新能源汽車(chē)區(qū)別于傳統(tǒng)汽車(chē)最核心的技術(shù)在于“三電”,即電池、電機(jī)、電控。目前,由于續(xù)駛里程和安全等問(wèn)題,產(chǎn)業(yè)將大部分關(guān)注點(diǎn)聚焦在電池產(chǎn)業(yè)。而對(duì)直接決定電動(dòng)汽車(chē)爬坡、加速、最高速度等主要性能指標(biāo)的電機(jī)電控等組成的電驅(qū)系統(tǒng),則關(guān)注相對(duì)較少。
那么,目前中國(guó)電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展處于什么階段?發(fā)展的趨勢(shì)和難題又有哪些?
2019年6月26日,國(guó)家863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車(chē)重大項(xiàng)目總體組電機(jī)責(zé)任專(zhuān)家貢俊,在“2019南京創(chuàng)新周新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)地標(biāo)峰會(huì)”上,對(duì)中國(guó)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況進(jìn)行了介紹。
國(guó)家863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車(chē)重大項(xiàng)目總體組電機(jī)責(zé)任專(zhuān)家貢俊
同時(shí),由中國(guó)汽車(chē)研究中心有限公司和電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟主編的《中國(guó)新能源汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2019)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《電驅(qū)動(dòng)發(fā)展報(bào)告》)正式發(fā)布,全面評(píng)估了中國(guó)電驅(qū)動(dòng)的技術(shù)現(xiàn)狀和問(wèn)題。
得益于豐富的稀土資源,中國(guó)成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)大國(guó),且生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)多項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但個(gè)別領(lǐng)域,例如電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成能力,以及SiC器件研發(fā)、制造等領(lǐng)域,與國(guó)外先進(jìn)水平仍存在較大差距。
1、中國(guó)電機(jī)產(chǎn)業(yè)全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化
貢俊認(rèn)為,中國(guó)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)業(yè)具備一定優(yōu)勢(shì)。隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,中國(guó)電機(jī)產(chǎn)業(yè)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈完善,自主電機(jī)始終占據(jù)絕對(duì)份額。目前,僅有少數(shù)乘用車(chē)采用外資企業(yè)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),中國(guó)已經(jīng)形成包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、變速器、電驅(qū)動(dòng)總成、主要關(guān)鍵材料和關(guān)鍵器件在內(nèi)的完整產(chǎn)業(yè)鏈,并實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。
據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),中國(guó)自主配套驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器和電驅(qū)動(dòng)總成比例達(dá)95%以上。中國(guó)新能源汽車(chē)公告中電機(jī)和電機(jī)控制器生產(chǎn)企業(yè)超過(guò)200家,其中前20位的生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品總量占比達(dá)7成以上,市場(chǎng)集中度相對(duì)較高。尤其在商用車(chē)領(lǐng)域基本實(shí)現(xiàn)全部國(guó)產(chǎn)化配套。
中國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出多元化趨勢(shì)。目前以上海電驅(qū)動(dòng)、精進(jìn)電動(dòng)、上海大郡、中車(chē)株洲所、聯(lián)合電子等獨(dú)立的電機(jī)供應(yīng)商為代表,部分產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)出口;以蘇州綠控、南京越博等商用車(chē)動(dòng)力總成為代表的的企業(yè),自主研發(fā)、生產(chǎn)電機(jī)和電控,主要為商用車(chē)配套;另有比亞迪、北汽新能源、長(zhǎng)安、奇瑞、蔚來(lái)等整車(chē)發(fā)企業(yè),通過(guò)自主建設(shè)、合資合作等途徑,研發(fā)、生產(chǎn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
