环球观天下！袁一卿院士：新能源汽车动力前瞻技术解析

核心观点

在电机控制器方面，碳化硅电机控制器现在已经成为行业的趋势 ；

碳化硅器件方面的竞争已逐渐开始 ；

【资料图】

未来的车规级碳化硅器件需要改进三个方面的关键技术问题 。

2022年12月22-23日，由亿欧汽车主办的GTM2022全球科技出行峰会在中国上海成功举办。本届峰会以“加速·定势”为主题，聚焦时下热议的智能电动汽车（SEV）发展，围绕六大主题论坛，携手与会的数十名行业头部企业高管，呈现了一场新技术与新理念齐驱的汽车出行产业年度盛会。

在《科学企业家论坛》上，俄罗斯工程院外籍院士、国家新能源汽车技术创新中心动力系统首席专家袁一卿发表了题为《技术驱动创新发展，新能源汽车动力前瞻技术解析》的演讲。他认为：

1. 在电机控制器方面，碳化硅电机控制器现在已经成为行业的趋势；

2.国际上已经量产了8寸晶圆碳化硅，意味着碳化硅的价格在未来可能有一个非常明显的下降。还有一个新的趋势像博世已经开发了双沟槽型的碳化硅器件，意味着碳化硅器件方面的竞争也在逐渐开始。

3. 未来的车规级碳化硅器件还需要改进三个方面的关键技术问题，一是通过降低沟道电阻和开关损耗提高载流子迁移率，二是延长短路耐受时间，使保护电路获得足够响应时间，三是减少晶体生长缺陷，提高良率、降低成本。

以下为分享实录，供行业人士参考：

感谢亿欧汽车的邀请，今天我分享的主题是“技术驱动创新发展，新能源汽车动力前瞻解析”。

01 电动汽车的产品变化

过去十年电动汽车的发展，使得汽车的加速性能在不断地提升，十几年前每百加速在十秒多钟，现在已经降到了4-5秒，一些车型的百公里加速已经在3秒以内。未来还将持续降低。

能量经济性也在不断地提升，十年前平均百公里的能耗在18-19度电，现在已经降到了15度，未来还在继续减少，因为我们对能效的追求是永无止境的。

再者是续驶里程。十年前电动汽车的续航大概在100多公里，现在增加到了500-600公里，一些车型甚至在千百公里，但到了1000公里以上之后可能会趋于平缓，因为更多的续驶里程在日常生活中没有特别大的应用价值，所以过度追求续驶里程也会导致电池成本的不必要增加。

最高车速的行业平均值基本上在170-180，未来不存在太大的变化，再高的车速在日常生活中用处很少。

十年前电动汽车每吨质量分到的功率在50千瓦左右，现在已经到了100多千瓦，这是我们对动力性的要求不断提高情况所致，未来动力性也有可能会不断地提升。

再者是速比，从以前的平均7-8，变成现在8-9、9-10，未来可能还有提高。这个趋势有两个原因，第一，我们对于整车的动力性要求，在低速加速的时候有一个更大的速比有助于加速，在高速的时候满足电机最高转速不断提高所对应的最高车速要求。

第二点我们对动力总成的评价，这有两方面的问题，一个是紧凑性，目前来看去年Lucid Air推出之前，国内电动力总成紧凑性在国际还是处于比较好的地位。

但是去年Lucid Air推出之后，我们的功率密度跟国外的先进车企相比降到了一半以下，所以我们有一个非常重大的挑战，就是在功率密度这方面。

然后是高速化，以前电机的最高转速在1.8万转/分以下，现在电机已经推到了2万/分，甚至后面可能会出现更高的转速一些产品。 关于多 档 化，国内虽然起步比较晚，但是现在进展还不错，像上汽已经量产了两挡的AMT，后续应该有更大的进展。

谈到冷却润滑的水平，国内稍有一些差距，更多的采用被动润滑，国际上则更多采用主动或者主动和被动润滑相结合的润滑方法。

关于一体化的水平，我们更多采用轴系和壳体的共用程度来评估，国内稍微有一些差距，但是差距不是太大。另外是多合一，国内在多合一的数量上并不落后，因为国内一些企业开发了八合一甚至九合一。

