蔡蔚：為新能源汽車裝上中國“芯”

袁帥

由蔡蔚首創(chuàng)的“發(fā)卡式”扁線繞組電機(jī)技術(shù)發(fā)明已引領(lǐng)全球汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)20年之久，至今仍被視為下一代高效電機(jī)的先進(jìn)技術(shù)。

在科技創(chuàng)新的浪潮中，總有一些名字和他們的成就如同璀璨的星辰，點(diǎn)亮行業(yè)發(fā)展的前路。蔡蔚，這位被譽(yù)為新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，他的名字與一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)緊密相連——“發(fā)卡式”扁線繞組電機(jī)技術(shù)。IEEE-工業(yè)應(yīng)用專委會和交通電動(dòng)化社區(qū)前主席認(rèn)為“該技術(shù)是自稀土永磁電機(jī)發(fā)明以來，最重要的電機(jī)技術(shù)進(jìn)步之一。蔡教授為電機(jī)技術(shù)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)，特別是在電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域”。該技術(shù)開啟了全球汽車高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)的新篇章，成為新能源汽車中國“芯”的主流技術(shù)。

讓電動(dòng)車更安全

電動(dòng)車的安全問題一直是業(yè)內(nèi)和消費(fèi)者熱議關(guān)心的話題。電動(dòng)車問世以來，爆炸失火的案例曾讓不少購車者望而卻步。要保障車輛的安全性，就要準(zhǔn)確找出問題的關(guān)鍵。作為研制國家《電動(dòng)汽車安全指南》的電機(jī)系統(tǒng)與電驅(qū)動(dòng)安全指南專家組組長和總編制，蔡蔚分析稱，近年來，電動(dòng)車安全問題已經(jīng)得到進(jìn)一步的解決，其關(guān)鍵主要圍繞電池、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等方面。相比傳統(tǒng)的油箱，電池對于穿刺和沖擊等影響更為敏感。因此，電池的安全性能是電動(dòng)車安全的一個(gè)關(guān)鍵部分。

除了電池，電氣安全和機(jī)械安全等方面也是決定電動(dòng)汽車是否安全的關(guān)鍵問題。在電動(dòng)汽車上，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，儲能電池則相當(dāng)于油箱，但比油箱更為復(fù)雜。專注于電氣領(lǐng)域的蔡蔚指出，電動(dòng)汽車在運(yùn)行時(shí)，由于電生磁、磁生電的原理，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速非常高時(shí)，一旦失控將產(chǎn)生一個(gè)很高的反電勢。如果這一反電勢超過電池電壓，特別當(dāng)高于控制器直流母線上的電容所允許的電壓時(shí)，電容就會被擊穿，引起電容起火。此外，電機(jī)在旋轉(zhuǎn)的過程當(dāng)中，如果電機(jī)軸產(chǎn)生了偏心，也將引發(fā)安全隱患。最后是電機(jī)的絕緣系統(tǒng)，無論是熱老化還是電老化，都會引發(fā)漏電?！坝捎陔妱?dòng)車引入了高電壓，使得與傳統(tǒng)汽車不太一樣，電氣安全問題也由此變得尤為重要。這些安全問題已經(jīng)逐步得到解決。”蔡蔚告訴《小康》雜志記者。

誠然，電動(dòng)車和傳統(tǒng)車在某些安全問題上是相同的。此前，美國菲斯科公司生產(chǎn)的電動(dòng)車發(fā)生了火災(zāi)事故。經(jīng)過調(diào)查，事故原因并非來自電池，而是由于空調(diào)接插件接觸不良導(dǎo)致的。早年，福特公司也因燃油汽車空調(diào)開關(guān)打火引起失火進(jìn)行過大規(guī)模召回。同時(shí)，電動(dòng)車在充電過程中的安全問題，如充電保護(hù)、充電樁與充電器之間的問題，都可能導(dǎo)致電動(dòng)車起火。

此外，不規(guī)范的人為操作也將影響電動(dòng)汽車的安全。譬如，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在需要接地時(shí)沒有接地，或修理時(shí)打開箱蓋后，由于有高電壓，如果維修者沒有放電就開始進(jìn)行修理，在這些過程中都會存在隱患。

