突破电机驱动系统核心技术,精进电动创始人蔡蔚

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7月12日晚,长安汽车发布2013年半年度业绩预告:公司上半年实现归属于上市公司股东的净利润为12.6亿元-13.6亿元,同比增幅约为121%-138%。

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精进电动科技股份有限公司创始人兼CTO 蔡蔚

但令长安高层担心的问题是,各个业务板块业绩差距很大,表现极不平衡。长安汽车的盈利来源于长安福特,“在报表上长安福特的收益超过100%,也就是说其他板块是亏损的。”长安汽车相关高层表示。

中国中车集团株洲电力机车研究所首席专家 郭淑英

很高兴有机会跟大家分享一下关于电力电子方面的问题。我在这里主要是讲电机对这方面的需求。精进电动最近在电力电子方面做了很多的工作,一半是在国内做的、还有一半是在美国做的,是美国团队做的,我跟大家讲讲我们做了什么。

自主品牌是长安汽车近年来重点投入板块,“我们希望自主品牌尽快盈利,不要再拖下去了,以改变我们的利润结构。”上述高层认为,自主品牌才是长安汽车的未来。

陈主任,丁院士,各位专家,大家好!

未来的能源向清洁化发展,汽车向电动化发展,汽车电动化和能源清洁化两个结合到一起才是中国国家发展的大棋。以某知名品牌电动车为例,他现在二氧化碳的排放远远超过了燃油车,所以电动车也不应该鼓励向超大和超豪华的方向发展。

在长安汽车掌管者朱华荣看来,自主品牌已经进入最关键的时期,未来五年要么生,要么死。“市场不会让目前这么多品牌存在,分水岭很快会出现。”

我汇报的题目是“聚焦电力电子,突破电动汽车电机驱动系统核心技术”。我的报告分三个部分,首先简单介绍一下电动汽车对我们电机驱动系统有那些需求。我们都知道电机驱动系统是把电池的电能转化为机械能的关键部件,它的性能直接决定了我们整车的性能,所以说它跟电池、电控一样是支撑我们电动汽车技术体系的三项关键共性技术之一。

这是我们大家都熟悉的一些法规方面的问题,没有汽车电动化是不可能达到油耗指标的、也不可能满足我们国家特别规划出来的“双积分”的政策要求。

留给长安汽车的时间已经不多。长安已经用合营公司的利润,养了自主品牌7年,朱华荣必须尽快找到盈利突破口,“各家公司都在讨论这个问题,其实不外乎做好三点:成本、规模和品牌议价能力。但问题是,这三点正是打败无数企业的敌人。”

整体对我们电机驱动系统提出的要求,首先,高性能,效率要高,高功率转矩密度,良好的性能确实是能够保证车辆的动力性和操控性,同时增加车辆续驶里程。从可靠性、安全性方面,直接影响到车辆的可用性和用户的接受程度。低成本,现在提的非常高的一个指标,直接影响到我们汽车的产业化进程和我们客户购买率。这是整车对我们电力系统提出的要求。

还有一个原理方面的问题,传统汽车的能量转换和传递是单向的,电动化的汽车能量转换和传递是双向的,这是一个原理的问题,这是为什么电动车节能的一个主要的原因。驱动电机既能把电能变成机械能用于开车、也能把机械能变成电能存储起来,而传统的发动机的燃油经过化学反应燃烧变成机械能并通过变速箱传递机械能以后,再想变回去是不可能的,如果不用的话就全部浪费掉了。电驱动系统总成的发展,是以电机和电力电子为核心的创新总成。我们国家的“十三五”科技发展规划,最开始的时候我就跟欧阳老师商量术语做了改动,原来叫“电机系统”,现在把它改成了“电机和电力电子”,更明确的说明了电力电子在这方面的重要性。

为了获得规模,长安自主轿车和长安铃木正在商讨一项协议,长安自主轿车的产品未来将可能进入长安铃木工厂生产,以分摊研发费用。

目前我们国内的电动汽车电机驱动系统的现状,从整车来说,我们去年的产销量分别是50多万辆,排名世界第一,到2020年我们总的产量将会达到200万辆,我们国产的车辆主要还是与我们国产的电机驱动系统配套的,这点也是值得我们这行骄傲的。但是我们都知道,电机控制器里头所用的关键核心部件IGBT,还有一些轴承,这些部件大部分还是有赖于进口。

电驱动总成大概包含如下几个方面,包括电机的本体,齿轮和齿轮箱、车载充电器、辅机电驱动系统、功率控制器、总成的信号控制器,整个加到一起是用算法和软件连起来的,跟整车的联系是机、电、热接口和信号通讯。

