高速永磁矢量電機在電動汽車上的運用
來自專欄機械自動化
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第六屆新能源汽車技術論壇
地點：崑山花橋美居酒店時間：2018 年 9 月 6 日14：20【主持人】：謝謝，大家有沒有什麼問題？ 非常感謝易總監給我們帶來的演講。下面有請上海瑾申智能科技有限公司創始人兼技術總工伍海峰為我們演講：高速永磁矢量電機在電動汽車上的運用。
高速永磁矢量電機在電動汽車上的運用 伍海峰 創始人兼技術總工 上海瑾申智能科技有限公司 【伍海峰】：大家好，我是來自於瑾申智能科技有限公司伍海峰，我先放一個電機的 CG跟大家看一下。
（視頻）我簡單說一下，在上午的時候原（誠寅）博士在聊的時候，我們探討一個問題，中國電動汽車汽車著重去探討，去說的東西更多在於電池，另外就是智能化、無人駕駛這塊，這兩年為什麼很少有企業主動聊到我們的整個電動汽車最關鍵、最核心的技術，就是電機。說到電機的技術，我想簡單跟大家分享一個事情，在電動汽車從特斯拉開始已經帶領行業的風潮開始，現在我們國家企業想著輕量化，能夠讓電動汽車續航里程數更加高，大家一直關鍵點在於電池的密度高與低，包括綜合工況利用率怎麼樣。在座各位是車企的一個前輩，我們算是晚輩，因為我們公司比較年輕，我們只是做了一個簡單的數據，國內車企現在更多 70%—80%車企其實都在使用永磁同步電機，這個是國內汽車的綜合里程數（PPT展示），也就是綜合工況的情況下或者在勻速情況下可以跑的里程數。第二以特斯拉為主，特斯拉針對中國市場做了一件非常有營銷手段的事情，他們沒有時速60公里勻速的續航里程數，他們只有70公里的，他們沒有往下。所以跟國內比較上面高了一個檔次。我們開發了這個電機以後，我們做了長期測試，我們發現了一個關鍵東西，原來真正的核心電動汽車是在於電機電能的回收。一開始我們跟同行業去交流，我們說特斯拉是雙電機的時候，很多的同行不太認可，我們溝通之中，很多的前期那些前輩跟我們說，特斯拉一個電機驅動，另外一個電機主要是電控，我們發現一個很有意思的地方，特斯拉前置的電機是永磁的，但是後置電機是交流非同步拖拽，它把它的銅轉子專利寫死了以後，國內很多企業不能仿，不能用這個電機。它真正在驅動的時候是用前置永磁電機進行高扭矩瞬間大功率輸出，形成了一個啟動力，然後高扭矩形成啟動力以後，在 40 碼左右，就是將近 35—40 碼區間的時候，它就瞬間切換到後置電機進行驅動，它的前置電機變成了一個高速發電機。因為永磁電機是屬於低速，永磁同步電機轉速一般在 8 千轉左右。但是當輪距這些轉速轉化以後，它就會獲得比較高的電壓跟比較大的交流，這個時候，它的電池分管機制馬上體現出來，就是它有一部分的電池是在驅動，往外放電，但是有一大部分電池分管了以後是被充電一個過程，這是電動汽車非常關鍵技術，這個也是續航一個非常關鍵的點，並不是像我們國內永磁同步電機都是完全無動力輸入的情況下，就是在拖剎的狀態才回收能量，而特斯拉是在行駛的狀態都可以回收能量。它通過變頻的技術去掉每一個動力點的阻礙，就是我們簡稱把它叫做動勢阻能，就是說它其實每一個點都是通過電管不斷分化管理的。這是我們對交流非同步電機的統計，這些可能在前輩眼裡是非常了解，因為電動汽車一開始選用很多種的電機，就像交流非同步電機，雖然說它在高功率、高轉速情況下，它的優勢非常明顯，但是交流非同步拖拽電機以我們國家應用的技術，鋁轉子鼠籠轉子技術在低功率的時候包括低速的時候是非常優勢的，但它的能耗極高，也就是它必須要 300%的電流才能產生 100%的轉矩，就是輸出。這個是開關磁阻電機，現在像寶馬和西門子早就應用了，西門子早在洗衣機應用開關磁阻電機，包括國內洗衣機，像小天鵝洗衣機和後期的牌子，他們洗衣機應用了開關磁阻電機。開關磁阻電機最大優勢就是電流取向決定電機的轉向，它只有一個脈衝波型電流輸出，它的節能是非常明顯的，它啟動時只需要 115%的電流，可以產生 100%扭矩，甚至優於無刷直流電機，它的管理方式和驅動方式都是非常好的。