發(fā)明新型電機(jī)

無論是車輛從停到走的運(yùn)動(dòng)變化，還是在百公里加速時(shí)的舒適性，都離不開電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這些都在蔡蔚的研究領(lǐng)域中。據(jù)蔡蔚介紹，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三大件包括產(chǎn)生動(dòng)力、使車輛移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)和速度的電力電子控制器，以及調(diào)節(jié)電機(jī)和車輪之間的轉(zhuǎn)速、確保平穩(wěn)加速和減速的減/變速器。故電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被稱為新能源汽車的“心臟”。

蔡蔚表示，我國新能源汽車的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從無到有、從初步概念到實(shí)際應(yīng)用的過程，電機(jī)、電力電子控制器等關(guān)鍵技術(shù)的成熟和應(yīng)用是這一過程中的關(guān)鍵。這一過程說來簡單，就是將傳統(tǒng)電機(jī)改造成車規(guī)級電機(jī)，但實(shí)踐起來卻一點(diǎn)都不容易。不同于工業(yè)電機(jī)，車用電機(jī)不僅要能適應(yīng)上山下坡和路面顛簸，還要能適應(yīng)黑河零下50攝氏度的低溫和海南40多攝氏度的高溫，以及像青藏高原那樣的高海拔、空氣稀薄等富有挑戰(zhàn)性的自然環(huán)境。

隨著技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車的電機(jī)效率、功率密度等性能指標(biāo)得到了顯著提升。例如，從原有的有效材料每公斤電機(jī)產(chǎn)生1～2千瓦，到今天的產(chǎn)生6～8千瓦，這些進(jìn)步使得電動(dòng)汽車的性能和續(xù)航能力得到了大幅提升。為了提高系統(tǒng)的效率和可靠性，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)組件開始趨向于集成化，將多個(gè)控制器集成到一個(gè)“多合一”的控制器中，可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高功率密度。

為了解決傳統(tǒng)電機(jī)的一系列問題，蔡蔚經(jīng)歷了千百次實(shí)驗(yàn)和嘗試，在不斷革新中發(fā)明了“發(fā)卡式”扁線繞組電機(jī)。這一新型電機(jī)不僅使得汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在體積更小、重量更輕的情況下，性能更加高效、可靠，并有效地解決了電機(jī)發(fā)熱問題，從而將汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)推向了一個(gè)全新的高度，成為混合動(dòng)力和新能源汽車的核心技術(shù)之一，搭載在全球多款知名車型上。通用、奔馳、寶馬等全球知名汽車制造商紛紛向蔡蔚伸出了橄欖枝，希望與他合作開發(fā)新一代的汽車電機(jī)系統(tǒng)。

至今仍被視為下一代高效電機(jī)先進(jìn)技術(shù)的“發(fā)卡式”扁線繞組電機(jī)技術(shù)引領(lǐng)全球汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)20年之久，目前，“發(fā)卡式”扁線繞組電機(jī)已經(jīng)成為汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)行業(yè)的高端標(biāo)配技術(shù)之一。無論是高端豪華車還是普通家用車，都可以看到它的身影?！鞍l(fā)卡式”扁線繞組電機(jī)技術(shù)問世以來，市場占有率已超40%。業(yè)內(nèi)預(yù)測，2030年基于該技術(shù)的電驅(qū)動(dòng)總成全球市場占有率將達(dá)90%。

回國后，蔡蔚創(chuàng)立的精進(jìn)電動(dòng)公司更是將研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化主線從單一的電機(jī)逐步擴(kuò)展到與之相關(guān)的各個(gè)關(guān)鍵零部件生產(chǎn)領(lǐng)域，由此成為我國第一批新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、功率電子控制器和“三合一”電驅(qū)動(dòng)總成的出口企業(yè)。在我國開始大力推動(dòng)新能源汽車向公交商用車發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)刻，蔡蔚敏銳地捕捉到了這一千載難逢的機(jī)遇，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)迅速調(diào)整方向、改進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)，成功將原本為菲斯科開發(fā)的乘用車電機(jī)應(yīng)用到中國的大巴車上。

如今，蔡蔚已然成為國內(nèi)新能源汽車電機(jī)系統(tǒng)和電驅(qū)動(dòng)研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。他作為第一發(fā)明人擁有美國、歐盟、日本、德國、中國等國家發(fā)明專利40余項(xiàng)，填補(bǔ)了我國油冷電機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品的空白，是中國油冷電機(jī)創(chuàng)新產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化裝車的先行者。他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的油冷電機(jī)產(chǎn)品最先搭載吉利帝豪動(dòng)力分流混合動(dòng)力汽車和廣汽傳祺插電混合動(dòng)力車，特別是廣汽GMC1.0混動(dòng)系統(tǒng)還搭載了廣汽-本田PHEV，這是中國自主核心動(dòng)力總成首次搭載合資品牌量產(chǎn)車。

要解決進(jìn)口依賴

產(chǎn)業(yè)進(jìn)步不能只依靠某一家企業(yè)，而是需要上下游企業(yè)的集群效應(yīng)。對于新能源車產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化進(jìn)展，蔡蔚分析稱，我國整體產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對比較完善，在電池領(lǐng)域，以寧德時(shí)代和比亞迪為代表的中國電池產(chǎn)業(yè)已在全球處于領(lǐng)先地位，產(chǎn)量和技術(shù)水平都具備較高競爭力。在電機(jī)領(lǐng)域，中國電機(jī)產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化率大幅提高，從原先的60%左右提升到了現(xiàn)在的70%多，接近80%。其中，在稀土永磁電機(jī)材料方面，中國占據(jù)全球市場約90%的份額。在功率電子芯片方面，中國在功率電子芯片領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展，特別是IGBT等關(guān)鍵部件，已能實(shí)現(xiàn)大部分自主生產(chǎn)。

同時(shí)，蔡蔚也指出，我國新能源車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展如要更進(jìn)一步，還需解決絕緣材料等原材料、高速軸承以及控制芯片的進(jìn)口依賴?！拔覈履茉窜囍惺褂玫慕^緣材料原材料以及電池所需的鎳、鈷、鋰等原材料目前主要依賴進(jìn)口，尤其是鎳的進(jìn)口比例高達(dá)98%。高速軸承作為電機(jī)關(guān)鍵部件，目前仍有一大半依賴進(jìn)口。第三代的功率半導(dǎo)體碳化硅也有待進(jìn)步。此外，控制系統(tǒng)中使用的控制芯片MCU，國產(chǎn)率不到10%，主要依賴進(jìn)口。尤其是第三代功率半導(dǎo)體碳化硅等高端產(chǎn)品，目前自主生產(chǎn)還處在早期階段?！?/p>

增強(qiáng)教育內(nèi)驅(qū)動(dòng)

行業(yè)的興衰無法靠一代人改寫，而是要靠一代代人不懈努力。曾先后在美國威斯康星大學(xué)和瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院做客座教授和高級科學(xué)家，并于紐約上州的克拉克森大學(xué)取得博士學(xué)位的蔡蔚深知這個(gè)道理。通過對國內(nèi)外教育的對比，他切身感受到我國教育的優(yōu)勢與不足。2019年，蔡蔚重返母校哈爾濱理工大學(xué)，擔(dān)任電氣學(xué)院博導(dǎo)教授，培養(yǎng)新時(shí)代的電機(jī)和電力電子人才。

蔡蔚不僅教授研究生電力電子和電機(jī)知識，還涉足電力系統(tǒng)、控制等多個(gè)領(lǐng)域研究。他的學(xué)生涵蓋了整個(gè)電氣工程產(chǎn)業(yè)鏈的多個(gè)環(huán)節(jié)。他利用學(xué)校的優(yōu)勢資源，研究第三代功率半導(dǎo)體芯片封裝，包括碳化硅封裝和氮化鎵封裝材料和工藝等前沿技術(shù)，為解決國家在電力電子領(lǐng)域面臨的難題貢獻(xiàn)自己的力量。

