目前，我國自主研發(fā)的核心零部件缺失，尚未形成技術(shù)壁壘，成為新能源汽車發(fā)展的潛在危險。掌握核心技術(shù)，提高產(chǎn)品性能及安全性，才能形成具有國際競爭力的品牌，支撐產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

2016年11月26日-27日，百人會·清華大學(xué)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高層研修班上，蘇州匯川聯(lián)合動力系統(tǒng)有限公司董事長姜勇為學(xué)員們帶來了主題為“三高電驅(qū)動技術(shù)發(fā)展與實踐”的分享，圍繞著匯川技術(shù)的產(chǎn)品高安全性、高可靠性和高效率這“三高”展開分析。

蘇州匯川聯(lián)合動力系統(tǒng)有限公司董事長姜勇

2003年十余名高管從艾默生（前華為電氣）出來聯(lián)手創(chuàng)業(yè)，有了今天的匯川。目前公司市值已達(dá)330多億，是整個創(chuàng)業(yè)板市值最高的公司之一。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，公司員工已有4000多人，其中研發(fā)人員超過1000人，占比高達(dá)25%，并且每年我們會把銷售額的10%投入到產(chǎn)品研發(fā)，今年公司銷售預(yù)算35億元，研發(fā)預(yù)算就是3.5億，而這其中又有1/3將投入到新能源汽車電機(jī)電控的研發(fā)領(lǐng)域。

目前匯川的業(yè)務(wù)總共涉及4個領(lǐng)域，分成兩大業(yè)務(wù)板塊，一個是工業(yè)自動化，一個是新能源板塊。工業(yè)自動化又分為三個子業(yè)務(wù)板塊：一，為中小型OEM提供裝備；二，大型的裝備制造，比如軌道交通牽引系統(tǒng)，目前蘇州在建的地鐵線共有5條，其中4條采用匯川的牽引系統(tǒng)，設(shè)備總價值多達(dá)一二十億元。三，除了提供單機(jī)設(shè)備，匯川還提供整套生產(chǎn)設(shè)備的解決方案。

在新能源板塊，匯川之前已積累了不少經(jīng)驗，例如為露天礦提供的串聯(lián)式混合動力巨型電動輪車、電動挖掘機(jī)以及為南海多個島嶼提供的風(fēng)光柴蓄互補(bǔ)一體電站等配套產(chǎn)品，正是這種技術(shù)積累，讓匯川在新能源領(lǐng)域有了自己的一席之地。而今天我們講的新能源主要是指我們的新能源汽車，匯川采取的策略是“匯融中西”?；仡櫷?，2008年匯川成立了新能源汽車部門，當(dāng)時給吉利熊貓?zhí)峁┮豢铍婒?qū)動系統(tǒng)。后來陸續(xù)開發(fā)了眾泰朗悅、江淮、海馬普力馬的電機(jī)控制器，2012又與宇通簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，開發(fā)五合一集成電控系統(tǒng)。隨著新能源汽車領(lǐng)域發(fā)生了新的變化，汽車廠商更傾向于整個電驅(qū)動系統(tǒng)的打包采購。曾經(jīng)匯川沒有電機(jī)業(yè)務(wù)，也沒有充電的業(yè)務(wù)，認(rèn)識到自身的短板后，我們便開始在全球范圍內(nèi)尋找合作伙伴，引進(jìn)吸收國際上的先進(jìn)技術(shù)。Brusa這家瑞士公司進(jìn)入我們視野，今年起成為了我們的合作伙伴。它是奔馳、寶馬、沃爾沃這些著名公司一部分關(guān)鍵電機(jī)電控電源技術(shù)的提供者。沃爾沃C30電動版上所有的電控裝置都是Brusa 提供的；今年6月份奔馳發(fā)布了一個消息，明年將會在其S級車型上推廣Brusa的無線充電技術(shù)。

目前匯川的汽車電控已經(jīng)實現(xiàn)了完全的自動化制造，客戶涉及國內(nèi)、國際諸多知名企業(yè)。最近雷諾、日產(chǎn)、東風(fēng)，還有德國MAN等多家企業(yè)代表到匯川進(jìn)行考察，認(rèn)為匯川目前的制造裝備和管理水平和一些日本同行基本持平。

