由天津市人民政府、中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司、中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)、中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)汽車報(bào)社共同主辦,天津市工業(yè)和信息化局、天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)管理委員會(huì)特別支持,日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)、德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合協(xié)辦的第十九屆中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展(泰達(dá))國(guó)際論壇(以下簡(jiǎn)稱“泰達(dá)汽車論壇”)于2023年9月1-3日在天津市濱海新區(qū)召開。本屆論壇以“高質(zhì)量·新未來(lái)”為年度主題,邀請(qǐng)重磅嘉賓展開深入研討。
在9月3日“電動(dòng)化論壇二:提升新能源汽車產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的思考與實(shí)踐”中,哈爾濱理工大學(xué)博導(dǎo)教授,俄羅斯工程院外籍院士,精進(jìn)電動(dòng)創(chuàng)始人蔡蔚發(fā)表了題為“電驅(qū)動(dòng)前沿技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”的演講。
哈爾濱理工大學(xué)博導(dǎo)教授、俄羅斯工程院外籍院士、精進(jìn)電動(dòng)創(chuàng)始人 蔡蔚
以下為演講實(shí)錄:
各位領(lǐng)導(dǎo)、各位嘉賓:
大家好!
今天是命題作文,電驅(qū)動(dòng)前沿技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,講講幾個(gè)主要發(fā)展方向和大家做了什么,也講講我們國(guó)家一些不足的地方。
先講一下“雙碳”戰(zhàn)略下的電能清潔和汽車電動(dòng)化,這個(gè)圖是我們國(guó)家規(guī)劃的新能源汽車,我們國(guó)家的發(fā)電,左側(cè)這兩個(gè)圖一個(gè)是占有率的百分比,另外一個(gè)是實(shí)際的數(shù)據(jù)。是我們國(guó)家未來(lái)40年當(dāng)中發(fā)電的規(guī)劃,怎么規(guī)劃,未來(lái)40年過(guò)程中我們國(guó)家的發(fā)電裝機(jī)量將增加4倍,由現(xiàn)在的20億kW變成80億kW,我們的發(fā)電量右邊這個(gè)數(shù)大概是增加2倍。為什么裝機(jī)量增加4倍,發(fā)電量增加2倍,最主要的原因是新能源發(fā)電,光伏和太陽(yáng)能未來(lái)是主力,他們不是24小時(shí)都能發(fā)電,所以裝機(jī)量的增加和發(fā)電量的增加不太一樣。
第二個(gè),水電和核電將緩慢增長(zhǎng),40年當(dāng)中翻一番,到2060年的3/4的裝機(jī)量是風(fēng)電和光電。這個(gè)時(shí)候發(fā)電量有60%來(lái)自于風(fēng)和光。整個(gè)熱力發(fā)電將低于10%,煤電將低于10%。為什么講這個(gè),因?yàn)槎趸嫉呐欧鸥檬裁窗l(fā)電有直接的關(guān)系。
這兩個(gè)部分的情況我們基本上可以看到6.31L/100km的A級(jí)燃油車和電耗14kWh/100km
A級(jí)電動(dòng)車進(jìn)行比較,我們得的結(jié)果油車從油井到油箱這段大概是0.126噸,每開1萬(wàn)公里,車輛運(yùn)行排放1.5噸,加起來(lái)1.626噸。同樣的道理從煤井到電站然后到電池,大概是不到1噸二氧化碳的排放,車輛運(yùn)行電動(dòng)車是不排放二氧化碳,加在一起是0.91左右。因而得的結(jié)論是這兩個(gè)車進(jìn)行比較,如果按照2021年煤發(fā)電占67%計(jì)算,一輛電車將減少44%二氧化碳排放。
按照同樣的計(jì)算總結(jié)一下,假設(shè)2021年是67%的熱力發(fā)電,假設(shè)2021年全都是煤發(fā)電,按照剛才同樣的計(jì)算方法得出的結(jié)論,即使100%用煤電,這輛電動(dòng)車也比油車減少二氧化碳排放將近12%,這就回答了很多行業(yè)的人士懷疑新能源汽車是否減少二氧化碳的問題。
