2014年11月20日，中国科学院电工研究所宁圃奇研究员，受邀参与在北京国际展览中心举办的“2014中国国际新能源汽车产业发展与合作高峰论坛暨项目洽谈会”的发言。
各位领导，各位专家，各位同行大家下午好，很容幸有这个机会来到这里跟大家介绍一下我们的研究情况，今天上午各位专家、各位领导对新能源汽车行业的发展，和现有的一些状态，或者是很多规划进行了非常精彩的讲演，我是来自中国科学院电工研究所，我这个报告中希望从技术角度跟大家分享一下我们研究组对于未来如何提高车用电力控制器，降低整车成本，降低整车的价格，使得消费者更容易接受新能源汽车这个角度来跟大家分享一下。
三个方面，首先是把车用控制权基本状态跟大家介绍一下，因为不是所有人都是这方面的研究者。另外就是提高功率密度的我们所知的一些方法，可能在未来会有应用，最后是一个简单的总结。今天上午很多领导和嘉宾反复强调了新能源汽车发展是我国很重要的目标，世界各国都在努力的发展新能源汽车。我国的计划2020年实现500万辆目标，从其他的一些国家推测来看，到2020年如果能达到可能占有世界四分之一的份额。刚才很多专家也提到了新能源汽车价格昂贵是本身制约它发展的一个主要问题。在这里列了同款的燃油汽车和混合动力车，大家可以很清楚的看到这个价格大概在1.5-2倍之间，这个昂贵的价格是现在消费者难以接受的，即使现在是国家和各个地方都有补助，一旦补助价格稍微降下来以后相对来讲还是很制约人的。
其中一种解决降低成本的方式，就是各国采用提高关键部件功率密度来降低制造物体的体积，降低配、降低物料来降低成本这条路子。刚才博士在他的报告中也介绍了美国能源部其中主要列举成本价格降低的数值，同时能源部还发布了它的体积跟重量。他的达的目标是实现到2020年大概是比现在现有的功率密度翻一番的目标，现我们常说的新能源汽车相关的三大：也就是我们常说的电池电机和电控。就是我们所谓的电频器。我们研究组工作中主要是对它的功率密度最终实现倍增的目标。它的主要涵盖的方式，就是一个国外的公司所做出来的分析，认为对于成本来讲，它的影响功率模块大概占大概是55%，散热部分占15%左右，而电池部分超过35%，其他的稍微小一点。
在我们车控制器之中主要是分为以下八个方面。功率器件是能够转换的主要最直接的方式，就是我们所说的半导体管，再往后为了维持在系统中有能量的储存和转换需要一定的无烟器件，也就是常用的电子跟电容，它的体积和重量接近三分之一左右，再一个为了供热器件，因为它的损耗相当大，一般的一个三四千瓦的散热器控制器损耗接近和靠近30千瓦左右。或者稍微低一点。他需要大量的散热器，一般采用水冷的方式进行散热器散热。他的体温重量占到了超过10%左右。而我们为了控制功率器件，我们要用做好的进行控制，这样就需要就门极驱动，再有就是相应的一些传感器，来测量电压信号，电源信号和温度信号，为了更好的节约成本，我们尽可能的使门极设计减少，这样就涉及到电路的控制结构和控制策略，以及把所有的以上各个方面连接起来一个母线连接的装置，这是目前说的集中母台也是这个概念。
之后这些部件是相互关联的，很难通过单独提高某一个部分来提高整体的功率密度的，一定是各个配件厂商共同努力配合电汽厂商来提高功率密度，同时保证价格比现有情况进一步降低。