高安全性

1電控的安全性

結(jié)合我們?nèi)ツ炅㈨椀摹靶省表椖?，以及現(xiàn)在的發(fā)展認(rèn)識展開對電控安全性的介紹。為什么取名“玄奘”呢？因為在新能源汽車領(lǐng)域我們的底蘊還不夠深厚，我們要虛心地向西方學(xué)習(xí)，歷經(jīng)九九八十一難求取真經(jīng)。目前這款產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)到第二階段，即將在東風(fēng)某款車上裝車測試，我們希望它能夠成為中國第一個取得功能安全認(rèn)證的電機(jī)控制器。說到這款產(chǎn)品，就不得不提及功率密度參數(shù)。28Kw/L的峰值功率密度在目前國產(chǎn)控制器里已是領(lǐng)先的水平，但我們在產(chǎn)品設(shè)計時還有清晰的規(guī)劃，不僅要達(dá)到國家2020年30Kw/L的峰值功率密度標(biāo)準(zhǔn)，而且在此基礎(chǔ)上把體積至少還要縮小15%—20%，超越國家標(biāo)準(zhǔn)。在電磁兼容指標(biāo)方面，目前我們在客車的實踐上國內(nèi)率先達(dá)到了class 3等級，玄奘項目在我們自己的實驗室自測已經(jīng)大部分達(dá)到class 5等級。

匯川新能源汽車中的電機(jī)、電控大部分集中在商用車領(lǐng)域，目前全世界范圍內(nèi)對商用車功能安全還沒有明確要求，但是已有商用車功能安全設(shè)計的趨勢，我們接觸的世界一流公司就已經(jīng)明確對我們提出了功能安全的設(shè)計要求。

功能安全對電機(jī)控制器概括而言就是實現(xiàn)三個安全目標(biāo)，第一個，力矩安全，就是控制器要按照VCU指令輸出期望的安全力矩。第二個，高壓安全，因為我們現(xiàn)在大部分用的這個永磁電機(jī)，在失控情況下控制器發(fā)生損害可能會產(chǎn)生非常高的反電勢，可能會造成功率器件的過壓擊穿。第三個，熱安全，防止IGBT和電機(jī)等過溫引起的起火隱患發(fā)生。我們可以通過故障樹分析方法，識別出違背安全目標(biāo)的電控系統(tǒng)的相關(guān)軟件和硬件要素，進(jìn)而在設(shè)計時加以考慮。

因此要做到功能安全，控制器的架構(gòu)就發(fā)生了非常大的變化，特別是與力矩相關(guān)的電控系統(tǒng)要素，比如MCU，旋變解碼，電壓傳感器，電流傳感器，CAN通信等。

目前國內(nèi)市場上主流的電機(jī)控制器大部分還是用工業(yè)的DSP完成控制，但是針對汽車功能安全要求，匯川采用的是更為可靠的MCU+SBC+CPLD綜合軟件架構(gòu)，通過三種元器件組合構(gòu)成完整的架構(gòu),其中MCU和SBC都是得到ASIL D認(rèn)證的器件，已達(dá)到最高安全功能等級要求，MCU和SBC都可以獨立執(zhí)行安全關(guān)斷，且SBC可以監(jiān)控MCU。

針對電流傳感器，如果控制一個電機(jī)，需要兩相電流傳感器，但是考慮對電流采樣信號的監(jiān)控，必須要采用三個電流傳感器，且三個電流傳感器不能存在共因失效的情況，因此目前匯川電機(jī)所用的電流傳感器，兩個是匯川自身的產(chǎn)品，還有一個是從外部采購的產(chǎn)品，這樣就會保證三相電流檢測不會出現(xiàn)共因失效。

針對旋轉(zhuǎn)編碼器的信號，正常來說直接送到MCU，但我們不是這樣做的，首先信號出來分兩路，一路是送至MCU高精度的DSADC，通過軟件解碼后進(jìn)行矢量控制的運算，另一路送入MCU低精度的ADC進(jìn)行軟件解碼，解碼結(jié)果不參與控制，但是參與監(jiān)控，即兩路旋變解碼的校驗。

