中國汽車技術(shù)研究中心從2013年開始主編《新能源汽車藍皮書——中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》),在社會科學文獻出版社出版,至今已是連出7版。
《新能源汽車藍皮書》,是值得推薦的研究中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的常備參考書。《電動汽車觀察家》獲得了社會科學文獻出版社授權(quán),可以對《新能源汽車藍皮書——中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2019)》部分進行連載。借著國慶7天長假機會,我摘選了7篇好文,1天1篇,供有心者分享。本書可以通過識別下圖的二維碼進入購買鏈接,或者點擊文尾的 閱讀原文 按鈕進入購買鏈接。![]()
車用驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)貢俊,研究員級高級工程師,上海電驅(qū)動股份有限公司總經(jīng)理,科技部“十三五”新能源汽車重點研發(fā)專項總體組專家;張舟云,博士,教授級高級工程師,上海電驅(qū)動股份有限公司副總經(jīng)理兼總工程師。2018年我國驅(qū)動電機產(chǎn)品技術(shù)向集成化、高效化方向發(fā)展,驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大。我國推出了各類三合一電驅(qū)動總成并實現(xiàn)量產(chǎn)配套,高效高密度驅(qū)動電機、電機控制器的功率密度達到國際先進水平,自主車規(guī)級絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)器件實現(xiàn)整車應(yīng)用,第三代寬禁帶半導體器件(SiC/GaN)推出了樣品。在輪轂電機方面,我國通過合資并購與自主研發(fā),實現(xiàn)了前期布局;48V BSG總成產(chǎn)品及48V系統(tǒng)應(yīng)用進一步拓展,我國新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的自主創(chuàng)新能力持續(xù)提升。關(guān)鍵詞:三合一電驅(qū)動總成IGBT器件碳化硅器件 輪轂電機 48V BSG總成驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展情況(一)行業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大,推動產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù),2018年我國新能源汽車產(chǎn)銷量分別完成127萬輛和125.6萬輛,較上年同期分別增長59.9%和61.7%,連續(xù)多年保持高速增長。驅(qū)動電機是新能源汽車核心關(guān)鍵部件,我國車用驅(qū)動電機系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)伴隨國家新能源汽車同步快速發(fā)展。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù),我國驅(qū)動電機及電機控制器市場規(guī)模已達107.9億元,同比增長62.5%。從多年來我國新能源汽車主要配套供應(yīng)商分布看,我國自主驅(qū)動電機始終占據(jù)絕對份額,僅有少數(shù)幾個乘用車車型采用外資企業(yè)提供的驅(qū)動電機系統(tǒng),我國已經(jīng)形成了驅(qū)動電機、電機控制器、減/變速器、電驅(qū)動總成、主要關(guān)鍵材料和關(guān)鍵器件的完整產(chǎn)業(yè)鏈。