自主七年亏损待翻身

第二部分,谈一下国内外电动汽车电机驱动系统的发展现状。总的来说,电机驱动系统是向着高效率、高转矩、高功率密度以及高集成度这个方向发展的,整个阶段经历了从分离式、到集成式到现在的机电一体化和高度集成的发展。基于这个要求,对我们电机控制器和电机方面的材料、器件和我们的热管理、控制技术都提出了更高的要求。从控制器来看我们的发展分这么几个阶段,第一个是传统模块,第二个阶段是汽车级模块,第三四个阶段基本上过渡到定制化的模块,还有多功能单元集成化、机电集成这么一个阶段,我们下一阶段就开展一些新材料、深度集成方向发展的。国内来看我们的产品四个阶段都有,但是新的阶段我们正在开发。从国外来看,国际上第一阶段现在已经抛弃了,多半处在二、三、四阶段和下一阶段的研发当中。

这里展示的是电驱动系统的物料单。图中间画绿框的是跟电力电子相关的东西,我们在这里是以一个混合动力系统为例,为什么讲混合动力呢?因为混合动力总成更复杂一些,含电动化的部分+传统的发动机和变速箱部分。

长安汽车2006年推出第一款自主品牌轿车,但并没有进入快速成长通道,原因之一是当年长安微车业务如日中天,支撑了长安汽车的整体发展,长安并不急于找到新的利润增长点。此后,微车市场竞争进入白热化,单车利润降至极限,长安微车进入了以量博生存的时代。长安汽车开始把自主重点转向轿车,但时运不济,长安轿车一亏损就是7年。“亏损的主要原因就是巨额研发费用分摊,这是所有正向开发汽车企业必须要经历的阶段。”朱说。

IGBT器件的发展趋势,从键合方式和引线发展来看,国际公司采用定制封装汽车级IGBT,我们国内采用标准封装IGBT。

如果把我们国家的节能与新能源汽车“三电”技术放到一起,我们大概发现有这样几个东西,驱动电机基本上是感应电机和永磁电机为主,而功率电子元器件是从硅基低压MOSFET到高压IGBT和未来的第三代宽禁带功率半导体方向发展,电池基本上是从传统的铅酸电池、镍氢电池到锂离子和三元电池,未来向固态电池方向发展。

按照长安汽车提供的信息,长安汽车最近两年每年有近10亿元的研发费用计入当期报表。“不含固定资产投入,2010年研发费投入大概11亿元,可能资本化只有30%左右,当年轿车要分摊7.7亿元研发费;2011年研发投入16.9亿,资本化4个多亿,有11亿元进入了当期费用。”

谈到器件,谈到下一阶段的新型器件,目前以硅基为基础的IGBT器件,它的耐压频率等等已经发展到一定程度、受到一定限制,所以新型的材料,像碳化硅、氮化镓新型材料的器件就应运而生,相对于硅基材料来说碳化硅有什么好处,工作电压是比较高的,大概20kv,更高工作温度和抗辐射能力,更高工作频率,提高能量变换效率,能够实现系统的高温、高效和高速运行。

如果我们把电机分成两种的话,现在市场上用的主要是永磁化的电机,而永磁化的电机逐步达到了我们国家的新能源汽车电驱动系统的85%到90%以上,而且有进一步扩大市场份额的趋势。我这里不讲感应电机,只讲永磁电机。永磁电机主要有集中绕组和分布绕组之分,极对数增加是减少电机尺寸的一个方法。增加电机的转速是减少电机尺寸的另一个方法,原理上来讲只有这两个方法,剩下的都是向材料挑战。

研发费用分摊让轿车发展背负巨大压力。按照长安汽车公布的数据,2011年长安轿车亏损12亿元,2012年亏损9亿元。

目前碳化硅的半导体器件国内外研发现状可以看,国内碳化硅基础已经起步,像我们中车株洲所、电工所等等都已经开始做研究,国家也设了一些课题。目前可以看,芯片模块来看,国内像科锐、罗姆都有相应的产品,采用碳化硅的电机控制器,丰田和三菱已经到了路试阶段,我们国内目前还是小批量的样机产品,还出于这种研发阶段,这就是主要的产品。

我们得出了分布绕组和集中绕组的电机各自的特点。分布绕组,省材料、不花钱的磁阻转矩多。集中绕组,工作区比较宽。大家都知道,工程师最害怕科学家给了我们一个数,这个数没有误差。工程师总是要求给出允许误差的,而集中绕组的电机转子位置允许误差可以比较大一些,而分布绕组电机转子的允许误差比较小。另外得出一个结论是,分布绕组的电机容易散热,集中绕组的电机不容易散热,如果你发现电机烧了百分之八九十都是集中绕组电机得绕组,故普遍采用的方法是将绕组灌封到一起,即用高导热率的材料对集中绕组进行灌封。

“我们不能再拖下去,今年明年两年内,必须要让它盈利了。”今年上半年,由于逸动、CS35车型在市场上得到认可,长安自主轿车销量达到19.2万辆,同比增幅高达81%,但快速增长并没有冲破盈亏平衡点。

电机的发展,也是经历了这么一些阶段,从最初的采用异步风冷、永磁水冷,到现在各种导体形式,包括油冷的、矩形导体,还有异步、铸铜转子电机的,这些技术都在进步,目前还是朝着永磁化、高速化、集成化方向发展,现在电机和减速箱的集成,电机和控制器包括三合一这种方式,还有分散式驱动的轮毂电机还有轮边电机,都在研发当中。

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