但是在径向集成的技术水平方面，我们的电机和电机控制器没有做到高度的集成，但是国外有一些企业已经做到了。

02 前沿技术的深度剖析

我下面讲一下具体前沿技术的深度剖析。在电机控制器方面，我们知道碳化硅电机控制器现在已经成为行业的趋势。意法半导体在特斯拉model3上率先量产，后来Cree/Wolfspeed也量产了8寸碳化硅晶圆，意味着碳化硅的价格在未来可能有一个非常明显的下降。

像我国也有企业已经量产了碳化硅器件，还有一个新的趋势像博世已经开发了双沟槽型的碳化硅器件，意味着碳化硅器件方面的竞争也在逐渐开始。

第二，碳化硅的封装技术更多考虑怎么发挥出这种功率器件的优势，这里面有不同的封装形式，如单面水冷、双面水冷、单管并联。

但是更多的企业目前采用一些像单面水冷或者是单管并联的比较粗放的方式，这些方式功率密度不一定很大，所以应该开发一些更前沿的，像双面水冷的技术。

关于电压平台升压技术，现在因超级快冲的要求，国内外普遍把汽车电压升高到800伏以上，甚至高的已经到1000伏，这个在国内国外已经形成了趋势。很多的电驱系统相关的部件，都要进行高压化。

关于第四代的超宽禁带半导体，日本的东北大学教授已经开发出了一些新的技术，使得材料制备成本降低了99%，从Baliga指数我们可以看出来，它实际上是有非常大的优势。但是国内在这方面的基础研究比较差，我们也不能一直处于追赶的状态。

扁线电机是一个非常大的趋势，从2010年量产4层扁线，到现在已经有10层扁线推出，像2021年特斯拉model Y采用了10层扁线，未来扁线层数会逐渐提高，减少集肤效应。

关于油冷电机，国外的特斯拉等一些企业已经量产了各种油冷电机，且有相应的专利保护，我们怎么突破这些专利保护，形成自主的技术是非常重要的。像精进也开发出了所谓的油水复合冷却技术，这个技术可以不用油泵，减少了油泵就降低了功耗。

轴向磁通电机是以YASA为代表的，这种电机的优势就是功率密度转矩密度都非常大，但是它有一个比较大的弱点，即高速的时候转子会有一个比较大的变形，因此它不太适合高速运行，但是大家知道电机高速化是非常重要的趋势。

03 电机高速化成重要趋势

高速电机为什么会成为一个主流？ 因为高速电机可以更好 地 减少用铜和硅钢片等成本，把体积可以做得非常小。

从2013年起，采埃孚等国外企业就已经提出了像2-3万转的高速电机的发展路线图，像AVL也发展出所谓的蜂鸟电机，他们对这个电机做的研究表明，这个电机的速度不是说越高越好，在目前的技术水平支撑下，超过2.8万转以后成本不降反升了。

现在电机的高速化趋势很明显，包括欧盟有一个ModulE-Drivetrains的计划，研发的也是25500转/分的高速电机。日本有一家动力传动的研究会，这个研究会丰田、日产都是加盟的，它们已经在研发5万转/分高速电机。

最新的发展就是澳大利亚新南威尔士大学已经开发出了10万转/分的高速驱动电机，它采用一个比较关键的技术，就是采用韩国的双拱桥的技术，这使得硅钢片一些比较高应力的部分可以有所减少，可以提高整个转子的强度。

传动技术有很多种。包括AMT，国内并不落后，已经量产了很多年。DCT这种双离合的变速箱在电动汽车里面发展了很多年，但是目前没有量产，原因在于它的寄生损失高，成本也比较高，未来可能会量产，但是目前还在研发中。

为了应对里面寄生损失比较高的情况，2018年FEV推出了一个干式的双离合，这种结构可以减少寄生损失，但是它的问题是紧凑性不够。

动力换挡变速箱是一个行星齿轮结构两挡，这种变速箱我听说明年国内有企业量产，似乎已经呼之欲出了，这个结构比DCT的好处在于紧凑性更好，国内也有一些企业在研发。

这里面有一个关键技术是寄生损失的问题，怎么减少寄生损失，国外像FEV采用双制动器的形式，它的制动器保压的效果，使得这个油泵不需要时刻工作，还有把多片湿式的离合器跟犬牙式的离合器结合起来，使得油泵只需要在换挡一瞬间工作，换完挡就不需要工作了，可以减少油泵的功耗，有一些新的技术正在发展。

国内的解耦机构比较落后，国外率先发展了几种，包括断开的离合器、差速器，目前国内也有一些企业包括上汽开发的这种结构，这个结构的好处就是在不需要驱动的时候可以断开，断开之后这个电驱系统对整车不会产生阻力。

还有就是扭矩矢量分配，这个技术在国外已经发展了一些概念样机，但是国内没有企业研发，我认为，后续这个技术非常重要，特别是在分布式的驱动的时候更显出它的重要性。

国外的一体化技术已经发展了相当长的年份，包括左边的几款都已经量产，它最大的重点就是电机和电机控制器之间的集成，这个集成度非常高，取消了三相线。

Lucid Air推出的电驱动系统是一个划时代的产品，去年它量产了2万转的电机，这个电机采用了新的技术。

这里面比较特别的技术是采用了烧结和粘结的半导体进行填充，这样把整个里面的磁槽填满，提高了磁通量，所以可以做到很高的功率密度。

它把差速器放在电机的空心轴里面，这样先差速后减速，是一个非常独到的结构，可保证整体的高功率密度，这是我们需要学习的。 欧洲已经立项为第三代电机提供一个电驱桥的项目，采用比较高速的电机22500转，最高可以达到2.7万 转，这个驱 动系统也是一个高集成度的代表。

04 动力技术的发展趋势

我下面着重讲一下发展趋势。车规级的碳化硅器件，这方面首先要解决一些像降低沟道电阻和开关损耗等，以提高载流子迁移率。

第二就是短路耐受的时间要延长，这个技术可以在出现短路的时候提供足够的保护时间。

第三是减少晶体的生长缺陷，目前的生长缺陷比较多，为了提高良率，降低成本，这是一个必须克服的问题。

碳化硅期间应用的技术包括很多的方面：

首先是热管理，热管理技术能够提供一个比较好的冷却效果；

第二是高速驱动保护模块；

第三是PCB减少门级串扰的技术；

第四是短路保护，包括高可靠性的问题，包括大电流互联的技术，还有EMC的问题，如何克服高频下的电磁干扰，开关频率要降低；

再就是在比较高的开关频率下，怎么减少杂散电感方面的问题。

电机技术一个是扁线，扁线电机层数在不断提高。油冷电机要提升冷却效果，然后是无稀土少稀土电机，这是一个非常重要的方向。现在的方向是要利用磁阻转矩减少体积，提高功率密度，这个有很多公司在研究，比如内转子凸极率，怎么来利用一个比较好的转子结构提升凸极率，提高转矩。

多挡传动技术有很多的问题要解决，首先要高效，换挡要平顺，这个采用比较先进的最优控制技术，降低寄生损失，有很多的工作要做，如油泵、离合器等。

关于高速的传动技术，国内的高速轴承比较落后，目前国内能够量产最高转速轴承的大概是1.7万转，但是国外像NSK、SKF都已经达到了将近3万转的量产轴承，所以这方面我们要奋起直追。

大传动比的高效传动技术要应对电机高速化，所以采用的结构并不是通过齿轮的传动，而是通过油膜的液力传动，这个技术有很多的公司在开发，传动比大到15以上。

一体化的集成技术，包括结构的一体化和电力电子器件的集成，随着刚才讲的轮毂电机的发展，它会跟制动系统、悬架系统、转向系统进行一体化的集成，这个集成度非常高，所以这里面要克服很多冷却润滑的问题。

适应多车型的平台化技术，包括电机通过电机轴向的长度调整它的功率，IGBT和碳化硅的切换，以及不同减速比的调整。

谢谢大家，我的分享就到这里。

关键词： 电机控制器 功率密度