這個是矢量控制，我為什麼說到矢量控制？其實矢量控制在德國西門子工程師提出了矢量控制以後，很多前期電機這塊其實應用到交流電機上面，沒有想過在直流電機怎麼應用， 因為交流電機是一個正弦波控制，這是一個固定的頻率，而且是現有的在電學裡面常用一個頻率，比較容易控制，而且它的頻段比較寬，它是屬於規則的展平波形，它沒有辦法去做到那種高度的分頻。所以說包括國外很多研究者和做電機這塊，包括波士頓動力大學他們做電機延伸的時候，就沒有去做矢量控制的延伸。而我們卻在 2016 年的時候，無意中發現，如果我們讓電機處於一個閉環控制頻率狀態下，類似逆變器的修正波形一樣，我們可以把矢量控制技術完整疊加進去。這個就是我們接下來在做完電機這塊，我們從電機的轉儲，電機的回收和電機汲取、輸入和輸出，同時我們發現了一個很有意思的問題。電機既然能夠在運動同時產生回饋，能汲取到電能，那麼就代表了電池是一個放電設備，我簡單解釋一下。在電機裡面，電機在輸入情況下是不可能發電的，它是一個電驅的狀態，但是靜止的時候，外界給它施展扭力的時候， 旋轉起來就是一個發電機狀態。如果進行一個非常優化的電管控制，就有一個效應，我基於放電和吸收電過程的當中，我可以通過展平的方式，讓它瞬間完成一切。基本在電的世界裡面，它的速度是非常快的，可以在同一個頻率之內，可能就在一秒鐘之間，我可以把它做成一百個頻段，這一百個中間，就像斬波一樣，我可以一秒鐘之內百分之多少時間裡面可以回收，百分之多少之內可以釋放，可以作為一種瞬間的交換，所以我們在充電方面，我們想到了利用二梯隊的電池，建立充電站，這個是牽扯到我們後期專利技術，也就是三元鋰和鈦酸鋰做到 5—8 分鐘瞬充，可能在座各位前輩，覺得這個挺搞笑，覺得是不可能的。我簡單說一個簡單的東西，如果把兩個電池以瞬間並聯的方式，一個電池有電，一個電池沒有電，如果瞬間並進去可能是秒級，兩個電池會持平。在這個電池過流過程中，雖然電流量非常大，但是耳極的過熱量是很低的，我們就從這個現象發現了這個問題，我們在電管系統根據我們的電機這方面的設計，就是我的電池以串並方式存在的，我們剛剛看到知豆的介紹，它有多耳極，正負多耳極。所以我們就在電池分布管理上面設置了兩雙重方法，比如說當我在放電方式，以多串並方式存在，但是控制系統已經停止對電池堆組放電的時候，我們會把電池堆組直接隔離開，隔離開了以後，就形成了一個類似平行充電的方式，就跟 CPU 平行的數據交換是一模一樣的，也就是讓它自己生成一個機制，就是自己來進行自然分量。這是我們後期對於我們整個模塊，我們的電控，我們的電源管理控制做的一個設計，其實我們想表達東西是什麼？從有電動汽車，我們國家開始要去彎道超車，去建立電動汽車一切的開始，我們一直沿用的國外的東西，包括電機簡稱，電子控制的簡稱，一切演算法簡稱都是國外，沒有國內的，為什麼？因為我們已經習慣了，從我們使用電腦開始都習慣了，就覺得國外東西怎麼樣，其實剛好相反。我覺得後期我們公司目的是打造全閉環自我系統，包括控制系統的大數據回收，包括整個演算法精算和雲伺服器建立對電管系統來綜合管理，我們
會以自己的系統來進行閉環。這個是我們未來在電控末端會形成的一個機制，就是利用互聯網技術打造互聯網新能源汽車信息生態圈，也就是我剛剛說了從電機到電子控制器、電管， 三電方面所有數據都是通過自己平台，先上傳到雲端，公共雲端再加密再反饋到我們公司主伺服器，再開發終端軟體平台系統。我們目標是打造什麼？我們的目標是打造能夠跟類似 IOS 和安卓同樣的平台，完全屬於自己的平台，屬於中國自主開發的東西來進行一系列的管理。公有雲支持PASS 部署，後期可以對外有接入，也可以在 APP 上面接受第三方去開發，但是可能這一切基於我們的平台，我們在閉環狀態下才會在平台上體現出來。
