精进电动创始人兼CTO蔡蔚：电机、电控安全性技术

2017年6月21-22日，由中国安全产业协会、TIAA车载信息服务产业应用联盟与车云网共同主办的2017年中国安全产业峰会暨首届交通安全产业论坛在北京召开。本文系精进电动创始人兼CTO蔡蔚在会上发表的演讲。蔡蔚就电机、电控安全性技术和大家进行了探讨。

以下为演讲实录：

在汽车电动化进程中的早期，驱动电机主是商用车直接驱动和乘用车“电机加一个减速器”，这个未来的发展趋势是减速器向多档变速箱发展。也就是说电动化汽车减速器可能会逐步地被两档至四档箱等取代，尤其是混合动力汽车。因而精进电动就率先做了一个电机加上两档箱的系统，这个系统已经批量生产了并开始搭载节能与新能源商用车。可见，今天精进电动已经不再仅仅做电机了，也在做精密机电耦合总成。下边开始逐步展开讲几个与电驱动安全相关的问题。

第一个，大家请看这是一个电驱动总成系统，我讲完了这个系统再告诉大家它跟安全有什么关系，实际上该系统包括一个电磁离合器，大家都知道我们国家自己做的离合器不够精致，也不知道如何很好地控制它。精进电动发明了专用的电磁操作两档变速器，由电磁力将离合器吸合，并由弹簧将其分开，其原理就是这么简单。因为电机容易调速，所以当电磁齿嵌离合器被引入后，就解决了我国不会造湿式离合器的短板，也解决了干式离合器维修频繁和防护较差的问题。

我国为什么造不好变速箱？原因在于做不好高精度齿轮和离合器及其操作机构。我现在开始讲安全问题之一，即IP防护等级。在这页PPT中，我写了这一大堆东西，是防护等级的定义。上边这些在新能源汽车中应用不多，故都不重要，我们主要用的是IP67和IP67以上的。

我顺便提供大家几个参考的标准，下面简单提醒同行一下，描述IP等级的数字，不是数字大的一定比数字小的防护更好，所以要注意定义的不同。我就不详细的讲这个了，简单地提一下我们这个电驱动总成，这个试验是将其淹到水里30分钟，试验满足IP67的要求。因此从右边这个图中大家可以看到，搭载此电驱系统的车辆可以涉水行使。我们大家知道，传统车经常涉水就被淹，淹水以后就从进排气管等进水造成发动机失火等。而电动车要是进水了，防护不好会死人，比传统车可厉害多了。这里我们解决了防水等一系列问题，双电机混动系统中间原来是干式离合器，我们现在用了免维护电磁离合器。优点之一：传统的干式离合器每年需要维护，我们齿嵌式电磁离合器终身免维护；第二我们也行成了系统的永远密封，使用这个系统的好处是它更安全了，把汽车当成“潜水艇”了，开个玩笑。

高压和低压的线束和连接件也是一大堆的IP防护问题。 图中我只是举了个例子，在这里不一一列举了。市场上很多的电机和控制器都是由于接线不好而造成进水的，那么是什么原因呢？图中大家可以看到，当把它俩粘到一起时，由于线束是由一些股线组成，如果忽略了股线间隙，水就会从股线一端通过内部流到股线另一端。 水把您的绝缘管当成水管子从一端流导另一端。这样的失效案例很多。 怎么办？解决问题的办法是把这个地方焊在一起并密封， 股线变成一体了就不至于引导水流了，我讲的只是一个例子。

我们再讲安全的第二个问题是上坡驻车的问题， 我们当然知道车爬坡时不希望它溜下去，溜下去可能造成车毁人亡。对电机系统控制该怎么办呢？我们通常用转矩和转速的控制切换，自动地使车可以稳定的不溜坡，不会倒回去，这是其中的一个。解决的时候要注意许多供应商将电机的起动转矩定义为平均转距，平均转矩是由包含谷点、峰点等瞬时转矩加起来的平均值。在解决溜坡仿真计算的时候一定要找到最低点，只有最低点转矩大于车辆下滑力矩，车才会不溜坡。仅有最高点转矩和平均转矩可阻止溜坡是不够的， 所以起动转矩一定要定义在相应电流和控制条件下的谷点（最低）转矩，整车厂要与电机供应商相互配合和确认，以保证车辆行驶安全。

从另一个角度看，电机的过热、控制器的过热和电机的去磁等保护都要防止突然的断电和突然的掉电，以此达到车辆的转矩安全。如果不这样的话，产生的问题会非常的严重。 正如大家所知道的，我们如果在车辆高速行驶中突然关掉了控制器开关管的触发脉冲，车子将失去动力，结果您在前面跑着，突然一下急减速或停在原地了，后边高速行驶的车肯定撞上去了，这是非常严重的安全问题。

