今日大咖：蔡 蔚 博士
汽车电子驱动控制与系统集成教育部
工程研究中心 首席科学家
重点介绍我国新能源汽车市场状况、以电机系统为核心的电驱动总成与以内燃机为核心的传动动力总成的区别。提出电能清洁化和高效混合动力系统是减少二氧化碳排放和节能的主要途径；同时得出即使电动车耗电100%来自煤电，也比同吨位内燃机汽车“国六”排放有毒气体和微颗粒低一半的结论。指出对电机系统用最高效率的评价指标要尽快过渡到建立在工况效率/损耗的评价体系。介绍了集中和分布驱动的概念以及电驱动总成的研究内容。本文主要给大家介绍一下电机系统和电驱动总成产品的技术现状与发展趋势。根据中汽协统计，过去几年的基本情况是，2011年新能源汽车销量8200辆，其中纯电动车近5600辆其余2600辆为PHEV；2018年纯电动车就到了98.4万辆，插电混合动力车27万辆，燃料电池车只有1527辆，三者加起来大概125.6万辆。到2019年新能源汽车销售120.6万辆，其中纯电动120.6万辆，其中纯电动车97.2万、PHEV 23.2万、FCEV2737辆。以上就是中国新能源汽车的现状。尽管现在新能源汽车在我国汽车市场占比在5%以下，但就环保节能大趋势而言，国人仍认为汽车电动化是汽车发展的未来，这个观点与全球汽车技术进步大潮吻合。原因是随着电能的清洁化，即可再生能源发电逐步增多，汽车电动化将带来节能减碳和低污染排放的优势。就汽车动力系统而言，电驱动总成的电机与内燃机动力总成的发动机相比优势明显。发动机从静止的零转速到怠速状态不能工作，甚至连转起来也需起动机拖动，也就是说发动机只能工作在怠速400~500rpm以上转速范围。乘用车发动机的极限转速或红线转速一般在5500-9000rpm。而商用车发动机的极限转速大多会在4000rpm左右。这就决定了发动机起动性能差，所构成的动力和传动系统离不开起动机和变速器。电机系统则不同，它可从零一直到极高转速都能工作，其高转矩区位于低速段，这一点有区别于发动机高转矩区位于相对较高速段。该特点决定了电机可以自起动，而且低速段动力强，因而装有电驱动系统的车辆百公里加速快，所构成的电驱动系统可以直驱或者仅采用减速器，只有在动力性要求极高超跑车和爬坡高速都有需求的工程车才需要变速器。第二个区别是，在横坐标转速-纵坐标转矩坐标系中，发动机只能在第一象限运行，而电机可以在四个象限工作。也就说电机向正方向转的时候，转矩可以为正（与转速同向）产生驱动，也可以为负（与转速反向）产生制动；同理，电机向负方向转的时候，转矩方向也可以与转速相同或相反，从而形成反向驱动或制动。因此，电动化汽车可以自如地前进与倒退、驱动与回馈制动。综合起来就是电驱动可四个象限运行，即在转速-转矩平面上的任何一点运行，这是电机和发动机的另一点区别。搭载内燃机的国产传统汽车，由于发动机起动和变速箱控制等技术落后，极少车企做到百公里加速6秒以内。借助于电机和电驱动系统的动力性，很多的车企（包括新造车势力）都能够做到百公里加速五秒甚至四秒以内。可进行双向机电能量换的电机系统，另一个作用是它可实现制动能量回馈，这也是电动化汽车节能的一个很重要方面。根据国家电能清洁化的规划，以化石能源煤电从2016年的68.5%、2030年的44%到2050年的13%占比逐步下降，以水电、核电、风电和太阳能等清洁能源发电将取而代之，到2050年接近78%。如果一台现阶段排放二氧化碳188g/km的电动车，仅靠电能清洁化到2050年就可减低二氧化碳排放到58g/km。可见减少二氧化碳排放主要途径是电能的清洁化，当然电机、控制器和电驱动系统的效率的提高也是节能减碳的一条路径。人们关注的另一个重要问题是：靠烧煤发电运行的电动车是否能够降低与PM2.5相关的污染排放？假设电能100%来自燃煤热电厂（实际煤电占比已经低于65%）、输电和充电损耗分别是6%和10%，按2016年电厂统计每发1度电排放微颗粒和有毒气体1克计算，对于百公里最高耗电量低于30kWh的B级以下电动车（A级车低于20kWh/100km），那么一个电动化的车所排放的有毒气体和硅颗粒大约0.33g/km，小于汽油车国六排放标准的0.665g/km的一半。