精進(jìn)電動(dòng)三合一電驅(qū)動(dòng)總成
中國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的一半以上。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)企業(yè)的電機(jī)產(chǎn)能已超過(guò)300萬(wàn)臺(tái)(套)。在貢俊看來(lái),中國(guó)已經(jīng)是名副其實(shí)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)大國(guó)。
2、中國(guó)整體電驅(qū)動(dòng)水平與國(guó)際先進(jìn)差距不大
中國(guó)算不算是驅(qū)動(dòng)電機(jī)強(qiáng)國(guó)呢?從性能指標(biāo)來(lái)看中國(guó)電機(jī)并不差。目前,中國(guó)生產(chǎn)的電機(jī)技術(shù)多項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
《電驅(qū)動(dòng)發(fā)展報(bào)告》顯示,中國(guó)自主研發(fā)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系列化產(chǎn)品功率范圍滿(mǎn)足250kW以下各類(lèi)新能源汽車(chē)的需求。在關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面,中國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度、效率與國(guó)際水平基本相當(dāng)。
乘用車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
具體來(lái)看,中國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在功率密度、系統(tǒng)集成度、電機(jī)最高效和轉(zhuǎn)速、繞組制造工藝、冷卻散熱技術(shù)等方面持續(xù)進(jìn)步,與國(guó)外先進(jìn)水平并駕齊驅(qū)。據(jù)貢俊介紹,中國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出功率密度達(dá)到4.5—4.6kW/kg的樣機(jī)和產(chǎn)品,最高轉(zhuǎn)速達(dá)到13000—16000rpm,并實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動(dòng)一體化集成,電機(jī)冷卻方式涵蓋水冷和油冷等多種類(lèi)型。具體企業(yè)方面,精進(jìn)電動(dòng)開(kāi)發(fā)出轉(zhuǎn)矩密度達(dá)20.3Nm/kg的商用車(chē)直驅(qū)電機(jī),北京佩特來(lái)應(yīng)用扁導(dǎo)線(xiàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)了3500Nm外轉(zhuǎn)子直驅(qū)電機(jī),這說(shuō)明中國(guó)高密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)和商用車(chē)電機(jī)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
電機(jī)控制器方面,上海電驅(qū)動(dòng)、上海大郡、中車(chē)時(shí)代等紛紛推出自己開(kāi)發(fā)的車(chē)用IGBT芯片、雙面冷卻IGBT模塊封裝和高功率密度電機(jī)控制器,這也說(shuō)明中國(guó)高密度電機(jī)控制器的水平正在迅速趕超國(guó)際先進(jìn)水平。例如,上海大郡聯(lián)合上海道之研發(fā)出采用雙面水冷結(jié)構(gòu)、輸入功率達(dá)到260kW,電機(jī)控制器功率密度達(dá)到23.5W/L的雙電機(jī)控制器。該產(chǎn)品與博世的雙電機(jī)控制器相比,功率密度指標(biāo)相當(dāng)。
貢俊認(rèn)為,在中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)比較明顯,這主要得益于中國(guó)稀土儲(chǔ)備量大。
不過(guò),很多企業(yè)也試圖擺脫電機(jī)對(duì)稀土的依賴(lài)。以豐田、通用為代表的的國(guó)外企業(yè)開(kāi)始研究采用混合磁體(含鐵氧體等)部分替代釹鐵硼材料的可能性,并研發(fā)出樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證;低含量重稀土永磁材料已經(jīng)在本田雅閣等新能源汽車(chē)上實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。
麥格納電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)
3、輪轂電機(jī)、48V也是熱點(diǎn)
電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中的一些熱點(diǎn)方向也值得關(guān)注,例如輪轂電機(jī)和48V系統(tǒng)。
在貢俊看來(lái),輪轂電機(jī)是新能源永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要發(fā)展方向,但距離大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路要走。中國(guó)部分高校、科研院所、車(chē)企都加大了對(duì)輪轂電機(jī)的研發(fā)投入。國(guó)內(nèi)采用輪轂電機(jī)的典型企業(yè)為比亞迪,其已經(jīng)成功研發(fā)輪轂電機(jī)(輪邊電機(jī))在客車(chē)上。
