【科学强国】蔡蔚：为新能源汽车装上中国“芯”

　　在科技创新的浪潮中，总有一些名字和他们的成就如同璀璨的星辰，点亮行业发展的前路。蔡蔚，这位被誉为新能源汽车驱动电机领域的领军人物，他的名字与一项颠覆性的技术紧密相连——“发卡式”扁线绕组电机技术。IEEE-工业应用专委会和交通电动化社区前主席认为“该技术是自稀土永磁电机发明以来，最重要的电机技术进步之一。蔡教授为电机技术的发展做出了卓越的贡献，特别是在电驱动领域”。该技术开启了全球汽车高效驱动电机技术的新篇章，成为新能源汽车中国“芯”的主流技术。

　　由蔡蔚首创的“发卡式”扁线绕组电机技术发明已引领全球汽车驱动电机技术20年之久，至今仍被视为下一代高效电机的先进技术。 供图/受访者

　　让电动车更安全

　　电动车的安全问题一直是业内和消费者热议关心的话题。电动车问世以来，爆炸失火的案例曾让不少购车者望而却步。要保障车辆的安全性，就要准确找出问题的关键。作为研制国家《电动汽车安全指南》的电机系统与电驱动安全指南专家组组长和总编制，蔡蔚分析称，近年来，电动车安全问题已经得到进一步的解决，其关键主要围绕电池、电驱动系统等方面。相比传统的油箱，电池对于穿刺和冲击等影响更为敏感。因此，电池的安全性能是电动车安全的一个关键部分。

　　除了电池，电气安全和机械安全等方面也是决定电动汽车是否安全的关键问题。在电动汽车上，电驱动系统相当于传统的发动机和变速箱，储能电池则相当于油箱，但比油箱更为复杂。专注于电气领域的蔡蔚指出，电动汽车在运行时，由于电生磁、磁生电的原理，当电机转速非常高时，一旦失控将产生一个很高的反电势。如果这一反电势超过电池电压，特别当高于控制器直流母线上的电容所允许的电压时，电容就会被击穿，引起电容起火。此外，电机在旋转的过程当中，如果电机轴产生了偏心，也将引发安全隐患。最后是电机的绝缘系统，无论是热老化还是电老化，都会引发漏电。“由于电动车引入了高电压，使得与传统汽车不太一样，电气安全问题也由此变得尤为重要。这些安全问题已经逐步得到解决。”蔡蔚告诉《小康》杂志记者。

　　诚然，电动车和传统车在某些安全问题上是相同的。此前，美国菲斯科公司生产的电动车发生了火灾事故。经过调查，事故原因并非来自电池，而是由于空调接插件接触不良导致的。早年，福特公司也因燃油汽车空调开关打火引起失火进行过大规模召回。同时，电动车在充电过程中的安全问题，如充电保护、充电桩与充电器之间的问题，都可能导致电动车起火。

　　此外，不规范的人为操作也将影响电动汽车的安全。譬如，电驱动系统在需要接地时没有接地，或修理时打开箱盖后，由于有高电压，如果维修者没有放电就开始进行修理，在这些过程中都会存在隐患。

　　发明新型电机

　　无论是车辆从停到走的运动变化，还是在百公里加速时的舒适性，都离不开电驱动系统，这些都在蔡蔚的研究领域中。据蔡蔚介绍，电驱动系统三大件包括产生动力、使车辆移动的驱动电机，控制电机旋转和速度的电力电子控制器，以及调节电机和车轮之间的转速、确保平稳加速和减速的减/变速器。故电驱动系统被称为新能源汽车的“心脏”。

　　蔡蔚表示，我国新能源汽车的发展经历了一个从无到有、从初步概念到实际应用的过程，电机、电力电子控制器等关键技术的成熟和应用是这一过程中的关键。这一过程说来简单，就是将传统电机改造成车规级电机，但实践起来却一点都不容易。不同于工业电机，车用电机不仅要能适应上山下坡和路面颠簸，还要能适应黑河零下50摄氏度的低温和海南40多摄氏度的高温，以及像青藏高原那样的高海拔、空气稀薄等富有挑战性的自然环境。

