
陳主任,丁院士,各位專家,大家好!
我匯報的題目是“聚焦電力電子,突破電動汽車電機驅動系統核心技術”。我的報告分三個部分,首先簡單介紹一下電動汽車對我們電機驅動系統有那些需求。我們都知道電機驅動系統是把電池的電能轉化為機械能的關鍵部件,它的性能直接決定了我們整車的性能,所以說它跟電池、電控一樣是支撐我們電動汽車技術體系的三項關鍵共性技術之一。
整體對我們電機驅動系統提出的要求,首先,高性能,效率要高,高功率轉矩密度,良好的性能確實是能夠保證車輛的動力性和操控性,同時增加車輛續駛里程。從可靠性、安全性方面,直接影響到車輛的可用性和用戶的接受程度。低成本,現在提的非常高的一個指標,直接影響到我們汽車的產業化進程和我們客戶購買率。這是整車對我們電力系統提出的要求。
目前我們國內的電動汽車電機驅動系統的現狀,從整車來說,我們去年的產銷量分別是50多萬輛,排名世界第一,到2020年我們總的產量將會達到200萬輛,我們國產的車輛主要還是與我們國產的電機驅動系統配套的,這點也是值得我們這行驕傲的。但是我們都知道,電機控制器里頭所用的關鍵核心部件IGBT,還有一些軸承,這些部件大部分還是有賴于進口。
第二部分,談一下國內外電動汽車電機驅動系統的發展現狀。總的來說,電機驅動系統是向著高效率、高轉矩、高功率密度以及高集成度這個方向發展的,整個階段經歷了從分離式、到集成式到現在的機電一體化和高度集成的發展。基于這個要求,對我們電機控制器和電機方面的材料、器件和我們的熱管理、控制技術都提出了更高的要求。從控制器來看我們的發展分這么幾個階段,第一個是傳統模塊,第二個階段是汽車級模塊,第三四個階段基本上過渡到定制化的模塊,還有多功能單元集成化、機電集成這么一個階段,我們下一階段就開展一些新材料、深度集成方向發展的。國內來看我們的產品四個階段都有,但是新的階段我們正在開發。從國外來看,國際上第一階段現在已經拋棄了,多半處在二、三、四階段和下一階段的研發當中。
IGBT器件的發展趨勢,從鍵合方式和引線發展來看,國際公司采用定制封裝汽車級IGBT,我們國內采用標準封裝IGBT。
談到器件,談到下一階段的新型器件,目前以硅基為基礎的IGBT器件,它的耐壓頻率等等已經發展到一定程度、受到一定限制,所以新型的材料,像碳化硅、氮化鎵新型材料的器件就應運而生,相對于硅基材料來說碳化硅有什么好處,工作電壓是比較高的,大概20kv,更高工作溫度和抗輻射能力,更高工作頻率,提高能量變換效率,能夠實現系統的高溫、高效和高速運行。
目前碳化硅的半導體器件國內外研發現狀可以看,國內碳化硅基礎已經起步,像我們中車株洲所、電工所等等都已經開始做研究,國家也設了一些課題。目前可以看,芯片模塊來看,國內像科銳、羅姆都有相應的產品,采用碳化硅的電機控制器,豐田和三菱已經到了路試階段,我們國內目前還是小批量的樣機產品,還出于這種研發階段,這就是主要的產品。
電機的發展,也是經歷了這么一些階段,從最初的采用異步風冷、永磁水冷,到現在各種導體形式,包括油冷的、矩形導體,還有異步、鑄銅轉子電機的,這些技術都在進步,目前還是朝著永磁化、高速化、集成化方向發展,現在電機和減速箱的集成,電機和控制器包括三合一這種方式,還有分散式驅動的輪轂電機還有輪邊電機,都在研發當中。
車用電機方面,實際上剛才講到新型器件的誕生,碳化硅器件,它的頻率高了,實際上對電機來說也提出了一個新的要求,你這個高頻情況下損耗,如何適應這種高頻下的工作狀況,對我們電機的材料,包括結構設計,一些控制算法也提出了新的要求,現在新材料、新結構、新技術都在同步進行。
我們看一看國內外的對比,應該說國產的電機驅動系統、電機基本驅動性能是跟國外的相差不太大,基本技術性能可以滿足我們的生產要求,但是在一些防護技術,噪聲振動,電磁兼容,可靠性、耐久性方面,我們產品的程度還是有些參差不齊,跟整車的需求還有一定的距離,所以我們科技部重大專項,高效輕量化、高性價比的電機技術產業化這個課題已經設立,是由我們精進電動擔任這個課題的項目牽頭單位。
下面的表格可以看,通過指南的要求到2020年完成,基本上跟國際先進水平不會有大的差別。
后面跟各位報告一下目前我們中車株洲所做的一些工作。我們中車株洲所是中車的一級子公司,1959年成立,去年產值是310億,其中汽車板塊產值達到了100億。我們2010年開始,通過把軌道交通核心技術向電動汽車領域進行拓展,目前已經形成了從器件到模塊,到總成以及到電機驅動系統,包括昨天我們看到新能源整車,我們是這么一個完整的產業鏈。
我們中車株洲所下屬的三個業務單元來從事跟電動汽車相關的一些業務,比如說中車時代電動,是商用車整車動力車系統,還有功率半導體器件及乘用車電機驅動系統,還有電機制造,這是我們三個業務單元從事這些工作。