第四點也是我們做的最大一個夢，就是深化數據收集以及處理建立新能源汽車大數據服 務中心，我們希望的是在日後我們的電機技術，這說到了一點，就是今天跟所有前輩探討一 點，我們今天把矢量技術完全開源，以免費方式貢獻給所有企業，包括電動汽車企業，我們 不需要任何費用，我們根據你們的要求開發高效率的矢量電機，我們希望在日後這一切都由 我們國家自主掌控，國家企業自主掌控。所有電動汽車行駛數據，電源管理中心回饋數據， 所有的電池分布一系列的數據會形成一個龐大資料庫，這個資料庫為未來充電站做準備。因 為電動汽車有兩個很大的 bug，續航里程數和充電時間，我相信如果解決了充電時間，未來充電站和加油站一樣，我們跟很多企業都探討過，其實自己攜帶車載充電器包括公共充電樁都是不現實的，第一高壓接入，我們現在國家電網負荷比較高，現在電動汽車保有量並不高，一旦開始替代燃油車，這種保有量非常恐怖，如果同一個時間段同一個位置幾十台上百台車需要充電的時候，電網峰值會被拖下來，這個會牽扯到現在城市建設，而我們國家城市建設已經做完了，我們國家配電網已經做完了。你想想高壓接入每一個配電直接把本身實際峰值功率拉上去，這個是非常不現實的事情。所謂大家做充電樁的時候，並不是充電樁不好，不能用。而是大家需要思考一下充電樁分布怎麼樣，如果這個數據在近兩年建立起來，有了這個數據知道半徑五公里有多少車在跑，這個半徑五公里之內多少車充電時間段在哪裡？峰值段在哪裡，這一切就可以利用來布電池堆，二梯隊的電池回收怎麼辦，汽車回收下來電池的容量是有下降，但是電池放電係數並沒有改變，我們公司提倡這種方法，或者有優勢企業提出的快充方法，以快充方式，以充電站錯開峰值，吸收到能量，吸收到電能，比如說風光互補，這些電能零存整取，我全部把它充到地下電池堆，就二梯隊的電池，到峰值的時候，汽車前來的時候以快充方式把電池堆的能量轉移到車，這樣不但可以減輕電網的負荷，更加重要的是高頻直流可以實現快充，而且高壓直流是可以解決電池的問題。我們做高頻直流測試做了兩年，其實最優勢的是鈦酸鋰，但是鈦酸鋰功率密度相對沒有三元鋰高。我們只是想把這個方式跟方法提供所有的企業，讓大家一起來優化這個東西，我們相信可以實現彎道超車。我想讓大家看一下我們的電池的 CG，我著重把我們的電機跟大家講解一遍。（視頻）這是我們開發出來的矢量電機（PPT展示），我們把它簡稱為雙電機，電機裡面採用的是永磁鐵，其實有一個題外話可能跟大家講一下，我不是推崇特斯拉，而是因為特斯拉確實有技術，確實牛逼，從 2013 年開始研究特斯拉電機，開始破解它的硬性的東西，我們發現一個有趣的地方，特斯拉一直在規避一個東西，就是磁場。它的非同步拖拽電機雖然看起來像交流電機，其實我跟大家說一下，其實它沒有勵磁線圈，因為它不會在大功率啟動的時候，利用到它的銅轉子，它是用永磁電機和前置電機做啟動，但是當銅轉子高速旋轉的時候，銅會產生一個自我的力場，這種力場非常接近於磁場，所以說這個時候線圈磁感應線圈切割的時候，它的反向脈衝，電路板做了一些機制，它的演算法開始同步了。這個時候前面電機所驅動，所要產生任何的信號管理都來自於後面的磁場切割，它只是在非同步拖拽電機末端做了一個光格感測器。那個感測器是幹嗎？它是害怕瞬間那種 2.6 秒，100 碼的時候，需要兩個電機同時做工的時候，它利用的就是那個光格作為信號感測器。但是它在普通，沒有大功率，極大功率輸出的時候，那個光格是沒有起作用的。這是我們在破解它的核心控制的時候發現的。在它的重載拖車頭上面用的是四電機技術，因為它沒有放出諜照，我現在沒有辦法找到他們相應圖片給大家看。但是有一點我想告訴大家是什麼？它為什麼能夠充一次電跑八百公里，它的電池保有量只是現在車的兩倍多一點，它的平均承載拖拽貨物重量是 40 噸，這個是非常關鍵的數據。我們前期也有參考它的電機製造方法，但是 Semi沒有放出來，而這個電機是我們在 2014 年的時候確定了電機方案，因為從專利我們都沒有找到過前面已經有任何企業，包括像西門子做這種電機，我相信大家也有這種技術，從他們控制器發現，他們控制上面也用到了我們同樣的技術。
