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南京航空航天大学张卓然教授:电动汽车的发展离不开高性能动力部件的支撑

张卓然

EVS34程序委员会委员

EVS34“高效电机系统”分会场主席

由世界电动车协会、亚太电动车协会和中国电工技术学会共同主办的、以“奔向智慧电动出行”为主题的“第三十四届世界电动车大会暨展览会(EVS34)”将于2021年6月25—28日在南京举行,届时来自世界各地政府、企业和学术机构的领导和精英们都将齐聚一堂,共同探讨纯电动、混合动力车和燃料电池汽车及核心零部件领域的前瞻性政策、先进技术、杰出市场成就及创新发展趋势等。

张卓然,南京航空航天大学自动化学院教授、博士生导师、副院长,江苏省新能源发电与电能变换重点实验室副主任。国家“万人计划”科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才。

主持国家优秀青年科学基金、江苏省杰出青年基金等项目;发表学术论文180余篇,获2项国际会议最佳论文奖,出版专著2部;获江苏省科学技术一等奖、国家技术发明二等奖和中国航空学会青年科技奖等。

在节能、绿色低碳、科技日益革新的时代潮流下,电动汽车技术迅速发展,并成为当前全球汽车行业的研究热点。伴随着充电基础设施建设的逐步完善、电池技术的进步、续航里程的增加、充电时间的缩短,以及相关政策的鼓励引导,电动汽车产业已迈入发展新阶段。但随之而来的还有很多问题亟待解决,如核心关键技术的突破、前沿技术的创新、产品制造的革新等。

EVS34程序委员会委员、南京航空航天大学自动化学院教授张卓然认为,在电动汽车持续突破革新的进程中,其发展始终离不开高性能动力部件特别是电机系统的支撑。

EVS34工作组:作为EVS34程序委员会委员、EVS34“高效电机系统”分会场主席,您对于2021年在中国举行的EVS34有着怎样的期待?

答:

张卓然:EVS作为全球规模最大的电动汽车盛会,引领着电动汽车技术创新、产业升级的“风向标”,也是电动汽车领域学术、技术和产业市场充分融合和合作交流的国际平台。电动汽车是一种节能环保的绿色交通工具,可大大减少尾气排放,大力推动电动汽车的发展是实现“碳达峰”“碳中和”目标的重要途径。

2021年EVS34选择在中国举办,充分表明了我国在电动汽车领域的技术发展和市场潜力获得了全球的关注。EVS34将为电动汽车工业界及学术界的国内外同行架起交流沟通的“桥梁”,为国内外电动汽车领域的前沿技术搭建良好的展示平台,并推动电动汽车行业的长足进步与发展。

作为电力驱动领域的科技工作者,我相信EVS34将为广大科研工作者提供了良好的学习交流机会。电动汽车的发展离不开高性能动力部件特别是电机系统的支撑。当前,电力电子变换器激励下电机系统运行原理不断变化,新型电机系统不断涌现,电机系统的设计、控制与集成呈现典型的多学科交叉特征,其发展更是日新月异。与华中科技大学曲荣海教授一起作为EVS34“高效电机系统”分会场主席,非常期待与各位专家学者和行业同仁一起共襄盛举,共同探讨电动汽车新型高效能电机系统的技术发展与趋势。

EVS34工作组:驱动系统作为电动汽车的控制核心之一,将电驱动系统进行多合一集成(即将OBC、DC/DC、逆变器、PDU等进行深度融合),将是潜力巨大的研究方向,请问多合一集成关键难题主要包含哪些?

张卓然:电驱动系统集成在提高系统可靠性的同时,还能进一步降低成本、节省空间,是未来电动汽车动力系统发展的必然趋势。在多合一集成方面,个人认为其关键难题主要在于高效的一体化冷却散热方法、紧凑化的结构设计、多系统的联动控制以及EMC问题。

在将OBC、DC/DC、逆变器、PDU等进行深度融合后,系统组件单元势必较多,且DC/DC、DC/AC环节存在较大的电磁干扰,各组件之间相互影响,因此对EMC的处理会变得更为棘手。此外,由于主功率部分多采用水冷方式,DC/DC、OBC和PDU又大多采用风冷方式,系统集成后的热管理问题也将变得更加复杂。因此,为保证系统可靠稳定工作,多组件之间状态的交互和内部控制逻辑则需更富层次性。

从另一角度看,多合一集成后单体部件故障的可维护性也需要慎重考虑,模块化设计在批量应用的意义将会得到进一步凸显。在集成方式上,混动车辆或分布式车辆中除了MCU、OBC、DCDC和PDU的集成外,MCU和GCU、MCU和MCU间的集成也是一个重要的研究方向。这两者功率等级接近,从结构和电气设计角度看,这种集成方式会大大简化系统布置,提升系统的功率密度。


EVS34工作组:随着电动汽车销售量的逐年攀升,非插电混合动力、插电式混合动力、增程式电动汽车、串联、并联、混联等技术路线的应用似乎日益明确,那么未来10年混合动力汽车的发力点可能会出现在哪里?