另外介绍一下器件方面最新的半导体器件。第一代半导体是硅器件，第二代是升化器件及第三代是碳化硅器件。它本身物理材料特性是非常的优秀，作为一种半导体它的导电率非常高，折算下来它所制造出来的我们的半导体器件导电电阻是我们常规器件的1/3到1/5。它可以高温工作，我们常用的硅器件是120伏为主，150的稍微少一部分，而它的最烫温度理论只能到达600伏左右，现有做出来的能够长时间受热的只有450伏左右.国外比如说日本企业预测到新一代车器件到200度左右，这样能够节省控制片，散热器、还有节省泵的装置，这样大量节省元器件，电子电容的体积重量。综合来讲还是有相当优势的。它所能制造的元器件几乎涵盖了所有碳化硅功率器件，当然高压部位现在还在研发阶段，现有的我们认为可能到600伏到900伏左右的橡胶电子管，PPT，世界各国都有相应的研究。现在国外一些厂商简单列举一下，主要有美国的的CREE公司和日本Rohm公司为主，都是作为下一代竞争我们元器件的供应厂商。其他美国欧洲有一些其他的研究，特别提到在日本有大量的车企进入到这个行业之中，从头到尾从我们新能源汽车制造企业一步一步扣成本，因为我们新能源汽车本身就是对成本扣的很细的一个行业，所以很多情况下需要每个步骤进行优化。
相对来讲我国的发展稍微靠后一点，但是现在相对来讲研发从我们这个也车企元器件各个国家的扶持都有，但是由于市场成熟程度和发展阶段限制还跟国外有较大距离的限制，有待于我们大家共同努力进一步发展我国的信息产业方面研发。这张图它的主要比较就是碳化硅二级管优势，主要是蓝色的常规的部件流部分。红色的是碳化硅部件流部分。由于这个器件本身特性的性质，我们一般常用的150伏左右，而我们的碳化硅最高做到3000伏。所以这块来损耗降低了。因此可以看出来它的损耗功率十分之一左右，尤其你的功率越高，它的优势更加明显。虽然说它的功率好，但是还是需要和其他的配件相互配合。再有就是它的驱动保护可能还是不够大，因为常用IDPP来讲最高是，这是原有的控制芯片不能形成的。另外就是现有散热，对于现阶段散热比较比较充分，但是对于现阶段它做的更加小巧更加集中，它的散热能力希望提高5-10倍左右，因此就要引用一些新有的技术。相对来讲需要采用一些新兴的技术达到功率密度提高达到高效能。因为这是我们新能源汽车发展很注重的一个目标。
之后就是提高功率密度的一些方法，从技术层面上可以提高功率密度，而保证我们价格可以下降。还是刚刚那张图，主要来讲我们提高它分装散热系统是瞄准它散热系统这块体积的一个重量，而结构跟控制这块来讲无烟器件和电容电子这块的结，而供热模块这块的碳硅器件能够提高它的运行温度和频率来提高它的功率密度。这个列举了新能源汽车发展的车用模块封装散热发展趋势。把它分为三代，最开始传统的车采用的是工业常用的硅abc的模块，直接放到冷板上，直接通过压价和保洁方式直接连接，会造成相对比较大的热阻，就是散热差一点。再往后减少层数，或者是进行双面的散热方式。再往后就是制造我们碳化硅器件中，散热增加一倍。刚刚所说的最后一种方式就是我们总结各个机构非常努力在进行的一种方式，它的主要目标还是要达到制造简便，可靠性高，低成本这三条。因为这种不同的封装方式提出来大概已有十多年了，没有充分进入商业化模式，还是因为可能大批量的制造上有一定的难度，就是制造的工艺性，可靠性，跟我们传统的硅器件相比还是相对有一定的差距。
这个是我们成功运用的新能源车中的两个例子，最早是用到莱凯斯rs600上的，因为它本身车的价格稍微贵点，它能承担的起局部价格稍微贵一点的结构，明显看出来跟其他的新能源车相比它的功率密度提高到1.5倍左右，去年Toyotacamry款双面冷却的方式希望能够逐步提高应用到我们每一款新能源汽车当中。另一方式是合并冷却系统方式，引擎类冷却和电气冷却现阶段它是两套系统，一个是110度，对应于我们引擎类冷却，而电气方面是65度，这个原因也是刚才所介绍的硅器件现有温度在110-120左右，因此如果你本身把器件提高到110，基本上它就不能工作了。因此其中一种方式是应用硅器件，使它的功率温度提高。我们硅器件现有硅器件产品提高170度左右，采用合并的冷却系统方式来提高整车的功率密度，相当于是说把一套散热装置去掉了，这样是集中把重量减下来了。同样存在于一个难度就是新型的器件优化还在进一步探索。
