目前，我国自主研发的核心部件的缺乏尚未形成技术壁垒，这已成为新能源汽车发展的潜在危险。只有掌握核心技术，提高产品性能和安全性，才能形成具有国际竞争力的品牌，支持行业的可持续发展。

2016年11月26日至27日，苏州汇川联合动力系统有限公司董事长姜勇在清华大学新能源汽车产业百人高层研讨会上为同学们分享了“三大电力驱动技术开发与实践”的主题，分析了汇川科技产品高安全性、高可靠性、高效率的“三高”。

苏州汇川联合电力系统有限公司董事长姜勇

2003年，艾默生(前华为电气)十多名高管一起创业，今天的汇川应运而生。目前，公司市值已达330多亿，是整个创业板市场市值最高的公司之一。经过十多年的发展，公司现有员工4000多人，其中R&D员工1000多人，占25%。每年，我们将销售的10%投资于产品研发。今年，公司销售预算为35亿元，R&D预算为3.5亿元，其中三分之一将投资于新能源汽车电机电子控制的研发领域。

目前，汇川的业务共涉及四个领域，分为两个业务板块，一个是工业自动化，另一个是新能源。工业自动化分为三个子业务部分:第一，为中小型原始设备制造商提供设备；二是轨道交通牵引系统等大型设备制造，目前苏州在建地铁线路有5条，其中4条采用汇川牵引系统，设备总值达12亿元。第三，除了提供单机设备外，汇川还提供全套生产设备解决方案。

在新能源领域，汇川之前已经积累了很多经验，例如，为露天矿山提供的串联式混合动力巨型电动独轮车和电动挖掘机，为南海几个岛屿提供的风、光、柴、储互补电站等。正是这种技术积累使汇川在新能源领域占有一席之地。今天我们谈论的新能源主要是指我们的新能源汽车，汇川采取的是“中西融合”的战略。回顾过去，2008年，汇川成立了新能源汽车部，为吉利熊猫提供了电动驱动系统。随后，先后开发了Zotye郎悦、江淮、海马普瑞玛的电机控制器，并于2012年与宇通签署了战略合作协议，开发五位一体的集成电子控制系统。随着新能源汽车领域的新变化，汽车制造商更倾向于包装和购买整个电力驱动系统。过去，汇川没有汽车业务或充电业务。在认识到它的缺点后，我们开始在世界各地寻找合作伙伴，引进和吸收国际先进技术。瑞士公司Brusa进入了我们的视野，并于今年成为我们的合作伙伴。它是梅赛德斯-奔驰、宝马和沃尔沃等著名公司的一些关键电机的电子控制电源技术供应商。沃尔沃c30电动版的所有电控装置均由布鲁塞尔提供；今年6月，梅赛德斯-奔驰宣布明年将在其S级车型上推广布鲁塞尔的无线充电技术。

目前，汇川的汽车电子控制已经完全自动化，其客户涉及到许多国内外知名企业。近日，雷诺、日产、东风、德国曼等多家企业的代表访问汇川，认为汇川目前的生产设备和管理水平与日本同行基本相同。

高安全性

1。电子控制的安全性

结合去年建立的玄奘项目和目前的开发知识，介绍了电子控制的安全性。它为什么被命名为“玄奘”？因为我们在新能源汽车领域的内幕信息还不够深入，我们应该虚心向西方学习，9981之后很难得到真相。目前，该产品已经发展到第二阶段，并将在东风汽车上进行加载和测试。我们希望它将成为中国第一个获得功能安全认证的电机控制器。谈到该产品，我们必须提到功率密度参数。目前，28kw/l的峰值功率密度在国内控制器中处于领先水平，但我们在产品设计上有明确的规划，不仅达到了2020年峰值功率密度30kw/l的国家标准，而且体积至少降低了15%-20%，超过了国家标准。就电磁兼容指标而言，目前国内客车实践已达到三级一级，玄奘项目在我们自己的实验室自测中已达到五级。