张卓然:在电池技术、续航里程尚待突破,传统内燃机汽车保有量仍居高不下的当下,混合动力汽车有着其可持续发展的潜能。未来很长一段时期内,传统内燃机汽车的节能将是非常重要且艰巨的任务,而混合动力是内燃机汽车最有效的节能技术路线。

在这一过程中,虽然增程式电动汽车被认为是过渡方案,但是在轻型特种机动车辆领域,基于增程发电和轮毂电机方案的分布式驱动车辆,在系统可靠性、动力性、噪音水平方面有着巨大优势,且有着重要的应用价值。在重型特种车辆领域,增程发电和轮毂电机的应用可以大大简化传动环节,节省车内空间,提升系统可靠性,有利于整车布置。

汽车能量管理决定着整车能量的合理利用,是实现节能降耗的重要手段。随着汽车的电动化和智能化发展,对电动汽车的能量管理提出了更高的要求。无论哪种混动车型,能量管理策略是决定其动力性和经济性的核心环节,功率流的精确检测和快速控制是高效能量管理的基础,通过先进能量管理策略合理对电池和发电机输出的电功率、发动机输出的机械功率和电池的电功率、电制动功率和机械制动功率等进行合理分配,才能兼顾混动系统效率、动力性和可靠性。


EVS34工作组:目前电动汽车市场推广已经取得了阶段性的进展,从电动化到信息化、智能化发展进程中,您认为其关键核心技术主要体现在哪些方面?

张卓然:随着2020年11月《智能网联汽车技术路线图2.0》的出台,国内汽车行业已向着汽车智能化时代迈进。据中信证券预计,到2025年我国智能汽车销售规模将达700万辆,更多科技公司将进入电动汽车市场,传统车企将加速智能化进程。

目前,电动汽车的智能化发展过程中的关键技术主要有高性能高可靠的驱动系统解决方案,智慧感知和自动驾驶技术,分布式驱动控制技术等。在高性能高可靠的驱动系统方面,高效高转矩密度液冷电机(包括新结构原理电机,如混合励磁电机、磁场调制电机等)和新一代宽禁带器件控制器、高功率密度一体化动力总成是未来电驱动系统的重要发展方向。另外,与智能驾驶相关的高性能低成本智慧感知技术也是当前的热点研究领域。

在高性能电动车中,前后双电机驱动和轮毂电机分布式驱动方案也被越来越多地采用,针对多电机系统动力性和安全性的协调控制和容错控制技术方面尚有诸多需要攻克的难题。另外,对电驱动系统的智能化而言,功能安全和健康管理技术也是非常值得重视的方面,这是整车安全的重要保证。


EVS34工作组:谈到汽车智能化,最重要的部分就是芯片了,车规级芯片是汽车智能化必不可少的核心。近一段时期,国内外的芯片供应问题持续发酵,请问进口芯片目前在整车芯片中占比如何,该情况是否会影响未来一段时期的产品供应?

张卓然:《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》提出,到2025年新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。按照这个速度,每年新能源车的复合增长率就要达到30%以上,这预示着未来汽车芯片的需求将超速增长。

在电动汽车芯片领域,无论是数字控制芯片还是功率器件,我国都受制于进口芯片,尤其是在车规级器件方面仍与国外存在较大差距,采购周期甚至影响产品开发进度,这对企业和科研院所在相关领域的研究和产品开发推广都会产生较大影响。与此同时,我们也应看到国产化替代有重大技术需求和庞大的市场空间。

在功率器件方面,比亚迪、中车等国产器件厂家正在发力,其产品性能及可靠性目前已具备大规模量产应用的水平。在数字化控制芯片方面,低端MCU领域有着较多国产化方案可供选择。而在高性能DSP和FPGA芯片方面,国内厂家仍然较少,虽然有一些概念产品推出,但在计算能力和可靠性方面仍需要攻关和突破。

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王坚编辑
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