此外，很重要的一點就是對IGBT的故障安全和診斷，原來我們僅僅是對IGBT做一些過流、過溫和過壓的保護(hù)。功能安全要求發(fā)生故障后需要進(jìn)入安全狀態(tài)，其中一類重要的安全狀態(tài)是通過IGBT主動將三相電機(jī)定子線圈短路，使整車平穩(wěn)減速停車。但是，如果控制器有個IGBT失效，在執(zhí)行主動短路前，必須要知道是控制器的上橋IGBT損壞還是下橋IGBT損壞，且需要探測區(qū)分IGBT的不同故障：例如CE短路、CE開路，GE短路、GE開路等，例如如果上橋IGBT出現(xiàn)CE短路失效，則只能通過上橋IGBT實現(xiàn)電機(jī)的主動短路；如果上橋IGBT出現(xiàn)CE開路失效，則只能通過下橋IGBT實現(xiàn)電機(jī)的主動短路。

對于IGBT溫度的監(jiān)控，為了降低溫度隔離采樣器件的成本，實時監(jiān)控IGBT結(jié)溫，我們現(xiàn)在在通過熱路模型和軟件算法推算IGBT的結(jié)溫，例如加速15秒鐘的加速度、電流是什么情況。去年我們銷售了約80萬臺的工業(yè)逆變器，是英飛凌在國內(nèi)同行中最大的用戶，所以他們專門給我們提供了一些帶傳感器的模塊用來做驗證性測試，建立模型。目前我們的估算水平可以做到車輛平穩(wěn)行駛時，結(jié)溫估算偏差在正負(fù)3度左右。在動態(tài)頻繁加減速的過程中，結(jié)溫估算控制在正負(fù)15度，這個指標(biāo)已達(dá)到和博世、電裝接近或相當(dāng)水平。

2電機(jī)的安全性

首先我們要考慮到這種電機(jī)在極端的工況性是不是有較低的反電動勢。很多電機(jī)在極限情況下的反電動勢超過1250V。新能源汽車的工況充滿不確定性，如果電機(jī)和系統(tǒng)沒有考慮到安全的設(shè)計，是存在安全隱患的。我們現(xiàn)在的電機(jī)不同于傳統(tǒng)的電機(jī)，通過引進(jìn)應(yīng)用于寶馬i3的HSM電機(jī)技術(shù)實現(xiàn)跨越發(fā)展。這種電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩大概可以占到全部轉(zhuǎn)矩的55%，因為沒有使用那么多永磁體從而帶來了一系列伴生的優(yōu)點。比如目前某款主流的大巴電機(jī)，達(dá)到峰值轉(zhuǎn)速的時候反電勢在1197V，而我們的HSM電機(jī)在841V，包括電容、模塊都在安全的范圍內(nèi)，不會超標(biāo)。因為我們的HSM電機(jī)反電勢小，同樣也帶來了短路電流、短路轉(zhuǎn)矩非常小，沃爾沃c30/大眾E-Golf就選擇了這個電機(jī)。國內(nèi)主流的電機(jī)達(dá)到2.5倍額定轉(zhuǎn)速后，電壓有可能就不在安全范圍內(nèi)了，我們的HSM電機(jī)可以達(dá)到3倍以上電壓，假設(shè)此時轉(zhuǎn)速達(dá)到1.2萬轉(zhuǎn)每分鐘，反電勢還在系統(tǒng)安全電壓范圍內(nèi)。

高可靠性

比起軌道交通，新能源汽車使用環(huán)境異常復(fù)雜，這就給車輛環(huán)境適應(yīng)能力帶來很多挑戰(zhàn)，為了保證新能源汽車的高可靠性，我們采用了一系列的可靠性設(shè)計手段。

為了驗證IGBT模塊的可靠性，我們要根據(jù)新能源汽車的工況分布圖，推導(dǎo)出元器件損耗分布圖，繼而推導(dǎo)出溫升分布圖，結(jié)合模塊廠家的壽命分布曲線，以統(tǒng)計學(xué)方式形成一個科學(xué)的模型，測算出我們IGBT的壽命年限，從而證明我們的IGBT是可以滿足整車廠的要求。我們公司主流的IGBT分為內(nèi)冷和雙面水冷。目前雙面水冷IGBT還沒有推向市場，我們是中國首個拿到這種IGBT模塊測試的公司。這個IGBT模塊體積下降了40%，飽和壓降下降15%。

一輛汽車從出廠到報廢大概會有2~3萬次起停，這就給線路板里面的焊點帶來非?？量痰奶魬?zhàn)，匯川目前采用的是新型焊料，可以很好的提高產(chǎn)品的可靠性。此外，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，線路板在高電壓和潮濕的環(huán)境下會有金屬鹽沉積，造成線路短路，而我們改進(jìn)的新型材料，能夠保證在高電壓結(jié)構(gòu)且非常緊湊的環(huán)境下，陽極纖維化的速度是緩慢的。