　　随着技术的发展，电动汽车的电机效率、功率密度等性能指标得到了显著提升。例如，从原有的有效材料每公斤电机产生1~2千瓦，到今天的产生6~8千瓦，这些进步使得电动汽车的性能和续航能力得到了大幅提升。为了提高系统的效率和可靠性，电驱动系统的各个组件开始趋向于集成化，将多个控制器集成到一个“多合一”的控制器中，可以简化系统结构，提高功率密度。

　　为了解决传统电机的一系列问题，蔡蔚经历了千百次实验和尝试，在不断革新中发明了“发卡式”扁线绕组电机。这一新型电机不仅使得汽车驱动系统在体积更小、重量更轻的情况下，性能更加高效、可靠，并有效地解决了电机发热问题，从而将汽车驱动技术推向了一个全新的高度，成为混合动力和新能源汽车的核心技术之一，搭载在全球多款知名车型上。通用、奔驰、宝马等全球知名汽车制造商纷纷向蔡蔚伸出了橄榄枝，希望与他合作开发新一代的汽车电机系统。

　　至今仍被视为下一代高效电机先进技术的“发卡式”扁线绕组电机技术引领全球汽车驱动电机技术20年之久，目前，“发卡式”扁线绕组电机已经成为汽车驱动电机行业的高端标配技术之一。无论是高端豪华车还是普通家用车，都可以看到它的身影。“发卡式”扁线绕组电机技术问世以来，市场占有率已超40%。业内预测，2030年基于该技术的电驱动总成全球市场占有率将达90%。

　　回国后，蔡蔚创立的精进电动公司更是将研发和产业化主线从单一的电机逐步扩展到与之相关的各个关键零部件生产领域，由此成为我国第一批新能源汽车驱动电机、功率电子控制器和“三合一”电驱动总成的出口企业。在我国开始大力推动新能源汽车向公交商用车发展的关键时刻，蔡蔚敏锐地捕捉到了这一千载难逢的机遇，带领团队迅速调整方向、改进电机设计，成功将原本为菲斯科开发的乘用车电机应用到中国的大巴车上。

　　如今，蔡蔚已然成为国内新能源汽车电机系统和电驱动研发应用领域的领军人物。他作为第一发明人拥有美国、欧盟、日本、德国、中国等国家发明专利40余项，填补了我国油冷电机技术和产品的空白，是中国油冷电机创新产品产业化装车的先行者。他的团队研发的油冷电机产品最先搭载吉利帝豪动力分流混合动力汽车和广汽传祺插电混合动力车，特别是广汽GMC1.0混动系统还搭载了广汽-本田PHEV，这是中国自主核心动力总成首次搭载合资品牌量产车。

　　要解决进口依赖

　　产业进步不能只依靠某一家企业，而是需要上下游企业的集群效应。对于新能源车产业链的国产化进展，蔡蔚分析称，我国整体产业链已经相对比较完善，在电池领域，以宁德时代和比亚迪为代表的中国电池产业已在全球处于领先地位，产量和技术水平都具备较高竞争力。在电机领域，中国电机产业的国产化率大幅提高，从原先的60%左右提升到了现在的70%多，接近80%。其中，在稀土永磁电机材料方面，中国占据全球市场约90%的份额。在功率电子芯片方面，中国在功率电子芯片领域取得了一定进展，特别是IGBT等关键部件，已能实现大部分自主生产。

　　同时，蔡蔚也指出，我国新能源车产业链发展如要更进一步，还需解决绝缘材料等原材料、高速轴承以及控制芯片的进口依赖。“我国新能源车中使用的绝缘材料原材料以及电池所需的镍、钴、锂等原材料目前主要依赖进口，尤其是镍的进口比例高达98%。高速轴承作为电机关键部件，目前仍有一大半依赖进口。第三代的功率半导体碳化硅也有待进步。此外，控制系统中使用的控制芯片MCU，国产率不到10%，主要依赖进口。尤其是第三代功率半导体碳化硅等高端产品，目前自主生产还处在早期阶段。”

　　增强教育内驱动

　　行业的兴衰无法靠一代人改写，而是要靠一代代人不懈努力。曾先后在美国威斯康星大学和瑞士苏黎世联邦工学院做客座教授和高级科学家，并于纽约上州的克拉克森大学取得博士学位的蔡蔚深知这个道理。通过对国内外教育的对比，他切身感受到我国教育的优势与不足。2019年，蔡蔚重返母校哈尔滨理工大学，担任电气学院博导教授，培养新时代的电机和电力电子人才。

　　蔡蔚不仅教授研究生电力电子和电机知识，还涉足电力系统、控制等多个领域研究。他的学生涵盖了整个电气工程产业链的多个环节。他利用学校的优势资源，研究第三代功率半导体芯片封装，包括碳化硅封装和氮化镓封装材料和工艺等前沿技术，为解决国家在电力电子领域面临的难题贡献自己的力量。

　　对于新时代的人才培养，蔡蔚直言，“我们在人才培养的数量上，特别是在工科领域，无论是硕士还是博士，数量都是世界领先的。然而，如果我们质量上比较，如果平均两位中国工科毕业生能达到一个美国毕业生的贡献水平，我们早就超越美国了。这说明我们在人才培养的质量上和发挥人才聪明才智上还有待提高。在工科教育中，发现许多工科学生和教授都面临着一个共同的问题：他们可能不擅长动手做自己领域的产品创新。比如，有些大学教师虽然学术水平高，但并不擅长将实际工业问题与学术研究相结合，甚至没到过工厂或没见过产线。同样，我们的工科院校与企业的合作相对较少，导致学生在学校学到的知识与实际应用之间存在一定程度的脱节。”

　　此外，蔡蔚指出，我国工科院校在科研经费上主要依赖国家拨款，而用于解决工业实际问题的横向课题和经费获取相对较少。这导致了我国培养出的学生动手解决问题的能力上往往不如他们的考试能力。在科研评估中，过于强调发表论文的数量和杂志影响力，而忽视了解决实际问题的重要性。评价体系也过于强调外语论文的重要性，忽略了把好论文写在祖国大地上的重要性。

　　“最近，我国正在推动卓越工程师教育，这是一个很好的方向。但在实施过程中，我们发现很多工科院校的老师并没有真正接触过他们所教授的内容在工厂的实际应用。这导致他们很难将理论与实践相结合，从而影响了教育质量。因此，我认为我们在选拔和培养工科教师时，应该更加注重与工业实际的结合。同时，我们也应该改变对学生的评价方式，从单纯的论文发表转向更多关注解决实际问题的能力。只有这样，我们才能培养出真正适应社会发展需要的高素质人才。”蔡蔚告诉《小康》杂志记者。

　　蔡蔚目前是俄罗斯工程院外籍院士、国际汽车工程师学会会士、中国汽车工程学会会士和中国电工技术学会会士，他也是国家特聘专家创新企业家专委会副主任、中国电动车百人会等三个学术团体的理事，黑龙江省头雁团队负责人、北京市海外高层次人才特聘专家，还身兼国家级专项的专家组组长重任。作为国家“十四五”重点研发计划新能源汽车总体专家组成员以及电驱动的专家组长，他正在牵头研制国家2025—2040《节能与新能源汽车技术路线图3.0》的电驱动技术路线图，参与起草“十四五”国家新能源汽车电驱动重点专项指南。他助力国家制定了一系列重要的电力电子和电机发展战略和标准规范，推动中国新能源汽车和电力电子产业的快速发展。目前他正积极参加推动黑龙江省智能农机电动化，包括混合动力和纯电动农机。

　　来源：《小康》

　　作者：袁帅

　　编辑：赵狄娜

　　审核：龚紫陌