現在給大家解釋一下這種電機最大優勢是什麼？一般的永磁電機是靠感測器、光格，或者高端一點旋變，就是寶馬在用的永磁開關磁阻電機，它是用旋變，還有激光干涉，就是一個光格。所有有感測器的東西都會有延遲，我相信在座前輩其實都了解，在電路設計控制裡面，只要有感測器，你的信號在耦合的時候有延遲，這種耦合是不完美的，而且它需要一個非常煩解耦過程，需要一個演算法來解耦，但是我們的電機沒有感測器，我們的電機就是感測器。我們兩個電機定子偏角角度是 17.1 度，剛好是磁鐵在磁場旋轉的耦合力偏角度標準18 度多一點，也就是相當於 A 電機旋轉的時候，B 電機會脫離磁場磁角，也就是說磁場每一個鐵芯，因為磁場在閉環的時候有兩個磁極出現，這個時候磁鐵有一個矯頑力，這個矯頑力叫做偏轉角，這個偏轉角剛好兩個是對置，相隔 17.1 度。也就是說 A 電機只要一驅動的時候，B 電機會切割下一個線圈，如果分成三項第一個電機 ABC，第二個電機 ABC，第一個電機是三角繞法，也就是以並聯的方式來形成繞法，B 電機也是三角，一個並聯的方式，然後兩個電機以串聯方式重合組合一次。也就是當我的磁極，第一個電機磁極旋轉的時候，驅動的時候，其實下一個信號需要開與關，下一個線圈該是哪一個，哪一組開關管要關掉都要來源第二個磁極磁場切割的反向脈衝。我們類似把兩個電機所有耦合信號包括開關信號整合在一起，利用物理角度方式整合在一起，我們的電機擁有兩個比較新穎的東西，我們的鐵芯是全取向，我們每一個鐵芯迴旋角都有一個取向點，我們會讓磁場完全開關，磁場沒有閉環過程。第二個是我們的電機在兩個電機同時運行的時候，所有驅動信號都是相互的，一電機的驅動整個電控信號源來自於二電機反向切割，然後二電機驅動源來源於一電機反向脈衝，這種脈衝間隔角剛好是 17.1 度，當兩個脈衝信號疊加在一起，正好是 30 度。我們解決了一個問題，電壓早於電流 30 度出現的問題，我們一直保持這種物理排列精算。第二個牽扯到控制演算法，我們控制器從 PWM 延伸上來，我們整個驅動是來源主要信號回饋跟電脈衝信號的高低閥值。當我的磁場跟永磁場一旦出現同步，電機驅動叫做同步，但是電機運行叫做失步，也就是出現了相斥的摩擦，也就是電機發熱的關鍵。我們磁鐵有一個標號 N52，這種標號就是耐溫度值，當熱量越高的時候，磁場磁距越來越小，越小電場產生的電磁場推進和拉伸需求越大，本身的能量消耗越高。當磁場切割線圈的時候，反向電壓電流又會被原有的電路回收回去，這就是我們的關鍵電機電能反饋跟回收汲取，其實我剛剛說的，電機不單是在應用，不單單是使用電來進行驅動。關於我們的電機現在設計方式，我們採用的是永磁體，繞組的方式採用跟大家說了，最關鍵在這種磁場，電機位置設計的時候，有兩個優勢可以被我們國家利用了。特斯拉晚了兩個月註冊專利，特斯拉的轉子外面附了一層銅，我們也附了一層銅，他們比我們晚寫了兩個月，我們考慮到這個技術完整的公開，讓所有企業參與進來，因為我們的能量很小，我們希望各位在座的前輩能夠以整車廠的工藝去優化它和完善它，真正做到所謂的彎道超車，讓國外看看我們的技術標準怎麼樣，我們也能造出一樣的東西，我們同樣的電池量，我們把續航里程數同樣的提高了。謝謝大家！【主持人】：謝謝伍總的精彩演講，大家有沒有什麼問題嗎？【提問】：伍總您好，我們是做電機控制器的公司，剛剛聽到你談到特斯拉前驅和後驅的電機。【伍海峰】：現在在特斯拉 model 2，第二代已經有了。【主持人】：感謝，如果沒有問題的話，我們感謝伍總精彩的發言，接下來是我們的茶歇時間。推薦閱讀：