再有就是拓扑和控制方面的结构，一方面是新型器件带来新型的应用环境，大量应用控制回路电压形成器。传统的电流源磁控制器如果想应用到车中有两个比较大的问题，一个是老的器件由于导通方向能耗比较大，大概是我们新能源电动车的2-3倍，这个不容易接受，另一点就是在低频运行的时候或车启动或者是静止时它的工作状态非常差，将会导致大量损耗。现在现有的研究方式一个是提供新型产品，比如说电流源逆变器，能够和我们传统电源运行近贴，运行的更好。另外就是传统的不利于带动新车的弱点，可以减少我们现有车中电容电缆过大的目标。再有就是新控制，减少电容量提高功率密度，利用载波移相技术电容纹波降低15%。进行这个电流电容见效，这样电流见效就提高它的功率密度。
同样在采取新的结构之后，传统的公式法可能就不太适用了，还是要对系统进行优化，否则你的成本还是降不下来。因此我们标准一个是散热，一个是无源系统的器件方式进行整体优化，大概是一个循环结构，不断的进行确定，甚至包括一些机械结构价的设计，另外整体价格比现有成本要低，然后来确定系统优化再进行硬件设计。
最后一点刚刚提到的碳化硅应用技术，突破现有模块150度限制，封装200度以上的功率模块，解决高速开关医受干扰，实现高速门级驱动，解决散热过于集中，建立精确散热模型。新能源汽车行业本身成本控制比较明确，电流比较小，可能电压电容可能不能够接受这种新方式，这样就需要进行更先进一点的散热方式。虽然它的局部贵一点，但是系统来讲还是非常划算的。
然后还高温模块带来的挑战，原来不仅仅是高温，还有大体积的问题，因为现有车耐受模块是负55度，过去看出来负55度到负250度，很难，常规的功率是100000次温度循环，但是随着温度循环不一样，标准不一样，但是随着温高之后它的效果会大幅度下降。简单来讲就是对它的排量搭建优化，实现现有硅器件能够实现的状态。
再有就是高速开开关带来的挑战，一个是减少了它的损耗，减少了电压和电流的兼容点，提高它的安全性。再有就是驱动，区分开关，如果在高速情况下不区分会干扰情况。还有就是比较安全现阶段达到80毫秒，以后提高到10几毫秒左右。再有就是门极驱动设计，解决方式就是刚刚说的区分开关回路，保证高速开通同时减少干扰。一方面把这些控制器件集中在一块儿，进一步减少干扰。
再往后就是散热技术的发展，能采用的是这几个方面，其中一个就是热管散热，这是现在的CPU使用过程当中，虽然它的散热能力还是有待提高，但是热效能逐渐在缩小。再有就是半导体制冷，这个已经被用在车载和车型小型冰箱，可以制造一个低温的环境，这也是我们将来运用现在硅器件，可以降低我们整体散热目标。
再有就是液态金属散热，水银会是水的60到70倍。再有就是塑料化槽制冷板，搭建一些新型的喷塑，降低它的成本，提高它的功率密度。以上是我们做的研究方面和项目的介绍。提高功率密度是将来进一步降低新能源汽车价格的有效途径，要想提高它的功率就要采用新型的结构散热，控制，使用混合方式综合进行，对价格进行综合优化，达到价格降低目标。
以上就是我所进行的一些研究方面或者正在进行的研究项目的介绍，最后总结就是提高功率密度将来能够有效降低新能源汽车的其中的一个很重要的途径，要想提高功率密度就要采用新型的透气结构、散热、控制，各种方式综合进行，对于整个系统它们的价格进行综合的优化，达到降低价格的目标。再有就是新型器件同样需要供货厂商的沟通努力，进行新型的设计，不能套用。以上是我的报告，谢谢大家!