汇川新能源汽车的大部分电机和电子控制器都集中在商用车上。目前，世界各国对商用车的功能安全性没有明确的要求，但商用车的功能安全性设计是一种趋势，我们接触的世界级公司都明确提出了功能安全性的设计要求。

一般来说，功能安全是为了实现电机控制器的三个安全目标。第一个是扭矩安全，这意味着控制器应该根据vcu指令输出期望的安全扭矩。第二，高压安全，因为我们现在使用的大多数永磁电机，当控制器失去控制时，它可能会产生非常高的反电动势，这可能会导致电力设备的过电压击穿。三是热安全，防止igbt和电机温度过高引起火灾。通过故障树分析，我们可以识别违反安全目标的电子控制系统的相关软件和硬件元件，然后在设计中加以考虑。

因此，为了实现功能安全，控制器的体系结构发生了很大的变化，尤其是与转矩相关的电子控制系统元件，如单片机、旋转变压器解码器、电压传感器、电流传感器、can通信等。

目前，国内市场上主流的电机控制器大多由工业dsp控制。然而，针对汽车功能的安全要求，汇川采用了更为可靠的mcu+sbc+cpld的集成软件架构，该架构由三部分组成，其中mcu和sbc是经过asil d认证的器件，达到了最高的安全功能级别要求。mcu和sbc均可独立执行安全关断，sbc可监控mcu。

对于电流传感器，如果控制一个电机，则需要两相电流传感器。但是，考虑到电流采样信号的监测，必须采用三个电流传感器，并且这三个电流传感器不能有共同的故障原因。因此，目前汇川电机使用的两个电流传感器是汇川自己的产品，另一个是从外部购买的，这将保证三相电流检测不会出现常见的故障原因。

通常，旋转编码器的信号直接发送到单片机，但我们不这样做。首先，信号以两种方式输出，一种发送给mcu高精度dsadc，由软件解码进行矢量控制运算，另一种发送给mcu低精度adc进行软件解码。解码结果不参与控制，而是参与监控，即双向旋转变压器解码的验证。

此外，非常重要的一点是igbt的故障安全和诊断。最初，我们只对igbt进行过流、过温和过压保护。功能安全要求故障后的安全状态。其中一个重要的安全状态是主动通过igbt短路三相电机的定子线圈，使整车能以稳定的速度停止。然而，如果控制器的一个igbt发生故障，在实施有源短路之前，有必要知道控制器的上桥igbt是否损坏或者下桥igbt是否损坏，并且有必要检测和区分igbt的不同故障，例如ce短路、ce开路、ge短路、ge开路等。例如，如果上桥igbt由于ce短路而失效，电机只能被上桥igbt主动短路。如果上桥igbt出现ce开路故障，电机的主动短路只能通过下桥igbt实现。

对于igbt温度监控，为了降低温度隔离采样器件的成本，实时监控igbt的结温，我们现在通过热路径模型和软件算法计算igbt的结温，比如15秒的加速度和电流是多少。去年，我们销售了约80万台工业逆变器，是英飞凌在中国的最大用户，因此他们专门为我们提供了一些带传感器的模块，用于验证测试和建模。目前，我们的估计水平可以使车辆平稳运行时结温的估计偏差在±3度左右。在动态频繁加减速过程中，结温的估计控制在正负15度，接近或相当于博世和电装。

2。电机的安全性

首先，我们应该考虑这种电机在极端工作条件下是否具有低反电动势。在极端条件下，许多电机的反电动势超过1250v。新能源汽车的工作环境充满了不确定性。如果不考虑电机和系统的安全设计，则存在安全隐患。我们目前的电机不同于传统电机，通过将高速电机技术应用于宝马i3，我们实现了跨越式发展。这种电机的磁阻转矩可占总转矩的55%左右，因为它不使用那么多永磁体，这带来了一系列附带的优点。例如，目前某主流总线电机达到峰值速度时的反电动势为1197v，而我们的hsm电机为841v，包括电容和模块，均在安全范围内，不会超标。沃尔沃c30/大众e-golf之所以选择这款高速电机，是因为它的反电动势小、短路电流小、短路扭矩非常小。国内主流电机达到2.5倍额定转速后，电压可能不在安全范围内。我们的高速电机可以达到3倍以上的电压。假设速度达到每分钟12，000转，反电动势仍在系统安全电压范围内。