对于永磁电机退磁，通常永磁体不是其每一个点同时退磁，PPT中我画的红点的地方出现局部退磁。通常有几种，一种叫逐步退磁，还有“居里点”退磁，所谓居里点退磁是指永磁的特性在超过了该温度后就不再是永磁体了，稀土铷铁硼居里温度在320多度。也就是说，对于的稀土铷铁硼永磁体，不要让它在超过320多度下运行，以避免永久退磁的风险。即使局部小的地方退磁也会使电机的电磁的性能下降，发生局部退磁的电机经过几年运行，电机性能就会越来越糟。

所以用的永磁体太少，或使用过低等级的永磁体，尤其要关注永磁体退磁风险问题。为什么？永磁体等级低且用量少将带来价格便宜，在价格竞争过程当中许多供应商经常干这件事。其后果是，您的电机过几年性能下降了，甚至您的电机很可能过几年后不再是永磁电机了，因为永磁体性能全退掉了。这页PPT展示了电机退磁的机理，时间关系我就不再这里讲基本原理啦。退磁主要来自两个问题，其一是电流太大且产生磁势方向与永磁体磁化方向相反；其二是永磁体温度太高。解决了这几个问题就可以防止退磁。

两个问题，电流太大，方向不对，第三个问题太大，解决了这几个问题就会防止退磁。还有一个安规电容与绝缘故障，原来只要在路上形成短路的时候形成不了回流，现在有了安规电容之后，只要控制器当中有一点短路就会形成回路，这是非常严重的，原来我们“十二五”不要求也有好处，当然将来要要求的。我们要加强对绝缘故障的检测，而且保证30毫秒之内能够找到绝缘故障发生的问题，这是非常重要的问题。在“十二五”期间我们很少重视，为什么？那时候没有EMI要求，现在加上之后，只要有一点短路它就形成回路，所以越来越重了。

还有一个安全问题与安规电容与绝缘故障相关， 前些年对电磁兼容（EMC）要求不严，许多控制器不采用安规电容。这样仅在回路上形成单点短路的时候形成不了回流。现在为了减低EMI装了安规电容之后，只要控制器当中有一点短路就会通过安规电容形成回路，这是非常严重的。原来我国“十二五”期间不要求EMC达标也有好处，哈哈…, 当然将来对EMC是一定有要求的。装有安规电容后，就要加强对绝缘故障的检测，而且保证30~50毫秒之内能够找到绝缘故障发生的问题，这是非常重要的。相比没有EMC要求时，现在加上EMI限制之后，只要有一点短路它就形成短路回路，安全问题也要越来越要重视了。

另一个安全防护措施是实施短路保护。短路保护是在设计电机当中就要考虑的问题，在电机冷态在最高电机转速的时候容易产生较高反电势，甚至导致控制器开关管烧掉。 在设计的时，一是限制反电势，别把控制器的电容或开关元件烧了，而是当反电势过高时通过控制器下桥臂实施电机三相短路这样连起来可以消除应反电势过高而损毁控制器，挺好的。但是将电机三相出线端连起来的缺点是什么？首先就是变成短路，短路电流很大，因而设计的时候要控制电机的短路电流。 如果短路电流太大，在电机容易发热使电机失磁，因而这两个（指空载反电势和短路电流）都要控制。但是，这两个恰好是相反的，所以设计电机也没那么容易，我希望更多涉及者了解这个道理。因为我们设计的电机是要装在大巴上，拉着一百多人跑的，安全做不好是很危险的，即使大巴公司真敢用。供应商也要三思而行。

从发展历史来看，在“十二五”期间，我国新能源汽车，逐步解决了“从无到有”的问题，“十三五”应是从有到优的历史阶段，而且我国未来有可能引领世界汽车电动化的发展。比如说，我国现在所用到外交礼宾车已经开始用新能源车了，而且搭载精进电动电机的电动车有的已获单车销量的冠军。从精进电动本身来讲，不仅做电机而且也开始做动力总成系统，这里显示的包括各种各样的，有“电机+减速器、两档箱、甚至包括集成在一起像丰田、本田那样的电驱动系统精进电动也在做，这里只展示了正在产业化和开发的电驱动总成。

关于电力电子控制器，我认为下一个发展的趋势是第三代宽禁带半导体，它可以使系统更加集成化、效率变高，而且已有样车的丰田认为，借助于碳化硅功率电子控制器，可以将普利斯做到3点几升的油耗。乘用车向多集成化方向发展，我个人认为也是很重要的。精进电动到今天为止，已经是我国汽车动力总成核心能零件的出口供应商。我国要有全球竞争力，精进电动一家出口还不行，要有更多的核心零部件企业的产品能出口，“万紫千红春满园”才是中国真正有全球竞争力的时代。

最后还是用这句话，“世界厌变，革新是推动进步的唯一动力”。希望大家推动革新，共同助力国家的汽车电动化向前发展。汽车核心零部件强，我国汽车产业则强；为我国汽车技术引领全球汽车产业发展那一天早一点到来而努力奋斗。谢谢。