我們整個系統發展也是從2010年開始承擔863項目,到小批量的制作、生產到“十城千輛”,一直到完成幾代產品的開發,目前我們驅動系統的產品可以說形成了兩類平臺,一個是乘用車的,像這個乘用車DM11在外面可以看到,乘用車三合一電機控制器已經實現了SOP,我們TP5商用車,昨天發布的八合一高度集成的控制器已經批量生產。從控制器的產業化能力來說,我們現在有兩條專業化生產線,一條是商用車,一條是乘用車,年產可以達到10萬臺,我們目前正在建設一個50萬臺電機控制器的制造基地,這是下邊我們廠房內部的圖片。
我們電機方面,株洲電機中試基地還有襄陽制造基地,襄陽目前的規劃和產能達到每年20萬臺。總的來說,我們在驅動系統方面還形成了部件級、總成級、系統級的完善實驗體系,我們這個實驗室通過了國家認定為CNAS的認可,成為新能源汽車領域專業試驗檢測基地,能力都還是完全具備的。
我們的技術路線,一種是基于通用IGBT模塊技術路線開發,一種是基于定制IGBT芯片高級程度的技術路線,這兩種技術路線的控制平臺都是統一的。
我們IGBT的模塊控制器,開發了基于定制標準的功率等級,從55千瓦到140千瓦,目前功率密度可以達到20千瓦/升。另外一種基于定制芯片的控制器,目前我們功率密度可以高27千瓦/升,這個是采用雙面水冷、雙電機控制器,這個產品外邊也有,可以看得到的。
這是乘用車系列的一些電機,現在都處于在B樣和A樣的階段。我們還和國外一家公司合作開發了一款一體化集成的系統,這個就是把控制器、變速箱、電機整個集成在一塊,這是具體的技術參數,將來這種集成式的我們認為是發展方向之一,還可以減少一些線束、管線等問題。
這里重點講一下我們的TP5系統,昨天發布會我們也看到了,外邊有這個產品。這個產品目前是能夠適用于純電、增程插電、無軌電車、燃料電池等產品,覆蓋的車輛從6米—18米,目前來說是一種高性能、高性價比商用車系統的綜合解決方案,這個產品從TP1一直到TP5的發展,從最早的異步永磁共存分離式,到現在永磁為主,包括控制的集成,加上網聯化、智能化這個產品,應該是現在我們推向市場的一個主打產品。具體的八合一都有那些呢?雙電機控制器、雙DC/AC、DC/DC電源、整車控制、絕緣檢測、高壓配電,這八項功能都集成在一塊了,控制板也是集成的,控制算法包括一些散熱,統一處理,應該說做的我們自己還是非常滿意的。這個產品的一些具體指標,相對于TP4來說,我們的體積重量大幅下降,成本也下降了20%,目前這個產品下半年大概有幾十萬臺的訂單。商用車的電機,有高速電機,包括無軌電車的電機,前面跟它配套的。
下邊我再給大家匯報一下我們的核心部件IGBT這方面的研發情況。從產業化能力來看,我們從業務領域,我們是覆蓋了從IGBT、IGCT、碳化硅、功率組建、晶體管等領域,產品布局來看我們有4英寸、6英寸、8英寸的生產線,我們有林肯研發基地包括這里的研發中心,還有具備這些重點實驗室、理事長單位的資質。我們現在從事半導體產業的員工有1100多人,其中技術人員有400多人,境外員工有330多人。
我們電力電子是這樣一個簡單的歷程,從這個發展歷程可以看,從1964年開始,我們自己開始研發大功率的半導體器件,一直到2008年并購了Dynex公司以后我們進入了IGBT領域,這是幾個重要的里程碑階段,我們開始IGBT進入地鐵和機車的市場。到2014年我們自主研發了IGBT的芯片與模塊,已經批量應用我們的軌道交通。目前為止我們的IGBT產品已經覆蓋了從650V到6500V全電壓系列的范圍,實現了出口。
現在到2017年,我們已經實現了從工業級到定制化汽車級封裝技術的突破,具備了汽車IGBT模塊的設計封裝測試的完整體系。芯片的性能,通過對比我們看,達到國際先進水平,并且根據市場的需求提供一些定制化的新品產品。
還形成了我們碳化硅器件的完整技術開發平臺,具備了碳化硅SBD和MOSFET等器件的研發制造能力,目前我們也牽頭執行國家的重點研發計劃、寬禁帶半導體電機控制器開發及產業化的課題。
這里還介紹幾種芯片產品,我們的這個產品開發出來是三款汽車級的芯片產品,分別是750V/200A、1200V/200A、750V/300A。從模塊來說,我們從第一代標準封裝模塊到第二代標準封裝模塊,到目前我們采用平面封裝的模塊,有這么幾種規格。
最后談一點我們未來的規劃和展望。我們采用的技術策略應該是從芯片到模塊、到組件、到控制器、電機系統集成這樣集成推進的技術策略。目前有這么一個技術,最近幾年“十三五”期間我們將實現雙面冷卻IGBT產品和車用碳化硅產品的批量應用,這句話說起來,路程還很長,我們的工作都再繼續。推動電動汽車電機驅動系統“中國芯”的技術進步。
總的,基于我們自身電力電子和電動技術方面的技術能力,做大、做強我們電動汽車的電機驅動系統,打造性價比優異的新能源汽車電機驅動系統,為這個行業做出我們一個國有企業應該有的貢獻。
我的報告就到這里。謝謝!