以中汽協(xié)2018年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例,我國驅(qū)動電機、電機控制器和電驅(qū)動總成的自主配套比例達到95%以上。從產(chǎn)業(yè)規(guī)???,我國新能源汽車公告中驅(qū)動電機和控制器生產(chǎn)企業(yè)達到200余家,前20位生產(chǎn)企業(yè)的驅(qū)動電機和控制器產(chǎn)品占總量的比例達到70%以上;在新能源公交客車、純電動卡車和純電動物流車應(yīng)用領(lǐng)域,全部為國產(chǎn)零部件配套。特別值得指出的是,深圳比亞迪通過自主產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展及整車配套,連續(xù)多年在驅(qū)動電機和控制器市場中處于領(lǐng)先地位;同時,我國多家整車企業(yè)如北汽新能源、一汽新能源研發(fā)院、長安新能源科技、蔚來汽車等形成了自主的產(chǎn)品設(shè)計能力,通過委托制造、合資合作、自主制造等多種方式,快速提升電驅(qū)動系統(tǒng)能力。(二)產(chǎn)品品質(zhì)不斷提升,集成化成為主流集成驅(qū)動電機、電機控制器和減速器的三合一總成產(chǎn)品成為行業(yè)發(fā)展的重點產(chǎn)品。2018年,我國多家企業(yè)紛紛推出各種應(yīng)用于乘用車的三合一總成,上海電驅(qū)動、精進電動、中車時代、匯川技術(shù)、上海大郡、巨一自動化、深圳比亞迪、蔚來汽車、華為技術(shù)等均開發(fā)了集成電機、控制器和減速器的一體化總成,總成峰值功率90~160kW,總成輸出轉(zhuǎn)矩3200~3900Nm,總成輸出轉(zhuǎn)速1200~1500rpm,產(chǎn)品集成從簡單的物理集成逐步發(fā)展成機-電-熱深度集成,并表現(xiàn)出良好的NVH性能。在高速減速器方面,我國重慶青山、株洲歐格瑞、上海汽車變速器等已開發(fā)出最高轉(zhuǎn)速12000~16000rpm的高速減速器。其中,上海汽車變速器開發(fā)的16000rpm高速減速器聯(lián)合博世,為大眾MEB電動化平臺進行配套。同時,我國也開發(fā)出應(yīng)用于純電動乘用車的兩擋和多擋變速器總成,我國高速減速器技術(shù)和產(chǎn)品正在快速追趕國外先進水平。在插電式乘用車領(lǐng)域,上汽捷能、長安新能源科技、廣汽新能源、吉利汽車等紛紛推出了自主的機電耦合集成產(chǎn)品,并紛紛投產(chǎn),我國新能源汽車動力總成產(chǎn)業(yè)鏈的自主創(chuàng)新能力持續(xù)增強。(三)IGBT取得關(guān)鍵性突破,產(chǎn)業(yè)布局逐步完善2018年,深圳比亞迪微電子、嘉興斯達微電子、株洲中車時代電動等企業(yè)紛紛開發(fā)出自主的車用IGBT芯片、雙面冷卻IGBT模塊封裝和高功率密度電機控制器。經(jīng)過多年的持續(xù)研發(fā)與驗證,我國已經(jīng)陸續(xù)突破了溝槽柵場終止型IGBT芯片設(shè)計和制造、模塊封裝設(shè)計和制造、大功率器件測試應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)與工藝,在產(chǎn)品性能和封裝水平方面與國外同類產(chǎn)品相當,我國車規(guī)級IGBT已經(jīng)開始在新能源汽車領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。同時,上汽集團與英飛凌合資的無錫工廠順利開工,為國內(nèi)新能源汽車進行IGBT器件配套生產(chǎn)。國內(nèi)外驅(qū)動電機典型技術(shù)進展利用IGBT雙面冷卻芯片和電力電子高效集成技術(shù),提升集成度、功率密度和效率成為電機控制器的重要發(fā)展方向;低阻大電流碳化硅芯片發(fā)展迅速,雙面焊接SiC封裝及全SiC電機控制器開始在新能源汽車應(yīng)用;高效高密度是乘用車電機明確的發(fā)展方向,三合一電驅(qū)動總成已成為乘用車驅(qū)動系統(tǒng)主流;扁導線繞組工藝成為提升轉(zhuǎn)矩和功率密度以及效率的有效手段,低重稀土永磁材料、高磁感低損耗無取向硅鋼等新型材料已開始應(yīng)用。