A級(jí)車和B級(jí)車春夏秋冬加起來(lái)最多大概是耗30度電,一般情況是15度電左右,我們就看看30度電的耗電量排放多少有毒氣體和PM2.5相關(guān)微顆粒。上邊這個(gè)圖我們國(guó)家每發(fā)1度電排放多少有毒氣體和PM2.5的相關(guān)微顆粒,2016年的時(shí)候大概是1度電排放1g,這個(gè)是2016年統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。
我們現(xiàn)在實(shí)行的是國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn),按照國(guó)六b的排放要求我們要求是每1公里排放0.665g有毒氣體和PM2.5的相關(guān)微顆粒,按照這樣計(jì)算我們到2015年的時(shí)候即使耗30度電的電動(dòng)車也比國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)少排放一半。如果是耗15度電大概還不到1/3,即使我們100%用煤電電動(dòng)車也比現(xiàn)在的油車減少二氧化碳的排放,也減少有毒氣體和PM2.5的相關(guān)微顆粒的排放。因而,國(guó)家大政方針就是能源清潔化,也就是綠色發(fā)電和汽車的電動(dòng)化。
我們的混合動(dòng)力或者節(jié)能汽車目前沒有達(dá)標(biāo),數(shù)量沒有達(dá)標(biāo),我們?nèi)ツ曛挥?.3%,按照規(guī)劃我們到2025年的時(shí)候要有40%。
第二個(gè),我們?nèi)剂想娷嚻囘^(guò)去5年來(lái)統(tǒng)計(jì)最多是2022年3000多輛,燃料電池汽車還有很大的空間需要努力,否則我們沒法完成100萬(wàn)輛的任務(wù)。
零碳燃料零碳發(fā)動(dòng)機(jī),我的建議是未來(lái)我們只研究適合混合動(dòng)力的零碳燃料發(fā)動(dòng)機(jī),不要研究純零碳燃料發(fā)動(dòng)機(jī),因?yàn)榛旌蟿?dòng)力一定節(jié)省燃料,應(yīng)該做的是有用的事情。
究竟應(yīng)該是氫燃料還是氨呢,還是甲醇呢?這里面我們會(huì)簡(jiǎn)單的提一下,氫燃料是直接通過(guò)電解水來(lái)的,只要我們用綠電得出氫就是綠氫,換句話說(shuō)是用光和太陽(yáng)能風(fēng)電制造出來(lái)的氫就是綠氫。而氫要變氨是由氫來(lái)做,氫加上空氣中的氮?dú)庑纬闪税?,而氫加上空氣中的二氧化碳形成了甲醇,所以它們兩個(gè)是另一種原料。
我們可以看氫燃燒不產(chǎn)生二氧化碳,但是甲醇的燃燒產(chǎn)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個(gè)零碳的燃料。氨也是這樣,但是我們重點(diǎn)看氫,氫的沸點(diǎn)是零下252度,也就是說(shuō)氫基本上沒法以液體的形式存在。氫用氣體的方式存在,這樣一來(lái)小的空間要多放氫,就需要罐的壓力,不管是運(yùn)輸還是放在儲(chǔ)氫罐壓力都要達(dá)到70~100MPa,這是一個(gè)很大的數(shù),需要很大的努力。還有密封容易爆炸的問題,因?yàn)闅涞臍饣a(chǎn)生的能量是很大的,一旦發(fā)生泄漏爆炸,這是很危險(xiǎn)的一件事。
因而,這些問題都要解決后,我們才能直接用氫做發(fā)動(dòng)機(jī)燃料,否則我們最好還是做成液體燃料,既方便運(yùn)輸也容易做,當(dāng)然這些問題都解決了之后,我們直接用氫是最省的。
新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一些創(chuàng)新的產(chǎn)品,左邊這個(gè)是集中驅(qū)動(dòng),關(guān)鍵的問題是我們有一個(gè)差速器的東西可以把左右輪進(jìn)行分配解決轉(zhuǎn)向等一系列的問題。右邊是分動(dòng)驅(qū)動(dòng),輪邊或者輪轂電機(jī),按照這個(gè)定義,我們得出的結(jié)論右邊這個(gè)需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行很好的控制才能達(dá)到差速器要做的事兒,不這樣做就掉到溝里,這是一個(gè)很大的問題。
無(wú)論是集中驅(qū)動(dòng)還是分布驅(qū)動(dòng),一個(gè)非常重要的問題都是需要電機(jī)系統(tǒng)小,電機(jī)系統(tǒng)要想做小現(xiàn)在有兩個(gè)辦法,第一個(gè)辦法是把電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高,電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高就需要一個(gè)車輪,需要減速器或者是一個(gè)變速器,這樣一來(lái)就需要齒輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)。如果想把轉(zhuǎn)速提高還需要增加開關(guān)頻率,現(xiàn)在的開關(guān)頻率不夠那么高,將來(lái)隨著高速發(fā)展開關(guān)頻率需要第三代寬基帶功率半導(dǎo)體碳化硅大概是現(xiàn)在開關(guān)頻率的5~10倍,這就解釋了對(duì)減速器、變速器的要求,和我們對(duì)第三代寬基代功率半導(dǎo)體的需求。