高可靠性

与轨道交通相比，新能源汽车的使用环境极其复杂，给汽车对环境的适应性带来了诸多挑战。为了保证新能源汽车的高可靠性，我们采用了一系列的可靠性设计方法。

为了验证igbt模块的可靠性，需要根据新能源汽车的工况分布图推导出元件损耗分布图，进而推导出温升分布图。结合模块制造商的寿命分布曲线，我们可以通过统计的方式形成一个科学的模型，计算出我们的igbt的使用寿命，从而证明我们的igbt能够满足汽车制造商的要求。我们公司的主流igbt分为内部冷却和双面水冷。目前，双面水冷igbt还没有投入市场，我们是中国第一家进行igbt模块测试的公司。该igbt模块的体积减少了40%，饱和压降减少了15%。

一辆汽车从工厂到报废大约会起停20000 ~ 30000次，这给电路板中的焊点带来了非常严峻的挑战。汇川目前使用一种新型焊料，可以提高产品的可靠性。另外，经过研究发现，在高电压和潮湿的环境下，金属盐会沉积在电路板上，导致电路短路，而我们改进的新材料可以保证在非常紧凑的高电压结构环境下，阳极纤维化速度较慢。

另外，在电容器寿命方面，目前汇川薄膜电容器的最高温度可以控制在95度以内，我们选择的电容器是105度，可以保证电容器的长寿命。还有专业的冷却技术。当水形成射流时，许多涡流将在散热器表面形成。这种涡流可以更充分地带走热量，与正常的表面流动相比，这种涡流的热传导可以增加20%以上。

高效率

目前电控系统的效率相对较高，通用汽车的效率可以达到93%、94%、95%甚至更高。我们必须做出很大的努力来提高0.1%和0.2%的效率。

我们有一种叫做开关频率动态调整的技术。为了保证控制效果，大多数机器都有载波比限制。当车速较低时，我们的电机频率较低，这也取得了较好的动态效果。此时，我们可以减少频率调制，减少开关动作的次数，从而减少损耗。当速度很低时，载波频率也很低。当达到城市工况时，载波频率设定在中间值，当达到高速时，控制器的效率可提高1~2%左右。

通过工况模拟，结合车辆的实际工况，根据统计概率统计，有针对性的设计控制策略，在最常用的区域使用效率最高的区域，也可以显著提高效率，这就是电机的方向性设计。汽车不同的工作环境有其自身的特点，所以用一个发动机包赢得世界肯定是不合适的。换句话说，使用相同的控制器和电机来实现这一点并不是提高效率的最佳选择。例如，针对公交车和集体车两种不同的工况，我们采用了两种不同的设计取向。公共汽车有公共汽车和集体汽车的有效区域。我们为不同型号设计高效的电机区域。与竞争产品相比，公共汽车的发动机效率可提高1个百分点，而集体汽车的发动机效率可提高约5个百分点。

汇川高速电机是一种少磁化电机，这意味着高速运行时所需的弱磁电流相对较小，因此效率会高得多。传统的ipm电机效率范围相对较大，特别是弱磁工作范围。在我们的高速电机上，我们基本上可以实现一个高效率区，其效率为90%或更高，可占70%。

此外，选择电机的极数也非常重要。在一个圆上，如果极对数相对较大，每个极上的磁密度压力和磁力线会稍小，这对提高电机设计的密度有很大帮助。目前，主流电机极数为8，由于采用直接驱动，所以母线场一般为14-16。与10级电机相比，8级电机消耗的材料更少，效率更高。

