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郭淑英:突破电动汽车电机驱动系统核心技术,聚焦电力电子
内容简介: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。
  2017年7月19日,中国电动汽车百人会2017年第四期“电动汽车热点问题研讨会”在湖南省株洲市召开,本期研讨会聚焦“新能源汽车电力电子技术”。
  中国客车网从现场了解到,依靠关键技术的突破创新提高核心竞争力,已成为新能源汽车领域的共识。电力电子作为新能源汽车的关键技术,其技术进步影响着新能源汽车产业向电动化、智能化方向迈进。中国中车集团株洲电力机车研究所首席专家郭淑英发言,现场实录如下:

  陈主任,丁院士,各位专家,大家好!
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  车用电机方面,实际上刚才讲到新型器件的诞生,碳化硅器件,它的频率高了,实际上对电机来说也提出了一个新的要求,你这个高频情况下损耗,如何适应这种高频下的工作状况,对我们电机的材料,包括结构设计,一些控制算法也提出了新的要求,现在新材料、新结构、新技术都在同步进行。
  我们看一看国内外的对比,应该说国产的电机驱动系统、电机基本驱动性能是跟国外的相差不太大,基本技术性能可以满足我们的生产要求,但是在一些防护技术,噪声振动,电磁兼容,可靠性、耐久性方面,我们产品的程度还是有些参差不齐,跟整车的需求还有一定的距离,所以我们科技部重大专项,高效轻量化、高性价比的电机技术产业化这个课题已经设立,是由我们精进电动担任这个课题的项目牵头单位。
  下面的表格可以看,通过指南的要求到2020年完成,基本上跟国际先进水平不会有大的差别。
  后面跟各位报告一下目前我们中车株洲所做的一些工作。我们中车株洲所是中车的一级子公司,1959年成立,去年产值是310亿,其中汽车板块产值达到了100亿。我们2010年开始,通过把轨道交通核心技术向电动汽车领域进行拓展,目前已经形成了从器件到模块,到总成以及到电机驱动系统,包括昨天我们看到新能源整车,我们是这么一个完整的产业链。
  我们中车株洲所下属的三个业务单元来从事跟电动汽车相关的一些业务,比如说中车时代电动,是商用车整车动力车系统,还有功率半导体器件及乘用车电机驱动系统,还有电机制造,这是我们三个业务单元从事这些工作。
  我们整个系统发展也是从2010年开始承担863项目,到小批量的制作、生产到“十城千辆”,一直到完成几代产品的开发,目前我们驱动系统的产品可以说形成了两类平台,一个是乘用车的,像这个乘用车DM11在外面可以看到,乘用车三合一电机控制器已经实现了SOP,我们TP5商用车,昨天发布的八合一高度集成的控制器已经批量生产。从控制器的产业化能力来说,我们现在有两条专业化生产线,一条是商用车,一条是乘用车,年产可以达到10万台,我们目前正在建设一个50万台电机控制器的制造基地,这是下边我们厂房内部的图片。
  我们电机方面,株洲电机中试基地还有襄阳制造基地,襄阳目前的规划和产能达到每年20万台。总的来说,我们在驱动系统方面还形成了部件级、总成级、系统级的完善实验体系,我们这个实验室通过了国家认定为CNAS的认可,成为新能源汽车领域专业试验检测基地,能力都还是完全具备的。
  我们的技术路线,一种是基于通用IGBT模块技术路线开发,一种是基于定制IGBT芯片高级程度的技术路线,这两种技术路线的控制平台都是统一的。
  我们IGBT的模块控制器,开发了基于定制标准的功率等级,从55千瓦到140千瓦,目前功率密度可以达到20千瓦/升。另外一种基于定制芯片的控制器,目前我们功率密度可以高27千瓦/升,这个是采用双面水冷、双电机控制器,这个产品外边也有,可以看得到的。
  这是乘用车系列的一些电机,现在都处于在B样和A样的阶段。我们还和国外一家公司合作开发了一款一体化集成的系统,这个就是把控制器、变速箱、电机整个集成在一块,这是具体的技术参数,将来这种集成式的我们认为是发展方向之一,还可以减少一些线束、管线等问题。
  这里重点讲一下我们的TP5系统,昨天发布会我们也看到了,外边有这个产品。这个产品目前是能够适用于纯电、增程插电、无轨电车、燃料电池等产品,覆盖的车辆从6米—18米,目前来说是一种高性能、高性价比商用车系统的综合解决方案,这个产品从TP1一直到TP5的发展,从最早的异步永磁共存分离式,到现在永磁为主,包括控制的集成,加上网联化、智能化这个产品,应该是现在我们推向市场的一个主打产品。具体的八合一都有那些呢?双电机控制器、双DC/AC、DC/DC电源、整车控制、绝缘检测、高压配电,这八项功能都集成在一块了,控制板也是集成的,控制算法包括一些散热,统一处理,应该说做的我们自己还是非常满意的。这个产品的一些具体指标,相对于TP4来说,我们的体积重量大幅下降,成本也下降了20%,目前这个产品下半年大概有几十万台的订单。商用车的电机,有高速电机,包括无轨电车的电机,前面跟它配套的。
  下边我再给大家汇报一下我们的核心部件IGBT这方面的研发情况。从产业化能力来看,我们从业务领域,我们是覆盖了从IGBT、IGCT、碳化硅、功率组建、晶体管等领域,产品布局来看我们有4英寸、6英寸、8英寸的生产线,我们有林肯研发基地包括这里的研发中心,还有具备这些重点实验室、理事长单位的资质。我们现在从事半导体产业的员工有1100多人,其中技术人员有400多人,境外员工有330多人。
  我们电力电子是这样一个简单的历程,从这个发展历程可以看,从1964年开始,我们自己开始研发大功率的半导体器件,一直到2008年并购了Dynex公司以后我们进入了IGBT领域,这是几个重要的里程碑阶段,我们开始IGBT进入地铁和机车的市场。到2014年我们自主研发了IGBT的芯片与模块,已经批量应用我们的轨道交通。目前为止我们的IGBT产品已经覆盖了从650V到6500V全电压系列的范围,实现了出口。
  现在到2017年,我们已经实现了从工业级到定制化汽车级封装技术的突破,具备了汽车IGBT模块的设计封装测试的完整体系。芯片的性能,通过对比我们看,达到国际先进水平,并且根据市场的需求提供一些定制化的新品产品。
  还形成了我们碳化硅器件的完整技术开发平台,具备了碳化硅SBD和MOSFET等器件的研发制造能力,目前我们也牵头执行国家的重点研发计划、宽禁带半导体电机控制器开发及产业化的课题。
  这里还介绍几种芯片产品,我们的这个产品开发出来是三款汽车级的芯片产品,分别是750V/200A、1200V/200A、750V/300A。从模块来说,我们从第一代标准封装模块到第二代标准封装模块,到目前我们采用平面封装的模块,有这么几种规格。
  最后谈一点我们未来的规划和展望。我们采用的技术策略应该是从芯片到模块、到组件、到控制器、电机系统集成这样集成推进的技术策略。目前有这么一个技术,最近几年“十三五”期间我们将实现双面冷却IGBT产品和车用碳化硅产品的批量应用,这句话说起来,路程还很长,我们的工作都再继续。推动电动汽车电机驱动系统“中国芯”的技术进步。
  总的,基于我们自身电力电子和电动技术方面的技术能力,做大、做强我们电动汽车的电机驱动系统,打造性价比优异的新能源汽车电机驱动系统,为这个行业做出我们一个国有企业应该有的贡献。
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