(一)IGBT器件性能持續(xù)提升,高效冷卻與高效散熱是主流在IGBT器件及控制器方面,芯片大電流與集成電流溫度元胞檢測、芯片雙面焊接單/雙面冷卻、系統(tǒng)級封裝是當前國外電機控制器主流封裝形式。在IGBT芯片方面,以富士為代表,采用RC-IGBT技術(shù)(逆導型IGBT)推出了集成芯片電流和結(jié)溫檢測的IGBT芯片及集成高效冷卻結(jié)構(gòu)的封裝模塊(見圖1a),可大幅度提升芯片電流能力的近限利用;英飛凌利用銀漿燒結(jié)技術(shù)和高效導熱基板技術(shù),采用相同的IGBT芯片和封裝模塊尺寸(見圖1b),提升芯片電流能力達到30%以上;丹佛斯采用獨特的Waveflow(波浪流動)冷卻技術(shù),結(jié)合銀漿燒結(jié)工藝與高效導熱基板材料,推出了系列化的芯片雙面焊接單面冷卻的IGBT模塊(見圖1c),模塊電流與功率密度大大提升。![]()
日本電裝、德國博世、大陸等采用電力電子系統(tǒng)級封裝集成技術(shù),研制的電機控制器產(chǎn)品功率密度達16~24kW/L以上。我國電機控制器經(jīng)過近三年科技項目支持和企業(yè)持續(xù)自主創(chuàng)新,開發(fā)了基于芯片雙面焊接技術(shù)的高功率密度電機控制器,控制器的功率密度指標與國外同類產(chǎn)品相近。另外,在高性能乘用車應(yīng)用領(lǐng)域,如特斯拉、保時捷等提出了直流800V電壓平臺,我國也設(shè)立了專項對800V系統(tǒng)從整車、動力系統(tǒng)、充電等多方面進行可行性研究。關(guān)于800V電壓制式,因為涉及充電基礎(chǔ)設(shè)施、車載充電機的配置比例等多種條件,目前仍無法判斷其技術(shù)方向和市場規(guī)模。(二)碳化硅芯片器件、集成開始在新能源汽車裝車應(yīng)用在碳化硅器件研發(fā)方面,有以Cree為代表的平面型900V/196A SiC DMOS,以羅姆為代表的雙溝槽650V/118A SiC UMOSFET和以英飛凌為代表的單側(cè)溝槽1200V/93A SiC UMOSFET。我國中電五十五所、中車、西安電子科技大學、中科院微電子所分別研制出1200V/50A SiC DMOSFET器件,在大電流SiC芯片產(chǎn)品化方面正在加速追趕。在碳化硅模塊封裝方面,平面型雙面焊接封裝結(jié)構(gòu)和高溫封裝材料的應(yīng)用使模塊熱阻大幅度降低,600V/100A SiC MOS模塊結(jié)溫可達225℃;豐田、安川推出全SiC PCU,樣車在工況下較IGBT PCU損耗降低30%;我國中車、電工所推出了1200V/400A Pinfin封裝結(jié)構(gòu)SiC模塊,在封裝結(jié)構(gòu)和焊接材料封面領(lǐng)域取得進展。法國Yole公司預測,2018年后SiC器件將開始應(yīng)用于電動汽車大功率電機驅(qū)動領(lǐng)域,特斯拉、豐田率先在新能源汽車上實現(xiàn)全碳化硅器件控制器應(yīng)用。電裝采用雙面焊接與雙面冷卻集成技術(shù),實現(xiàn)了全SiC控制器的小型化和高效化,在豐田燃料電池汽車上開始應(yīng)用。特斯拉采用標準SiC器件并聯(lián)方式,研制的全SiC電機控制器,實現(xiàn)了大電流輸出(800Arms)。我國中科院電工所、比亞迪、精進電動等研制了SiC電機控制器樣機。其中,電工所研制了基于HP1模塊封裝和集成冷卻的膜電容器,研制出功率密度達到37.1kW/L的電機控制器,性能指標達到國際先進水平。典型全SiC電機控制器如圖2所示。![]()