總而言之電機(jī)的尺寸要想下降必須把轉(zhuǎn)距降下來(lái),而功率又不能下降,因?yàn)楣β实扔谵D(zhuǎn)距×轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)距下降只有提高轉(zhuǎn)速才能保證功率不變,這是電機(jī)開發(fā)的一個(gè)主線。
我們剛才講了分布驅(qū)動(dòng)的問題,機(jī)、電、熱的問題要得到很好的解決,現(xiàn)在全世界沒有大批量的生產(chǎn)。另外一個(gè)問題是簧上質(zhì)量下移造成操控性問題,這個(gè)要解決一系列的問題是降重,車轱轆降重。有人做了測(cè)試認(rèn)為簧下質(zhì)量每增加1公斤等于簧上質(zhì)量增加3~5公斤,如果一個(gè)車轱轆增加30公斤,4個(gè)車轱轆120公斤,相當(dāng)于簧上增加360公斤,而簧上整個(gè)車的質(zhì)量要增加的話就等于操控性要下降,就等于能耗要增加,因?yàn)檐嚨馁|(zhì)量每增加10%,車的能耗將增加6%~8%。
我們國(guó)家在“十四五”的重點(diǎn)專項(xiàng)正在申報(bào)過(guò)程中,這個(gè)輪轂電機(jī)專項(xiàng),不僅僅只研究電機(jī),還要研究電機(jī)控制器、加速器、制動(dòng)器和輪轂軸承,從而使整個(gè)的車輪降重,只有這樣才能量產(chǎn),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
另外一個(gè)問題我們的電驅(qū)動(dòng)未來(lái)朝什么方向發(fā)展,橫坐標(biāo)是功率的提升,縱坐標(biāo)是電壓的提升,大家可以看到功率越大通常對(duì)電壓的需求有一定的增加,電機(jī)基本上在小功率低電壓的情況下仍然用傳統(tǒng)的圓股線、硅基IGBT和水冷方式。如果變成大功率和高性能的車,我們就需要改成發(fā)卡式扁線和碳化硅、油冷等等。
另外一輛車有多少電機(jī)呢?一般來(lái)說(shuō)我們純電動(dòng)汽車按照過(guò)去3年的平均數(shù)來(lái)說(shuō)基本上純電車一輛車有1.1臺(tái)電機(jī),平均起來(lái)一輛車就1臺(tái)電機(jī)。如果是混合動(dòng)力,至少在過(guò)去的3年當(dāng)中,由平均每臺(tái)車1.52臺(tái)變成2022年2.06臺(tái),也就是說(shuō)每臺(tái)車當(dāng)中超過(guò)了2臺(tái)電機(jī)。我們按照平均數(shù)計(jì)算大概每輛車1.32臺(tái)電機(jī),我們就得出這樣的一個(gè)結(jié)論,到2022年的時(shí)候大概是688萬(wàn)輛汽車900萬(wàn)臺(tái)電機(jī)系統(tǒng)。
過(guò)去從2016年中國(guó)的IGBT
100%的依賴進(jìn)口到2022年已經(jīng)做到了51%靠自主,但是我們的碳化硅的功率芯片和控制芯片只占5%左右,所以我們還有很大的努力空間。
我們看全世界的發(fā)展,重點(diǎn)看我們國(guó)家的,我們國(guó)家有兩個(gè)樣件,功率密度已經(jīng)做到了在高電壓下達(dá)到了每公斤12kW,美國(guó)已經(jīng)達(dá)到了將近16kW,因而在高端產(chǎn)品層面我們離國(guó)外還有差距。他們解決兩個(gè)問題,一個(gè)是從永磁體方面,他們既采用了燒結(jié)也采用了粘接,從而把整個(gè)的空間利用上。因此得出的結(jié)論他們作為整個(gè)電驅(qū)動(dòng)總成可以每公斤出6.76kW,我們國(guó)內(nèi)最好是2.4kW,所以我們并不是世界上的領(lǐng)先,我們可以說(shuō)我們比較先進(jìn),但是我們不是領(lǐng)先。
全產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量快速發(fā)展的問題,大家都熟悉扁線繞組Hair-pin,。按照這個(gè)來(lái)理解我們首先看到有4層到8層的,逐步提高是為了減少渦流損耗。我在這里只計(jì)算了4層,我們得出的結(jié)論是越靠槽口的地方損耗越大。右下角這個(gè)圖我們把四個(gè)導(dǎo)體給大家看了一下,隨著頻率的升高或者轉(zhuǎn)速的升高會(huì)看到損耗是不一樣的,這樣一來(lái)就造成了四個(gè)導(dǎo)體發(fā)熱不一樣,就要產(chǎn)生熱的問題,所以我們解決的另外一個(gè)問題是采用這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)體是變的,四根頂一根,兩根頂一根,下一代的發(fā)展是這樣的電機(jī)。