但輪轂電機(jī)目前存在集成優(yōu)化設(shè)計(jì)難度大、功率密度性能要求高等問(wèn)題,在商用車(chē)和特種車(chē)上的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始起步,但在高速乘用車(chē)上應(yīng)用仍然需要較長(zhǎng)時(shí)間。
輪轂電機(jī)
此外,48V BSG集成一體化總成因具有較高的性?xún)r(jià)比,受到國(guó)外多個(gè)動(dòng)力總成集成商的關(guān)注,如大陸、博世、法雷奧、馬瑞利、韓國(guó)LG等已經(jīng)推出了48V BSG樣機(jī)?!峨婒?qū)動(dòng)發(fā)展報(bào)告》顯示,大陸、博世、法雷奧已經(jīng)具備48V系統(tǒng)集成能力(BSG+電池+DC/DC),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)裝車(chē)測(cè)試和小批量試制,燃油效率提升幅度高達(dá)12%—15%。
據(jù)貢俊介紹,中國(guó)48V BSG總成水平基本與國(guó)外相當(dāng),在48V BSG、DC/DC變換器和48V動(dòng)力電池等關(guān)鍵零部件領(lǐng)域已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化能力。但在集成能力方面,中國(guó)仍然需要聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
4、高功率半導(dǎo)體對(duì)外依存度高碳化硅器件差距較大
當(dāng)然,中國(guó)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也存在一定短板。
首先,行業(yè)對(duì)國(guó)產(chǎn)電力電子器件缺乏認(rèn)同。貢俊認(rèn)為,全球高功率半導(dǎo)體仍然被國(guó)外企業(yè)占據(jù)。由于新能源汽車(chē)中IGBT等大功率電力電子器件,一般預(yù)期壽命在20年以上,功率循環(huán)上萬(wàn)次甚至百萬(wàn)次以上,且需要在不同的環(huán)境和氣候下工作,因此,其對(duì)性能和可靠性要求都非常嚴(yán)格,國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)都采用進(jìn)口產(chǎn)品。有數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)市場(chǎng)需求的新能源汽車(chē)IGBT電子產(chǎn)品大約90%都需要進(jìn)口,主要來(lái)源地為歐美及日本。
其次,中國(guó)在SiC(碳化硅)材料及器件方面的技術(shù)研究起步晚,與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大。不過(guò),國(guó)內(nèi)很多科研院所已經(jīng)開(kāi)始研究,并取得一些進(jìn)展?!峨婒?qū)動(dòng)發(fā)展報(bào)告》顯示,中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所、中車(chē)株洲所、比亞迪、北京泰科天潤(rùn)等已經(jīng)開(kāi)展SiC功率器件的研究。泰科天潤(rùn)已向市場(chǎng)提供1200V產(chǎn)品,中車(chē)時(shí)代電器以開(kāi)發(fā)出1700 Si IGBT+SiC Diode 的混合模塊樣品。
SiC功率器件
目前,SiC器件所面臨的挑戰(zhàn)是成本太高:材料制備成本高;大批量制造工藝不成熟,導(dǎo)致成品率較低。預(yù)計(jì)2—3年后,SiC MOSFET器件的制造工藝將趨于成熟,SiC器件應(yīng)用也將趨于優(yōu)化。
國(guó)際上老牌系統(tǒng)總成廠(chǎng)商的集成能力非常強(qiáng),優(yōu)勢(shì)明顯?!耙源箨?、麥格納、吉?jiǎng)P恩、西門(mén)子等企業(yè)為代表的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成商推出了電驅(qū)動(dòng)一體化總成產(chǎn)品,包括電力電子與驅(qū)動(dòng)電機(jī)級(jí)減速器總成,逐步成為乘用車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要應(yīng)用類(lèi)型?!必暱≌f(shuō)道。
在貢俊看來(lái),中國(guó)電機(jī)生產(chǎn)成本居高不下。這主要是由于中國(guó)電機(jī)定制化的產(chǎn)品比較多,盡管一部分東西可以通用化、模塊化,但是產(chǎn)品外觀(guān)并不相同,這樣對(duì)于具有一定水準(zhǔn)的工程師要求較高,這也提升了人力資源成本。
對(duì)于上述問(wèn)題,貢俊建議,第一,要發(fā)揮頂層設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì),加大研發(fā),推進(jìn)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程;第二,加快新技術(shù)研發(fā)和革新,持續(xù)提升中國(guó)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力;第三,要開(kāi)展多種形式的全球領(lǐng)域的合資合作,輸出比較優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè),推動(dòng)中國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。(完)