假设载波比在相同的控制水平下是固定的，工作频率将随着极对数的增加而增加。如果最高工作频率应为1200hz，按照1: 10的载波比，载波频率应为12khz，这对于客车模块来说是可承受的；然而，对于具有高电压和高电流的商用车辆，没有电机控制器能够长时间工作在12khz载波频率。另外，车辆工况变化大，长时间不满载，载重量小。大众项目所需的电机速度为每分钟16，000转，这意味着载波频率可能约为15千赫兹，这给模块带来了更大的压力。

为了解决这个问题，我们的专利技术，软开关技术，开始发挥作用。

软开关技术可以使电机在启动过程中有电流无电压，在关闭过程中有电压无电流。我们正在开发的开关频率为24khz的电机控制器采用了软开关技术。未来，电机转速可能达到每分钟20，000转，开关频率肯定会越来越高。同时，希望电机有更多的磁极，这是一系列软开关可以解决的难题。此外，电磁兼容性可以用这种方式做得很好，因为没有额外的能量来传输。众所周知，今年上半年，许多汽车制造商和零部件制造商聚集在襄樊解决emc的问题。基本上，我们每天有一个模型，在一个多月内有数百个模型通过。我们还看到一些同事用铝箔包裹了整个电控马达。在标准模型上找到实现这个目标的方法是一项艰巨的工作。

先进技术

在模块方面，我们已经从传统的hp2模块过渡到双面水冷模块，将来可能会过渡到dbc模块。随着模块技术的发展，内置冷却模块的体积可以减少15%-20%。随着碳化硅技术的成熟和成本的降低，未来我们控制器的体积将会大大缩小，成本也将呈下降趋势。届时，希望汇川将率先在中国推出此类电子控制产品。

就电控功率密度而言，市场上销售的主流产品峰值功率密度约为18kw/l，而汇川玄奘的功率密度可达28kw/l，双面水冷模块可超过30 kw/l，未来碳化硅技术甚至可达35 kw/l。汇川有许多先进的生产工艺来提高产品的功率密度。

目前，我们使用硅igbt+碳化硅二极管组合，可以减少约27%的损失。将来，如果用碳化硅代替igbt和二极管，损耗可降低50~60%。

汽车在某些工作条件下会有些抖动。采用主动阻尼技术，通过软件算法消除汽车抖动，提高驾驶舒适性和安全性。

与同类产品相比，我们的高速混合动力电机具有许多优点。无论是制动还是电动，我们的动力系统都能满足动力加速需求。特斯拉使异步电机的储备功率足够大，包括所有需要的领域，也可以保持持续加速。然而，设计良好的高速电机的输出功率在220公里/小时的速度下基本上没有减小，但是与特斯拉方案相比，电机的尺寸大大减小。

我们也有一些生产工艺来提高电机的功率密度。例如，对于发夹式绕组，导线之间几乎没有间隙，槽利用率可能更高。另一种是利用蜂窝技术，通过机械挤压的方式，将线材积压形成蜂窝形状，等等。

除了电机控制器，我们还有一个非常好的车载充电器产品。这款充电器是布鲁萨为梅赛德斯-奔驰smart开发的。这是世界上功率密度最高的车载充电器。它仅重11公斤以上。它可以像智能车一样装在汽车上，而且成本也很便宜。在推广新能源的过程中，我们将面临基础设施不足的问题。使用车载充电器可以减少对基础设施的依赖，安装更少的电池。在某些情况下，我们不需要使用大功率充电器，快速充电会影响电池寿命。

另外，我公司生产的dc/dc不同于国内主流产品。它可以双向充电。它可以将高压电池组的功率改为24v，也可以将24v的功率改为高压，这样逆变器就不需要上电缓冲，从而降低了汽车的成本。

目前，中国有6万多辆新能源客车/物流车辆配备了世界第一的汇川电机控制器。近年来，我们还吸引了曼和斯堪尼亚等国际知名合作伙伴进行深入交流。下一步，汇川联合动力将继续深入参与国际竞争，努力成为“中国的博世”。

汇川电力驱动不怕极端的工作条件: