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)備總價值多達一二十億元。三，除了提供單機設(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、電動挖掘機以及為南海多個島嶼提供的風(fēng)光柴蓄互補一體電站等配套產(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)匯川沒有電機業(yè)務(wù)，也沒有充電的業(yè)務(wù)，認識到自身的短板后，我們便開始在全球范圍內(nèi)尋找合作伙伴，引進吸收國際上的先進技術(shù)。Brusa這家瑞士公司進入我們視野，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)代表到匯川進行考察，認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證的電機控制器。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，不僅要達到國家2020年30Kw/L的峰值功率密度標準，而且在此基礎(chǔ)上把體積至少還要縮小15%—20%，超越國家標準。在電磁兼容指標方面，目前我們在客車的實踐上國內(nèi)率先達到了class 3等級，玄奘項目在我們自己的實驗室自測已經(jīng)大部分達到class 5等級。

匯川新能源汽車中的電機、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。

功能安全對電機控制器概括而言就是實現(xiàn)三個安全目標，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，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的電控系統(tǒng)的相關(guān)軟件和硬件要素，進而在設(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認證的器件，已達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，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，通過軟件解碼后進行矢量控制的運算，另一路送入MCU低精度的ADC進行軟件解碼，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。功能安全要求發(fā)生故障后需要進入安全狀態(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15度，這個指標已達到和博世、電裝接近或相當(dāng)水平。

2、電機的安全性

首先我們要考慮到這種電機在極端的工況性是不是有較低的反電動勢。很多電機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)在的電機不同于傳統(tǒng)的電機，通過引進應(yīng)用于寶馬i3的HSM電機技術(shù)實現(xiàn)跨越發(fā)展。這種電機的磁阻轉(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，達到峰值轉(zhuǎn)速的時候反電勢在1197V，而我們的HSM電機在841V，包括電容、模塊都在安全的范圍內(nèi)，不會超標。因為我們的HSM電機反電勢小，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。國內(nèi)主流的電機達到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電機可以達到3倍以上電壓，假設(shè)此時轉(zhuǎn)速達到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頻率也比較低，同樣達到比較好的動態(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，這就是電機的定向設(shè)計。不同車的工況是有個性的，因此用一款電機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)，團體車有團體車的高效區(qū)，我們針對不同車型設(shè)計電機的高效區(qū)，公交車的電機效率相比競品可提高1個百分點，而團體車可以提高大約5個點。

匯川的HSM電機是一種少磁化的電機，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，對提高電機設(shè)計的密度大有幫助。目前主流的電機極對數(shù)是8級，客車領(lǐng)域因為做直驅(qū)一般是14級—16級，以8級的電機和10級的電機相比，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)頻率的電機控制器就是采用軟開關(guān)技術(shù)。未來電機轉(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這個用鋁箔包起來了。在標準車型上要想辦法把這個指標做好，這才是一個硬工夫。

技術(shù)先進性

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)甚至可以達到35 Kw/L，并且匯川還有許多先進的生產(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的儲備功率做的足夠大，將所有需求區(qū)域包含進去，也能保持持續(xù)的加速性。而設(shè)計良好的HSM電機，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，電機體積大為減小。

我們還有一些生產(chǎn)工藝，來提高電機的功率密度，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)，通過機械擠壓的方式，把線經(jīng)過強力積壓形成蜂窩形，等等。

除了電機控制器，我們還有一個非常好的產(chǎn)品——車載充電機。這款充電機是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，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，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”。

匯川技術(shù)電驅(qū)動無懼極端工況: