為什么要用碳化硅？解析蔚來(lái)第二代電驅(qū)系統(tǒng)

　　【太平洋汽車(chē)網(wǎng) 技術(shù)頻道】就在昨天（10月19日），南京XPT（蔚來(lái)驅(qū)動(dòng)科技）工廠里舉辦了一場(chǎng)媒體溝通會(huì)，一同分享了「蔚來(lái)ET7（詢底價(jià)|查參配）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)」，這也是蔚來(lái)旗下首款采用碳化硅功率模塊的車(chē)型。南京XPT工廠作為蔚來(lái)整個(gè)制造系統(tǒng)起步的地方，早在2017年整個(gè)白車(chē)身的試制和整車(chē)的試制都在這里完成的，可以算得上是蔚來(lái)制造的「老家」。

　　關(guān)于當(dāng)初李斌所說(shuō)的「花錢(qián)買(mǎi)時(shí)間」，也正是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的江淮工廠還處于建設(shè)階段，花了一年的時(shí)間在這座工廠趕工藝，蔚來(lái)ES8才能在三年內(nèi)就完成了整車(chē)的開(kāi)發(fā)。

　　對(duì)于這座工廠的定位，蔚來(lái)高級(jí)副總裁 曾澍湘表示「電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上海主要以研發(fā)為主，南京主要進(jìn)行工業(yè)化和工藝的開(kāi)發(fā)，同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)制造。」

　　在大家一直強(qiáng)調(diào)蔚來(lái)的服務(wù)時(shí)，似乎會(huì)片面的認(rèn)為蔚來(lái)在技術(shù)功底方面是不是差點(diǎn)意思？而蔚來(lái)給出的答案是「電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全棧自研及制造」，這也是全球唯二的廠商能夠做到的制造能力，對(duì)于另一家是誰(shuí)？大家都心中有數(shù)。其中電驅(qū)系統(tǒng)已獲得及在申請(qǐng)專利數(shù)達(dá)215項(xiàng)，其中81項(xiàng)是發(fā)明專利，這也是證明蔚來(lái)是能夠持續(xù)創(chuàng)新最好的事實(shí)。

　　首先關(guān)于蔚來(lái)在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，曾澍湘認(rèn)為「其它車(chē)廠的研發(fā)更多的是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)最后階段的驗(yàn)證過(guò)程，如果按照我們這個(gè)全棧自研的標(biāo)準(zhǔn)，就是說(shuō)軟件是不是自己寫(xiě)的？電路板是不是自己開(kāi)發(fā)的？芯片是不是自己選的？這是我們定義全棧自研的一個(gè)方式?！?/p>

　　要想讓數(shù)百人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠全身心的投入到研發(fā)中來(lái)，首先必須得有錢(qián)，蔚來(lái)「再苦也不能苦研發(fā)」。蔚來(lái)從2015年開(kāi)始組建的電驅(qū)動(dòng)團(tuán)隊(duì)，到目前在研發(fā)、試驗(yàn)、設(shè)備以及軟件工具上投入了大概2.5個(gè)億，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)費(fèi)用占1.3個(gè)億左右，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的費(fèi)用占1個(gè)億，購(gòu)買(mǎi)各種軟件工具就花費(fèi)了將近3千萬(wàn)。

　　南京XPT工廠的產(chǎn)能方面，設(shè)計(jì)綱領(lǐng)達(dá)到30萬(wàn)臺(tái)，實(shí)際達(dá)到了32萬(wàn)臺(tái)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。而今年截至到10月12日，蔚來(lái)三合一 EDS 電驅(qū)動(dòng)單元就已經(jīng)突破了30萬(wàn)臺(tái)，基本上每年都是翻番的狀態(tài)。同時(shí)該工廠具備「永磁電機(jī)+感應(yīng)電機(jī)」生產(chǎn)，在整個(gè)行業(yè)內(nèi)都是比較少見(jiàn)的。

　　從蔚來(lái)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的迭代來(lái)看，首先是保持雙電機(jī)的策略不變，目前的 240kW 感應(yīng)和 160kW 永磁是第一和第二代產(chǎn)品，蔚來(lái)ET7搭載的300kW 感應(yīng)和 180kW 永磁則是第三代電機(jī)產(chǎn)品， 而此前發(fā)布的220KW 高功率永磁電機(jī)，可以算得上是「第四代電機(jī)產(chǎn)品」。

　　而關(guān)于蔚來(lái)ET7電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)講解環(huán)節(jié)，首先由蔚來(lái)電驅(qū)系統(tǒng)與集成部負(fù)責(zé)人 畢路來(lái)進(jìn)行解讀。

　　蔚來(lái)ET7在此前的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，前永磁同步電機(jī)功率達(dá)到了180kW，后異步感應(yīng)電機(jī)功率達(dá)300kW，最大功率提升了20%，峰值扭矩提升23%，其中前永磁同步電機(jī)系統(tǒng)中使用了「碳化硅功率模塊」替代了傳統(tǒng)的「硅基IGBT功率模塊」，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)硅基IGBT電壓范圍窄、通過(guò)的電流不夠大的劣勢(shì)。

　　「第三代的電驅(qū)從外觀上來(lái)看整體是沒(méi)有差別的，使得生產(chǎn)的產(chǎn)線得到了最大的兼容，同時(shí)在整車(chē)上也同樣保持著這樣的物理兼容，將來(lái)才有可能進(jìn)行互換?！?/p>

　　其中180kW永磁同步電機(jī)在同等的空間，同等的邊界尺寸，同等電壓水平下，性能方面實(shí)現(xiàn)了提升，這里面包括電機(jī)類(lèi)型的選擇，轉(zhuǎn)子磁鋼選型上都進(jìn)行了一些具體的開(kāi)發(fā)。而后異步感應(yīng)電機(jī)通過(guò)電磁的優(yōu)化，使得模塊電流的提升，從而實(shí)現(xiàn)性能的升級(jí)。

　　優(yōu)化減速器速比這一方面，蔚來(lái)是通過(guò)多目標(biāo)的優(yōu)化，提升效率的同時(shí)，同時(shí)提升速度。減速器速比「從9.57提升到了10.48」。

　　對(duì)于后異步感應(yīng)電機(jī)的IGBT模塊，「從900A 提升到了 960A 」，「這是基于整個(gè)系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化，以及我們基于應(yīng)用的工況下，對(duì)模塊的壽命進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)估」。

　　相比于160kW電驅(qū)系統(tǒng)，在NVH方面進(jìn)行了一系列的優(yōu)化，例如「懸置融合控制的EDS總成模態(tài)優(yōu)化、電機(jī)非均勻氣隙及高正旋氣隙磁密、齒軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制器諧波注入與控制策略的優(yōu)化」。

　　大家都知道當(dāng)電機(jī)的功率和扭矩有了提升之后，就會(huì)產(chǎn)生一些諧波上的負(fù)面影響，蔚來(lái)也與電機(jī)的合作伙伴專門(mén)針對(duì)NVH進(jìn)行了細(xì)節(jié)優(yōu)化。「通過(guò)電磁優(yōu)化（非均勻氣隙）均衡電磁徑向力，并通過(guò)氣隙的正旋化，優(yōu)化了扭矩波動(dòng)，達(dá)到最佳的NVH表現(xiàn)。」

　　在減速器中，齒輪的齒形齒向也同樣進(jìn)行了微米級(jí)的優(yōu)化，保證誤差在10微米之內(nèi)，齒輪嚙合的過(guò)程中才會(huì)更加的緊密，噪音也會(huì)更小。

　　最后是通過(guò)軟件控制算法的形式進(jìn)行優(yōu)化。「第一階段是諧波的抑制，第二階段是諧波的注入，進(jìn)行相互的抵消，第三階段則是進(jìn)行音頻的調(diào)制，雖然在ET7上并沒(méi)有應(yīng)用，在后續(xù)上會(huì)進(jìn)行一定的加用?！?/p>

　　「電池在低溫下的性能較弱，電機(jī)系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)發(fā)特殊功能，在低溫下通過(guò)優(yōu)化利用電機(jī)的廢熱加熱電池，最大能提供超4kW的加熱功率，優(yōu)化了75度三元鐵鋰電池的低溫特性?！雇瑯?，在注入新的電流之后噪音就會(huì)增加，同樣通過(guò)軟件進(jìn)行抑制，通過(guò)軟件諧波控制算法，消除該工況下的噪音。

　　由于車(chē)輛有了電機(jī)的主動(dòng)加熱，關(guān)于會(huì)不會(huì)取消掉車(chē)上的PTC，例如特斯拉的做法那樣。

　　蔚來(lái)智能功率電子系統(tǒng)部負(fù)責(zé)人 洪文成則表示「我們?cè)陂_(kāi)發(fā)的過(guò)程中是和整車(chē)的同事一起聯(lián)合去開(kāi)發(fā)的，確保他們按照整車(chē)的控制策略，以及它的電池需求，然后在滿足用戶的體驗(yàn)基礎(chǔ)上，再看是否會(huì)是取消，還是進(jìn)行一個(gè)降級(jí)，這是他們有更多的一個(gè)考量，在加熱這一塊，我們得確保滿足他們的要求」。

　　關(guān)于蔚來(lái)ET7的主驅(qū)系統(tǒng)——180kW的永磁電機(jī)，為什么會(huì)用上碳化硅功率模塊？「首先一切從用戶的利益出發(fā)，如果這一項(xiàng)開(kāi)發(fā)對(duì)用戶有利，那我們就要去做，而且是盡快去做」。而現(xiàn)在「貨架」上沒(méi)有一個(gè)完整的碳化硅模塊量產(chǎn)，所以蔚來(lái)就得自己造，比其他友商提前半年到一年的量產(chǎn)，這就是搶先所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

　　首先從碳化硅功率模塊的特性來(lái)看，碳化硅模塊在低載時(shí)的能效和里程是可以大幅增加的，尤其是在城市工況下。其次是通過(guò)的電流能力提升了30%，而功率模塊的主要作用就是將直流電轉(zhuǎn)化為功率可調(diào)的交流電，所帶來(lái)的好處就是性能的提升，跑得更快的同時(shí)，續(xù)航里程更長(zhǎng)，這也恰好符合蔚來(lái)汽車(chē)高性能的產(chǎn)品基因。

　　再加上「電池的容量越大，使用碳化硅能夠帶來(lái)的利益也就越多」，其實(shí)這是整個(gè)體系能力的增強(qiáng)，效率更高。此次蔚來(lái)汽車(chē)并沒(méi)有公布具體的成本情況，因?yàn)閹?lái)能效提升的同時(shí)，成本也會(huì)增加，兩者之間的帳還得好好的算一下。

　　從碳化硅功率模塊上來(lái)看，評(píng)價(jià)它的指標(biāo)主要有兩點(diǎn)。一是導(dǎo)通電阻，這是決定模塊損耗的高低，另一個(gè)就是熱阻，可以有效的提升散熱能力。

　　關(guān)于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，其實(shí)碳化硅功率模塊是更適合城市的工況，除了效率之外，我們就得考慮一下可靠性，包括EMC電磁兼容以及絕緣問(wèn)題，洪文成則解釋「通過(guò)多輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少環(huán)路的電感，去優(yōu)化驅(qū)動(dòng)參數(shù)，以及驅(qū)動(dòng)芯片的選型和應(yīng)用等，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)硬件系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)」。

　　在軟件方面同樣要進(jìn)行系統(tǒng)的考慮，車(chē)速較低時(shí)，就會(huì)降低電開(kāi)關(guān)的頻率，使開(kāi)關(guān)的損耗減少35%，高負(fù)載時(shí)會(huì)進(jìn)行過(guò)調(diào)制優(yōu)化策略，減少損耗的同時(shí)提升效率?！钙鋵?shí)關(guān)于碳化硅的應(yīng)用在硬件和軟件上會(huì)去做一個(gè)系統(tǒng)性的思考和系統(tǒng)性的優(yōu)化」。

　　接著，我們?cè)诿襟w交流的環(huán)節(jié)中，我們從中還是提取到了一些比較有意思的點(diǎn)，如下：

　　此次的溝通會(huì)結(jié)束之后，我們還參觀了一下XPT工廠，但由于工廠園區(qū)內(nèi)是禁止拍照的，所以本文的配圖基本上都是來(lái)自蔚來(lái)官方。

　　在這個(gè)占地528畝的XPT工廠里，擁有EDS電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)線及PEU電機(jī)控制器產(chǎn)線，并且還有大量的設(shè)備正在調(diào)試當(dāng)中，以滿足新一代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)能需求。

　　工廠內(nèi)采用了大量的機(jī)械臂以及AGV小車(chē)進(jìn)行加工作業(yè)，包括在防錯(cuò)方面，使用了許多的高清攝像頭進(jìn)行拍照，并依靠MES系統(tǒng)可進(jìn)行隨時(shí)的溯源。

　　此次搭載了碳化硅功率模塊的前永磁電機(jī)，首先就會(huì)造成研發(fā)成本的增加以及生產(chǎn)成本的增加，這也是蔚來(lái)要發(fā)布更具差異化平臺(tái)的原因之一，以尋求在多種車(chē)型中的定位更加精準(zhǔn)，才能實(shí)現(xiàn)更大的投資回報(bào)率。（圖/文/攝：太平洋汽車(chē)網(wǎng) 崖雍）