尤其要解決本田雅閣這個(gè),大家都看起來(lái)像一個(gè)藝術(shù)品,但是它把渦流損耗變成了環(huán)流損耗,也是錯(cuò)的,我是從科學(xué)的角度來(lái)講,從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō),這種方法是不好的,應(yīng)該是用其他的方法解決這個(gè)問題。
制造的問題,怎么使端部變短,這邊有一個(gè)伸出端焊接當(dāng)然更可靠,現(xiàn)在有人說(shuō)不把伸出端砍掉直接從下面焊接,這樣一來(lái)就給焊接增加了很大的麻煩,這上面四個(gè)定義我認(rèn)為是誤定義,時(shí)間關(guān)系我在這里不詳細(xì)解釋了。
我們?cè)谛袠I(yè)當(dāng)中有很多錯(cuò)誤的東西,需要認(rèn)真更新解決。另外一個(gè)是不含稀土的材料,因?yàn)樘厮估f(shuō)它要做永磁電機(jī)不含稀土,所以造成了稀土產(chǎn)業(yè)當(dāng)前下滑8%市場(chǎng),又說(shuō)要減少碳化硅的使用,又造成了很多硅片產(chǎn)業(yè)當(dāng)天下降了10%的市值。這一系列的事件原因有兩個(gè),因?yàn)樗f(shuō)不含稀土的永磁材料基本上有兩個(gè),鐵氧體和氮化鐵,鐵氧體已經(jīng)用了很多年沒有什么問題,但是磁能機(jī)比較小。氮化鐵磁能機(jī)很高,但是到今天還不成熟,我請(qǐng)教過(guò)很多材料的專家他們認(rèn)為短時(shí)間內(nèi)不可能量產(chǎn)。少重稀土主要是碲鎘,有資源的問題,因?yàn)槲覀円獪p少使用,而且價(jià)格也貴。我們采用的方法原來(lái)把它融到整個(gè)的磁體中,現(xiàn)在是哪里需要放到哪里去,要求制造和材料的企業(yè)合作起來(lái)運(yùn)行。
氮化鐵的問題,氮化鐵是美國(guó)做出來(lái)的,我們可以看到氮化鐵的確可以和雪佛來(lái)基礎(chǔ)的電機(jī)性能差不多,它主要是需要穩(wěn)定解決材料的問題,如果取得突破的話是可能用的,但是到現(xiàn)在為止沒有看出突破的跡象。
根本沒有永磁體、永力磁,大家知道充電電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),這個(gè)跟永磁體是一回事,采用這種方法來(lái)解決,包括寶馬、奧迪用的,需要電刷,這樣是有接觸的傳遞,在高速的時(shí)候會(huì)有一些問題,但是寶馬說(shuō)它基本上解決了。
另外一個(gè)是馬勒,馬勒采用的方法轉(zhuǎn)子不一樣,跟無(wú)線充電是一個(gè)道理,先把交流電充過(guò)去,然后在轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行整流,畫的原理圖是這樣的。
總而言之,驅(qū)動(dòng)電機(jī)、永磁電機(jī)仍然是主流,稀土永磁還是主流,但是油冷和扁線是發(fā)展的趨勢(shì)。功率控制器IGBT是主流,碳化硅是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu),減速器是主流,但是變速器和繞組重構(gòu)都成為未來(lái)的選擇方向。三合一是主流,多合一是趨勢(shì),但一定要注意售后的問題。系統(tǒng)的電壓?jiǎn)栴},280~400V是主流,800V是趨勢(shì),實(shí)際上在“十三五”的時(shí)候比亞迪提出了1500V,當(dāng)時(shí)我是專家組的組長(zhǎng)我沒有同意。冷卻系統(tǒng),間接冷卻是主流,水冷、直接冷卻是趨勢(shì)。
我們必須要打造全球競(jìng)爭(zhēng)力,不能只跟國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng),我們具有了全球競(jìng)爭(zhēng)力,給全球主要的客戶供貨才是中國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力。
最后介紹一下我們最近在發(fā)改委的支持下建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室,將成為我們國(guó)家高校當(dāng)中在電機(jī)領(lǐng)域和材料領(lǐng)域當(dāng)中最好的實(shí)驗(yàn)室,不是之一,我希望是NO.1。
謝謝大家!
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