陈清泉:电动车驱动电机的挑战与突破口

提高三电技术的原创性能力和转化能力,迎接汽车行业的三大革命。

车云按:1月20日,中国电动汽车百人会论坛(2018)在北京钓鱼台国宾馆举行。中国工程院院士陈清泉发表了名为《突破核心技术,占据产业中高端》的演讲。

中国工程院院士 陈清泉中国工程院院士 陈清泉

以下为演讲速记:

很高兴今天与大家分享,我的演讲主题是“突破核心技术,占据产业中高端”。一百多年来,汽车的出现代表了世界现代化。今天汽车要被改变,因为汽车带来很多城市疾病。

要治疗疾病需要跨界融合,包括汽车产业、IT产业、能源产业。汽车能源的储存是电力和电池,虽然电池功率密度和能量密度比汽油和柴油小很多,但有点汽油和柴油做不到,就是电池的能量可以双向流动与新能源挂钩。我提倡四网融合—交通网、能源网、信息网、人文网。开始不要太过硬,里面要有软的东西。

创新不是空喊口号,创新首先得有理念。要创造自由、开放、合作、包容的氛围,公平的市场竞争,完善的知识产权保护,网络和大数据的支持。中国电动汽车爆发式发展,能够可持续吗?

我提出的理念——电动汽车一二三四:一是创新驱动,开发符合中国市场需求的类型;二是双轮驱动,政策驱动和市场驱动;三是好的产品,好的基础设施,好的商业模式,大家买得起、用的起、用的方便、用的可靠;四是四网融合,交通网、能源网、信息网、人文网。现在的挑战是电动汽车什么时候和传统车竞争,有的人说2020年,我认为这是我们讨论的主题。

对电机驱动的要求,在满足安全、可靠、耐久和动力性的前提下,以更高的能源效率驱动车辆,碳排放必然比燃油汽车低很多,使电动汽车做到真正的节能减排。

永磁电机和感应电机相比,到底各有什么好处。永磁高速损耗高、高速区电流高、位置传感器贵、制造复杂、存在齿槽转矩和空载反电势等问题。一部电机的好处是高速的,因为低速时损耗高,所以容易高速,低速时电流高,传感器成本低,制造容易,无齿槽转矩,控制器伏安高。现在主流还是铸铝。一部高速电机要根据工况,大部分是用永磁电机。现在最后的结论是永磁电机,因为实际工况很少在高区,最后结果还是要用永磁电机,比较好的解决方案还是永磁电机。

驱动电机技术主流优化方向是,驱动电机在不牺牲效率的情况下提升功率密度,目前要求高速电机解决轴承和变速器的问题,加控制器整体化后,比现在的低速电机好,但需要高速化。国际高压平均下的功率密度能达到5-8千瓦/公斤,部分电机做到9-10千瓦/公斤升,国内只做到0.6-4千瓦/公斤。

电机高速化需要解决轴承问题,从陶瓷滚珠或者滑动轴承微液润滑突破2万转,要用2-3年时间;磁悬浮轴承混合滚珠保护轴承突破3-5万转,要用3-4年时间;动压式铂片空气轴承突破4-10万转,需要4-5年。腾风集团开发临界转速电机达到15万转,用于电动汽车,额定功率16千瓦,散热条件理想的情况下峰值功率可以达到48千瓦。定子有890g,转子495g,功率密度峰值可达到34.65千瓦/公斤。量产以后,估计可以做到较低的价格,因为空气轴承不量化价钱很贵。

另外的难度是强度和温度。电机高速化后,除了轴承是需要考虑的主要难点外,结构强度方面的问题也比较突出。由于转子速度上升,转子的磁芯由于容易受到离心力作用膨胀炸裂,包覆磁芯轴套往往需要更高的强度,并且尽可能降低临界转速,需要采用大直径、刚度高的轴套,通常高速电机采用碳纤维制造转子套。

热管理问题。高速电机的直径小,怎么散热也是难点。更难解决的问题主要来自热管理。通常制约电机小型化的主要问题是散热问题。由于转子细小散热面积不够,冷却水通过的比表面积低,散热能力差,导线集肤效应来不及散热,产生热失控。控制器的频率控制不慎时,dv/dt难以控制导致的热失控,导线产生熔化。要做到高温电机。

电机的耐高温能力是提升电机高速化、小型化、轻量化的前提。耐温更强,意味着峰值功率维持时间延长,间接地提高峰值功率密度,同时也对可靠性和寿命有明显地意义。提升电机耐温能力的措施:

第一,常规电机导线的包层以橡胶或树胶为主,耐温能力较差。可以用金属氧化陶瓷或者云母、玻璃纤维做高温导线,温度可以达到600-2000℃,电压可达3000V。

第二,使用居里温度更高的铁氧体磁性陶瓷做定子冲片材料。

第三,使用极化磁钢作为转子或者磁芯材料。

第四,使用开关磁阻类电机原理将整个转子用高温磁性陶瓷代替。

第五,转移高速转动时带动的表面空气可以有效地对转子散热。

第六,转子可以自带压缩轮对冷却水进行强制冷却,再进入水道进行热循环,可以将冷却液更换为成更容易气化进行相变换热的介质。

第七,使用空心铝导线。

因为高速电机要配备变速器,最后要进行一体化。怎么一体化?高速电机配套减速器与联轴器,高速电机配套的部件问题。

能源与信息结合,产生智能工业、智能交通、智能建筑。今天价值最高的是共享技术、互联技术。一定要成立联合攻关,靠一个单位不行,需要大家集体攻关。建议国家成立联合攻关,可以由国家和企业用PPP方式组织,30%是国家的,70%是企业的。只有组织联合攻关才能创造自己的核心技术。

集中力量,提高在三大电,电机、电控、电池方面的原创性能力和转化能力,迎接三大革命,即电动化、自动驾驶、共享汽车。

谢谢大家。

Q/A环节

Q:国产电控系统在国内应用情况?

A:根据我所接触的民营企业,十多年前它们赚很多钱,因为那时买外国技术,用廉价的劳动力和广大的市场赚钱。但现在不行了,现在十几万或者几万的变频机利润很薄,只赚几千块。现在能不能有核心技术留住人才?英飞凌的器件专门为电动汽车设计,材料温度都不一样,有创新的突破结构,要有最新的开关器件。靠一个单位不行,一定要联合攻关,与和搞器件的一起,形成独特的图谱结构,并掌握前瞻性、独特性、先进性。

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