此外在電容壽命方面，目前匯川的膜電容最高溫度可以控制在95度之內(nèi)，而我們選擇的電容是105度的規(guī)格，這就可以保證電容的高壽命。還有專業(yè)的冷卻技術(shù)，讓水形成一個射流，就會在散熱器表面形成很多漩渦，通過這種漩渦的方式可以把熱量更充分的帶走，這種漩渦導(dǎo)熱能夠比正常表面流動提高20%以上。

高效率

現(xiàn)在的電控系統(tǒng)效率是比較高的，一般電機(jī)的效率也能做到93%、94%、95%甚至更高，我們每提高0.1%、0.2%的效率其實都要付出很多的努力。

我們有一項技術(shù)叫開關(guān)頻率的動態(tài)調(diào)整技術(shù)，一般機(jī)器為了保證控制效果都有載波比限制，當(dāng)車速比較低的時候我們的電機(jī)頻率也比較低，同樣達(dá)到比較好的動態(tài)效果，這時可以減低頻率調(diào)制，減少開關(guān)動作的次數(shù)，從而減少損耗。在速度很低的時候，載波頻率也非常低，到了城市工況時載波頻率設(shè)置為中間值，到了高速的時候把載波頻率提上去，這種方案控制器效率大概可以提高1~2%。

通過工況模擬，結(jié)合車輛真實運行的工況，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)的概率統(tǒng)計出來，有針對性的設(shè)計控制策略，把最高效的區(qū)域用在最常用的區(qū)域里面，也可以顯著提升效率，這就是電機(jī)的定向設(shè)計。不同車的工況是有個性的，因此用一款電機(jī)包打天下肯定是不合適的。換句話說，用同一款控制器、同一款電機(jī)做這個事情，不是效率最優(yōu)化的選擇。比如針對公交車和團(tuán)體車兩種不同的工況，我們采用兩個設(shè)計不同的取向，公交車有公交車的高效區(qū)，團(tuán)體車有團(tuán)體車的高效區(qū)，我們針對不同車型設(shè)計電機(jī)的高效區(qū)，公交車的電機(jī)效率相比競品可提高1個百分點，而團(tuán)體車可以提高大約5個點。

匯川的HSM電機(jī)是一種少磁化的電機(jī)，意味著高速運行期間需要的弱磁電流比較小，所以效率會高很多。常規(guī)的IPM電機(jī)存在比較大的低效率區(qū)間，尤其是弱磁工作區(qū)間。而在我們HSM電機(jī)上，基本上能做到效率為90%及以上的高效區(qū)，能占到百分70%的比例。

此外，選擇電機(jī)的極對數(shù)至關(guān)重要。在一個圓周上，如果極對數(shù)比較多，每一極承受的磁密壓力就會稍微小一點，磁力線就會稍微少一點，對提高電機(jī)設(shè)計的密度大有幫助。目前主流的電機(jī)極對數(shù)是8級，客車領(lǐng)域因為做直驅(qū)一般是14級—16級，以8級的電機(jī)和10級的電機(jī)相比，消耗的材料會減小，效率會有提升。

極對數(shù)提高之后運行頻率會提高，假設(shè)載波比在同樣的控制水平下是固定的。如果運行最高頻率要做到1200Hz，按照1：10的載波比，載頻要做到12KHz，對乘用車模塊是可以承受的；但是對于商用車高電壓、大電流，沒有哪一款電機(jī)控制器可以長期工作在12KHz載頻下。此外，車輛工況變化大，不會長期滿載，所以載波率小點。大眾項目的要求電機(jī)轉(zhuǎn)速是1.6萬轉(zhuǎn)每分鐘，意味著載波頻率可能要做到15KHz左右，這樣對模塊壓力就更大了。