考虑煤电占比只有65%和B级车单车耗电远低于30kWh/km，实际B级电动车排放与PM2.5相关的微颗粒和有毒气体将远远低于0.33g/km。结论不言而喻，电动车即使100%用煤电，也比同吨位燃油车更环保。因此，“电能的清洁化+汽车电动化”已经成为我国节能减碳减排的战略大旗。并制定了传统汽车企业平均油耗在2020年达到5L/100km、2025年4L/100km、2030年3.2L/100km的能耗目标。因为传统内燃机汽车达不到该油耗指标，汽车电动化就不再是一个可选项，而是一个必选项。以上是我国对车企所生产的全部轻型车的加权平均油耗限额。这个百公里油耗显然与驾驶工况相关。“十二五”和“十三五”前期的油耗限额是建立在新欧洲工况（New European Driving Cycle,简写NEDC）测评基础上的。我国明年开始，NEDC将被全球轻型车测试循环（Worldwide HarmonizedLight-duty Vehicle Test Cycle, 简称WLTC）所取代。值得注意的是WLTC比NEDC工况更严酷，同一辆车在WLTC测得的油耗将高于NEDC下测评结果。2021年我国执行新能源和传统汽车的“双积分”政策。传统内燃机汽车(ICE)、混合动力汽车（HEV）和插电混合动力车（PHEV）混动状态百公里油耗要在WLTC工况下测评，电动车（BEV）、插电混合动力车（PHEV）电动状态和燃料电池车（FCEV）电耗或氢燃料消耗须在中国工况（China Light-duty VehicleTest Cycle，简称CLTC）下评测。“双积分”不仅要求汽车油耗达标，同时要求新能源汽车电耗和数量积分达标才能无罚款地销售燃油汽车。电机系统和电驱动总成的评价体系也将逐步由仅考虑电机、控制器和电驱动总成的最高效率逐步过渡到评价电驱动系统在适当工况（WLTC或CLTC等）下的油耗、电耗或氢耗等低能耗指标。工信部在2019年的10月25号发布了《电动车安全指南》。作为电机系统与电驱动总成安全安全指南专家组长，组织了整个行业的主机厂、供应商等产学研专家就电机和电驱动安全从设计制造到检验运营维保等全方位提出了安全建议和指导。尽管安全指南非强制性标准，仍建议从事电驱动相关行业的参考实施。电驱动系统可分为集中和分布驱动。所谓集中驱动就是把电机提供的动力直接或通过减速器传递给差速器，再将动力分配给左右两个车轮，无论车辆直行还是转弯这个过程都是自动的。集中驱动借助于差速器将动力自适应地传递给驱动轮，这一点与传统的动力-传动总成，只是将发动机换成了电机。所需注意的是，总成中的花键和齿轮要满足电机四象限运行对正反转和正负转矩的寿命和强度要求；所谓分布驱动就是把轮边电机或轮毂电机装在轮子的边上或者轮子中运行，那么每个轮子的驱动电机之间就不能像差速器一样自适应分配转矩和转速，轮边或轮毂电机之间需要控制器在直行和转弯时协调控制，即分布控制。除了分布控制这个难题以外，如何把轮毂电机装到现有机械制动为邻的狭小车轮中也是一个挑战。密封、减振、舒适和轮胎寿命等也是轮毂分布驱动面对的问题。但是，分布电驱动减少了传动环节和路径，具有较好的节能前景。因此轮边和轮毂电机为代表的分布电驱动，是挑战和机遇并存的前瞻研发方向。
图1.电驱动总成研究内容（节能与新能源汽车电驱动系统技术路线图专家组初稿）图1是电动化汽车电驱动总成的主要研究对象，包括机电耦合混合动力、纯电驱动和轮毂/轮边驱动总成。它们都是由驱动电机、功率电子控制器，减/变速器构成的。再进一步可分解成定转子、传动部件、功率/控制模块等，一直到材料、零部件/元器件级的电磁线、永磁体、轴承、传感器、高低压芯片/集成电路、无源电容/电感、齿轮、离合器等等 。
来源：本文是蔡蔚博士在 SAE 2019 汽车电气化与智能化技术论坛上的演讲，摘自《汽车电子电器信息》杂志新能源汽车电驱动技术与产业链 网络研讨会
时 间：6月17日 星期三 19:30-21:00主讲人：蔡蔚 博士
SAE International
中国汽车新能源电机电控产业联盟