(三)高效高密度是驅(qū)動電機技術(shù)方向,扁導線定子擴大應(yīng)用在高密度驅(qū)動電機方面,國外如大眾、沃爾沃、克萊斯勒等驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速不斷提升,最高達到14000~16000rpm;特斯拉Model 3電機進一步將轉(zhuǎn)速提升至17900rpm,并實現(xiàn)了與減速器一體化冷卻。我國驅(qū)動電機功率密度、效率等整體技術(shù)提升很快,技術(shù)水平與國外同類產(chǎn)品相當。從驅(qū)動電機定子繞組結(jié)構(gòu)上看,發(fā)卡式繞組/扁導線繞組因具有高槽滿率和低直流電阻,在中低速運行區(qū)域相對于圓導線電機具有效率優(yōu)勢,成為乘用車驅(qū)動電機明確的技術(shù)方向之一。我國華域電動、精進電動、匯川技術(shù)、松正電機、上海電驅(qū)動等多家企業(yè)研制了發(fā)卡式繞組的乘用車驅(qū)動電機樣機,其中華域電動采用發(fā)卡式繞組電機應(yīng)用于上汽EDU 2代PHEV和純電動轎車,率先實現(xiàn)了量產(chǎn);精進電動研制了發(fā)卡式繞組乘用車電機樣機,功率密度達到4.4kW/kg以上。典型扁導線定子如圖3所示。![]()
在商用車電機方面,水冷直驅(qū)永磁電機的峰值轉(zhuǎn)矩密度達到20.0Nm/kg(60s),額定轉(zhuǎn)矩密度達到11.5Nm/kg,峰值效率達到96.5%,并批量化生產(chǎn)及裝車;佩特來電驅(qū)動研制出采用扁導線定子的外轉(zhuǎn)子直驅(qū)電機,輸出轉(zhuǎn)矩達到3500Nm,并實現(xiàn)量產(chǎn);松正電機、菲仕電機等研制出扁導線定子直驅(qū)電機樣機,并進行樣車試驗。典型樣機如圖4所示。![]()
在驅(qū)動電機材料方面,我國采用納米粒子與漆包線漆基體樹脂的復合技術(shù),解決了納米粒子在漆包線漆基體樹脂中難分散的技術(shù)瓶頸,制備出耐電暈漆包線漆和耐電暈漆包銅圓線。運用球形的納米級二氧化硅對聚酯亞胺浸漬樹脂進行改性,制備出納米粒子改性聚酯亞胺浸漬樹脂,性能指標超過國外同類產(chǎn)品。同時,采用低重稀土永磁體晶界滲透工藝,減少重稀土含量,性能指標與釹鐵硼永磁體相當。在高性能硅鋼片方面,我國研制了0.2~0.3mm系列化硅鋼片,導磁和鐵耗等性能較同類產(chǎn)品有所提升,特別掌握了溫度對硅鋼產(chǎn)品磁性和機械性能的影響,提升了電機精細化設(shè)計水平。(四)三合一電驅(qū)動總成產(chǎn)品持續(xù)優(yōu)化,成為乘用車主流應(yīng)用在三合一電驅(qū)動總成方面,以大陸、麥格納、吉凱恩、博世、采爾福、日本電產(chǎn)等為代表的電驅(qū)動系統(tǒng)集成商推出了電驅(qū)動一體化總成產(chǎn)品,成為乘用車驅(qū)動系統(tǒng)主要應(yīng)用類型。我國上海電驅(qū)動、精進電動、中車時代、巨一自動化、比亞迪、上汽等均推出了三合一集成電驅(qū)動總成系統(tǒng)。其中上海電驅(qū)動125kW三合一總成系統(tǒng)率先實現(xiàn)了在長安EV460電動汽車批量應(yīng)用,比亞迪元EV360、廣汽Aion S等純電動乘用車也開始批量上市。典型電驅(qū)動總成如圖5所示。![]()
(五)輪轂電機合資并購加快,行業(yè)關(guān)注熱度持續(xù)提升在輪轂電動輪總成方面,國外報道了多種電動輪集成方式,均采用水冷結(jié)構(gòu),部分樣機集成了電力電子控制器模塊,具有高轉(zhuǎn)矩密度和集成度。繼浙江萬安、威孚高科、泰特電機之后,廣州恒大先后收購了荷蘭e-Traction 70%股權(quán)、英國Protean 100%股權(quán),布局商用車和乘用車輪轂電機技術(shù)。e-Traction應(yīng)用于商用車的直驅(qū)輪轂電機最大轉(zhuǎn)矩6000Nm,峰值功率182kW,電機質(zhì)量500kg,轉(zhuǎn)矩密度達到13.6Nm/kg;Protean第四代輪轂電機輸出轉(zhuǎn)矩達到1250Nm,峰值功率80kW,電機重量36kg,具有很高的集成度。典型輪轂電機如圖6所示。![]()