針對這個難題，我們的專利技術(shù)——軟開關(guān)的技術(shù)就起作用了。

軟開關(guān)技術(shù)可以使電機(jī)在開通過程中有電流沒有電壓，在關(guān)斷過程中有電壓沒有電流。我們現(xiàn)在開發(fā)中的24KHz開關(guān)頻率的電機(jī)控制器就是采用軟開關(guān)技術(shù)。未來電機(jī)轉(zhuǎn)速可能做到2萬轉(zhuǎn)每分鐘，開關(guān)頻率肯定也越做越高，同時又希望電機(jī)極數(shù)多，這是一系列難題，而通過軟開關(guān)的方式是可以解決的。而且這種方式電磁兼容性還可以做的非常好，因為沒有額外的功率去發(fā)射。大家知道今年上半年，很多汽車廠商和零部件廠商齊聚在襄樊解決EMC的問題，我們基本上一天一個車型，上百個車型都是一個多月時間通過的。我們也看到一些同行把整個電控電機(jī)這個用鋁箔包起來了。在標(biāo)準(zhǔn)車型上要想辦法把這個指標(biāo)做好，這才是一個硬工夫。

技術(shù)先進(jìn)性

在模塊方面，我們從傳統(tǒng)的HP2模塊過渡到雙面水冷模塊，未來可能過渡到DBC模塊，隨著模塊技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在我們采用的內(nèi)冷的模塊體積大概能縮小15%-20%。隨著碳化硅技術(shù)的成熟以及成本的降低，未來我們的控制器體積還能大幅度縮小，成本也將呈下降的趨勢，屆時希望匯川會在國內(nèi)率先推出這樣的電控產(chǎn)品。

在電控的功率密度方面，目前市場上銷售的主流產(chǎn)品峰值功率密度大概是18KW/L，而匯川“玄奘”可以做到28KW/L，采用雙面水冷的模塊功率密度可以超過30 Kw/L，未來碳化硅技術(shù)甚至可以達(dá)到35 Kw/L，并且匯川還有許多先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，來提高產(chǎn)品的功率密度。

在損耗方面，目前我們采用的是硅的IGBT+碳化硅的二極管組合，采用碳化硅二極管可以使損耗大概下降27%，未來如果把IGBT和二極管全部換成碳化硅，可使損耗下降50~60%。

汽車在某些工況下會有一些抖動，我們采用了主動阻尼技術(shù)，通過軟件算法的方式消除汽車抖動， 提高了駕駛的舒適性和安全性。

我們的HSM混合式電機(jī)相比同類型產(chǎn)品也有很多優(yōu)勢。我們的動力系統(tǒng)，無論是在制動的時候、電動的時候，都能滿足動力加速需求，特斯拉是將異步電機(jī)的儲備功率做的足夠大，將所有需求區(qū)域包含進(jìn)去，也能保持持續(xù)的加速性。而設(shè)計良好的HSM電機(jī)，基本上車速在220公里/時，輸出功率是基本不衰減的，但是相比特斯拉方案，電機(jī)體積大為減小。

我們還有一些生產(chǎn)工藝，來提高電機(jī)的功率密度，比如采用發(fā)卡繞組，線和線之間幾乎沒有縫隙，槽利用率可能就會比較高。還有一個就是采用蜂窩型技術(shù)，通過機(jī)械擠壓的方式，把線經(jīng)過強(qiáng)力積壓形成蜂窩形，等等。

除了電機(jī)控制器，我們還有一個非常好的產(chǎn)品——車載充電機(jī)。這款充電機(jī)是BRUSA給奔馳Smart開發(fā)的，它是全球功率密度最大的一款車載充電機(jī)，重量只有11公斤多，像smart這樣的車上都能放的下去，成本也做的也很便宜。在新能源推廣過程中會面臨基礎(chǔ)設(shè)施不足的問題，使用車載充電機(jī)可以減少對基礎(chǔ)設(shè)施的依賴，而且可以少裝電池。某些情況我們沒有必要使用大功率充電機(jī)，并且快速充電對電池壽命是有影響的。

此外，我們公司做的DC/DC和國內(nèi)主流的也不一樣，它是可以雙向充電的，既可以從高壓電池組把這個電變成24V，也可以把24V的電變成高壓，給逆變器做上電緩沖，這樣逆變器里就不需要加電緩沖了，從而可以降低汽車成本。

目前全國已有6萬多輛新能源客車/物流車配備了匯川的電機(jī)控制器，這個數(shù)字在世界范圍內(nèi)也是名列第一的，近年來我們也吸引到了MAN和SCANIA這樣知名的國際合作伙伴前來深入交流，接下來匯川聯(lián)合動力還將繼續(xù)深度參與國際競爭，力爭成為“中國的博世”。