對于新時(shí)代的人才培養(yǎng)，蔡蔚直言，“我們在人才培養(yǎng)的數(shù)量上，特別是在工科領(lǐng)域，無論是碩士還是博士，數(shù)量都是世界領(lǐng)先的。然而，如果我們質(zhì)量上比較，如果平均兩位中國工科畢業(yè)生能達(dá)到一個(gè)美國畢業(yè)生的貢獻(xiàn)水平，我們早就超越美國了。這說明我們在人才培養(yǎng)的質(zhì)量上和發(fā)揮人才聰明才智上還有待提高。在工科教育中，發(fā)現(xiàn)許多工科學(xué)生和教授都面臨著一個(gè)共同的問題：他們可能不擅長動(dòng)手做自己領(lǐng)域的產(chǎn)品創(chuàng)新。比如，有些大學(xué)教師雖然學(xué)術(shù)水平高，但并不擅長將實(shí)際工業(yè)問題與學(xué)術(shù)研究相結(jié)合，甚至沒到過工廠或沒見過產(chǎn)線。同樣，我們的工科院校與企業(yè)的合作相對較少，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)校學(xué)到的知識與實(shí)際應(yīng)用之間存在一定程度的脫節(jié)?！?/p>

此外，蔡蔚指出，我國工科院校在科研經(jīng)費(fèi)上主要依賴國家撥款，而用于解決工業(yè)實(shí)際問題的橫向課題和經(jīng)費(fèi)獲取相對較少。這導(dǎo)致了我國培養(yǎng)出的學(xué)生動(dòng)手解決問題的能力上往往不如他們的考試能力。在科研評估中，過于強(qiáng)調(diào)發(fā)表論文的數(shù)量和雜志影響力，而忽視了解決實(shí)際問題的重要性。評價(jià)體系也過于強(qiáng)調(diào)外語論文的重要性，忽略了把好論文寫在祖國大地上的重要性。

“最近，我國正在推動(dòng)卓越工程師教育，這是一個(gè)很好的方向。但在實(shí)施過程中，我們發(fā)現(xiàn)很多工科院校的老師并沒有真正接觸過他們所教授的內(nèi)容在工廠的實(shí)際應(yīng)用。這導(dǎo)致他們很難將理論與實(shí)踐相結(jié)合，從而影響了教育質(zhì)量。因此，我認(rèn)為我們在選拔和培養(yǎng)工科教師時(shí)，應(yīng)該更加注重與工業(yè)實(shí)際的結(jié)合。同時(shí)，我們也應(yīng)該改變對學(xué)生的評價(jià)方式，從單純的論文發(fā)表轉(zhuǎn)向更多關(guān)注解決實(shí)際問題的能力。只有這樣，我們才能培養(yǎng)出真正適應(yīng)社會發(fā)展需要的高素質(zhì)人才?！辈涛蹈嬖V《小康》雜志記者。

蔡蔚目前是俄羅斯工程院外籍院士、國際汽車工程師學(xué)會會士、中國汽車工程學(xué)會會士和中國電工技術(shù)學(xué)會會士，他也是國家特聘專家創(chuàng)新企業(yè)家專委會副主任、中國電動(dòng)車百人會等三個(gè)學(xué)術(shù)團(tuán)體的理事，黑龍江省頭雁團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、北京市海外高層次人才特聘專家，還身兼國家級專項(xiàng)的專家組組長重任。作為國家“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃新能源汽車總體專家組成員以及電驅(qū)動(dòng)的專家組長，他正在牽頭研制國家2025—2040《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖3.0》的電驅(qū)動(dòng)技術(shù)路線圖，參與起草“十四五”國家新能源汽車電驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)專項(xiàng)指南。他助力國家制定了一系列重要的電力電子和電機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，推動(dòng)中國新能源汽車和電力電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。目前他正積極參加推動(dòng)黑龍江省智能農(nóng)機(jī)電動(dòng)化，包括混合動(dòng)力和純電動(dòng)農(nóng)機(jī)。