(六)48V BSG總成完成產(chǎn)品開發(fā),48V技術(shù)進一步拓展在48V BSG集成一體化總成方面,國外大陸、博世、法雷奧、馬瑞利等已經(jīng)推出了48V BSG樣機,包括混合勵磁爪極電機、永磁同步電機和交流異步電機等多種形式,冷卻方式有水冷和風冷兩類。我國上海電驅(qū)動完成了風冷異步48V BSG總成產(chǎn)品開發(fā)驗證,并即將實現(xiàn)量產(chǎn)配套,產(chǎn)能達到247萬臺/套。除了P0構(gòu)型外,大陸、博世、法雷奧、麥格納均推出了大功率48V驅(qū)動電機系統(tǒng),與變速器進行集成。其中,法雷奧、德爾福推出48V P1構(gòu)型為戴姆勒配套,法雷奧、聯(lián)合電子等推出48V驅(qū)動電機總成及電機與減速器總成(見圖7b、7c),應(yīng)用于混合動力乘用車。相比于48V P0系統(tǒng),這類構(gòu)型對48V系統(tǒng)的輸出功率、電流能力、轉(zhuǎn)矩能力均提出了更高的要求,并帶來更高的節(jié)油率貢獻。![]()
1.行業(yè)對國產(chǎn)電力電子器件缺乏認同,器件應(yīng)用需加快推進目前,絕大部分電力電子芯片市場被國外幾家芯片巨頭占據(jù),國產(chǎn)化芯片實際市場應(yīng)用較少。我國已經(jīng)研制出性能和國外同類產(chǎn)品相當?shù)?/span>IGBT器件產(chǎn)品,但整車企業(yè)普遍因為器件驗證不足而不能接受國內(nèi)器件。前期出現(xiàn)了英飛凌全球半導體器件供貨緊張狀態(tài),中國市場供貨量受到大幅度削減,如果不能推動國產(chǎn)化器件應(yīng)用,將始終難以確保我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。2.我國碳化硅器件與國外先進水平差距較大,測評方法缺乏在碳化硅芯片研究和產(chǎn)品開發(fā)方面,國外采用4英寸或者6英寸晶圓制造的芯片已達到100A及以上,我國多采用4英寸晶圓,器件電流等級為25~50A。面對技術(shù)差距及行業(yè)需求,我國需要在碳化硅器件結(jié)構(gòu)研發(fā)、高溫封裝材料和關(guān)鍵工藝技術(shù)方面大量投入,進一步開發(fā)提高器件電流密度的各項技術(shù)手段,并獲得成熟、可靠應(yīng)用的工作需緊迫開展。同時,業(yè)界普遍缺乏碳化硅模塊高溫特性的標準評測方法和相關(guān)準則。為了搶占第三代半導體行業(yè)的制高點,需要加快推動我國第三代寬禁帶半導體器件標準體系建設(shè),解決我國新一代半導體芯片和模塊的“卡脖子”問題。3.面向未來技術(shù),我國電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新步伐需要加快2017年,美國DOE發(fā)布了面向2025年電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展路線圖,提出2025年電機驅(qū)動控制器功率密度要達到100kW/L,電機功率密度達到50kW/L,其中控制器功率密度指標遠遠超過我國2020年36kW/L的指標。據(jù)分析,DOE相關(guān)指標主要來源于電動汽車對電機驅(qū)動系統(tǒng)功率密度等的需求,而非當前技術(shù)可預期的目標。需要組織我國電驅(qū)動行業(yè)優(yōu)勢資源,加快就電機驅(qū)動系統(tǒng)可能出現(xiàn)的如超級導線等“黑科技”開展科學研究。4.持續(xù)降成本依然是我國驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)近年來,國家補貼政策持續(xù)退坡,整車企業(yè)對驅(qū)動電機企業(yè)提出了更低的目標價格要求,特別在商用車領(lǐng)域,新進電機企業(yè)出現(xiàn)了非理性的價格競爭。