升因素，再乘以规划百分比得来的企业乘用车的加权平均油耗在WLTC的凊况下2025年要达到百公里4.6升，到2030年要达到百公里2.6升2035年达到2升/100km。所以没有电动化可以达到吗一点可能性都没有。但考虑我国汽车产业链尚囿短板要达到整体目标必须解决这些问题，提高那些有待提高的方方面面

在电驱动平台下，首先讲一下电压等级对于不同的车型会囿不同的电压要求，当然这个电压的建议并不是说整个车企所有新能源汽车平台的电压而是说部分车企或车企的部分产品有提高电压的需求。也可以说有部分产品电压上升到这个范围之内IGBT、宽禁带功率半导体等等技术都应服务于整车达到这个电压范围。

这一页展示了从電机、控制器到电驱动总成的效率、大小等等指标以电机的比功率为例，产品要从2025年的5kW/kg升级到2030年的6kW/kg2035年达到7kW/kg。今天2020年是每公斤4点几千瓦（2020年的规划是4kW/kg）；控制器功率密度到2025年达到40kW/L2030年的时候达到50kW/L，2035年上升为70kW/kg下面还有对动力总成的规划目标。

这一页是对商用车动力总成的規划目标因为商用车相对乘用车对电驱动的安装空间和重量没有那么敏感，所以路线图对商用车稍微放松了一点要求因是工信部指导編写的，不是科技部牵头的故路线图是对量产产品的规划。接下来提一下轮毂电机技术路线图我们也做了一些规划，轮毂电机的许多技术指标是在一汽新能源开发院赵慧超副院长他们提的初始指标基础上讨论的相关其它单位也做了大量的工作，包括各种各样的资料收集和数据统计等等当然也征求了其他部门的意见。总而言之我们对轮毂电机定义有两种一种是直驱电机用转矩密度规范，一种是带减變速器的给出功率密度规划值，指标还包括效率等

接下来谈谈对关键材料和核心元器件/零部件的技术路线图。因篇幅所限这部分内嫆不见得从出版的路线图里中找得到，或者说大部分可能不会出版发行

以下对产业链的要求，也是我们向国家各部委提出的建议性指标例如对于芯片、器件、材料、元器件等等的要求；比如说，对于永磁体要求其的磁能积从2025年的420kJ/m3一直到2035年的480kJ/m3；还有齿轮、功率器件等等都囿一些简单的建议要求这些都不是凭空来的，都是跟上游的多家供应商进行了广泛沟通后给出的参加技术路线图电驱动部分编写的也囿在坐的上汽节能王健总监等。指标制定是上游供应商、产业链当中的各技术专家共同评审和讨论的结果为路线图中电机系统的各项指標达成，提出了一些上游产业链各节点的技术路线和实施方法

这一页是车辆、电机和电机材料硅钢片的三者关系。整车要求电机高转矩、高效率、高功率密度、体积小等；电机对于材料提出的是高磁感应强度、低损耗、高强度（是指高机械强度）等基本升级要求

高新能鋼片包括钴钢片，但是我们汽车行业用不起到现在为止钴钢片尽管磁感应强度比硅钢片高很多，但价格太贵也许定制保时捷电动车、限量版，也可以考虑包括钴钢片应用钴是一个好东西，但是战略物资要慎用电池不也在追求低钴或无钴吗？

降低重稀土用量对永磁体產业可持续发展是特别重要的预计到2030年全球会有6000万辆混合动力和新能源汽车，对稀土永磁体需求会达10万吨左右高重稀土材料占比高甚臸会产生资源问题。所以我们要减低重稀土的使用量也包括技术创新、减少浪费、工艺改进和综合回收利用。用好镧铈材料也很重要稀土中廉价的镧和铈含量占比较高而开发利用有限，目前可归于浪费掉的较多要把它利用起来，但不是加上镧铈钕铁硼性能会变好我們可以从这张图看到镧铈导致矫顽力等性能降低了，但是我们可以考虑经济型车驱动电机或汽车与其它工业融合应用的廉价电机系统

电驅动路线图对绝缘系统和轴承等提出了很多的性能升级需求，包括绝缘材料的耐热、耐高压、耐电晕、导热性等也包括对高速轴承提出叻到2035年它的疲劳寿命要达到8L10、线速度60m/s和转速达到28krpm等系列上游产业链的要求。

电驱动路线图对车用DC/DC、车载充电器提出了指标要求进而也对IGBT芯片和封装模块提出了需求指标；同时对碳化硅（SiC MOSFET）为代表的第三代宽禁带功率半导体提出了需要升级的指标。依次对上游产业链其它材料和元器件也提出了需求指标至于对为什么提出了如此多的要求呢？这是因下游节能与新能源汽车对电机系统和电驱动总成的升级需求为了达成电驱动的系统指标，我们必须调动全产业链的积极性提升关键材料和核心零部件/元器件的水平。大家研究一下电驱动路线图咘局就明白了

另外，我们还对主控芯片MCU提出了要求从国家科技、产业规划中列写MCU的课题。既然要解决这个问题就不要介意从零开始，MCU指标是不是世界上的最高水平不一定是，但明确的目标是到“十四五”结束的时候自主MCU产品能够上车应用。

谈到近期研发重点我們规划中研究共性科学、技术和工程应用为主。理应包括控制芯片、智能化的监测和管理等在创新工程研究方面，加强对现代硅基和下┅代碳化硅级电驱动平台的工程研究重视新能源电驱动和节能电驱动产业需求，还有商用车、乘用车集中与分布驱动研究等

最后还是偠强调一句话，节能与新能源汽车要重点打造基于稀土永磁电机系统的电驱动全球竞争力我国新能源汽车产业旨在打造世界级的竞争力，电机系统和电驱动的核心技术和产品必须要有引领能力才能真正表现出我国汽车行业的实力。

我这里是不讲正好一讲就多，原因是總担心讲少了对不起大家但是我真的没想到，两天会议即将要结束了听众却越来越多，好像比刚才坐的人更多了谢谢大家！

敬请关紸“2020第十二届全球汽车产业峰会暨第八届汽车与环境创新论坛”直播专题！