同時,鋼材、稀土等原材料價格出現(xiàn)了較大的波動,國際功率半導體器件出現(xiàn)了一定程度的供貨緊張。這些綜合因素使得我國主要驅(qū)動電機企業(yè)的利潤均出現(xiàn)了大幅度降低。如何持續(xù)提升產(chǎn)品性能,保持國際先進水平,持續(xù)降低產(chǎn)品成本依然是我國驅(qū)動電機企業(yè)需要解決的主要問題。同時,隨著國家放開對合資企業(yè)的股比限制,更多的國外整車企業(yè)、動力總成或驅(qū)動電機企業(yè)將通過合資合作方式進入中國,我國新能源汽車市場多樣化將更加明顯,產(chǎn)業(yè)和資源的競爭會繼續(xù)加劇。1.發(fā)揮頂層設(shè)計優(yōu)勢,加大研發(fā)投入,推進我國半導體器件產(chǎn)業(yè)化進程近期,我國正在開展節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0版修訂工作,電驅(qū)動系統(tǒng)作為獨立的領(lǐng)域成為一個主要研究方向。第三代寬禁帶半導體器件是下一代電驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵核心器件。我國需要發(fā)揮頂層設(shè)計優(yōu)勢,通過多個部委聯(lián)動和項目設(shè)置,持續(xù)加大研發(fā)投入,在器件設(shè)計技術(shù)、外延材料、關(guān)鍵工藝、關(guān)鍵裝備、生產(chǎn)線等方面加大投資力度,吸引更多的優(yōu)勢企業(yè)投入該行業(yè),推動第三代寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)化。2.加快新技術(shù)研發(fā)與革新,持續(xù)提升我國電驅(qū)動產(chǎn)業(yè)的競爭力對于我國電驅(qū)動研發(fā)與生產(chǎn)企業(yè),一是要通過持續(xù)技術(shù)攻關(guān)與工藝突破,提升原材料利用率和產(chǎn)品技術(shù)水平,降低電機及控制器材料成本。二是要加快我國自主材料和器件應(yīng)用驗證,特別在功率半導體領(lǐng)域,營造一個鼓勵國產(chǎn)IGBT器件制造商自主開發(fā)汽車用產(chǎn)品的環(huán)境,呼吁我國整車企業(yè)給國內(nèi)功率器件更多裝車驗證和示范應(yīng)用機會,鼓勵整車廠指導并為國產(chǎn)IGBT的應(yīng)用創(chuàng)造條件。同時,通過加快驗證和技術(shù)迭代,增強我國電驅(qū)動系統(tǒng)的抗風險和自主創(chuàng)新能力。三是要通過產(chǎn)品的平臺化和通用化,提升單個產(chǎn)品的產(chǎn)能,降低制造和管理成本。針對細分市場和產(chǎn)品,持續(xù)增加研發(fā)和制造投資,開發(fā)有競爭優(yōu)勢的高性價比產(chǎn)品。3.開展多種形式的合資合作,推動我國驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展2019年已經(jīng)實施的雙積分政策和2020年油耗法規(guī)限值政策,促使我國本土整車企業(yè)和合資企業(yè)均加快了在新能源汽車產(chǎn)業(yè)的布局。建議重點做好補貼退坡策略及政策的延續(xù)性工作,一方面注重補貼資金的延續(xù)和遞減的合理性,并注重不同地區(qū)的特征和發(fā)展差異,同時制定有效的中長期保障措施,減輕企業(yè)壓力,減少市場沖擊和波動;另一方面國家補貼政策應(yīng)由整車向核心零部件轉(zhuǎn)移,核心零部件產(chǎn)業(yè)更需要培育和扶持,以更好地保證整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。(完)
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