新能源智能汽车

归航:驶向新能源汽车的创新征程

大家好!大家都知道我们古代有四大发明,这是中华民族璀璨文明的代表。现在,中国科技有了新时代的名片。过去十年,我国新能源汽车年产销量从万辆级跨越到千万辆级,产品出口到70多个国家和地区,占世界比重超60%,成为中国制造的一张“靓丽名片”。

正如习近平总书记所强调的“发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路”。当前,新能源汽车正逐步成为市场主流,中国新能源汽车已经并将持续引领全球新能源汽车市场发展。

我是刘朝辉,是国家新能源汽车技术创新中心的一名新能源汽车研发工程师。我将用自己的经历,来讲述新能源汽车人的故事。

一、百废待兴:老一辈汽车人的艰难起步

1985年,我出生于山西运城一个小乡村。这一年我国共生产汽车约44万辆,汽车产业百废待兴,进口汽车是高档车的代名词。刚刚成立两个月的上海大众,引进德国大众的桑塔纳(Santana),实现国产化试装生产。这是汽车工业中外合资的起点,拉开了中国轿车工业现代化、市场化和合资化的序幕。

1995年,10岁的我是一名中学生。这一年,中国第一辆新能源汽车“远望号”诞生。这是一款纯电动大客车,拉开了中国新能源汽车起步的序幕。请问大家,知道远望号是谁牵头开发的吗?他就是北京理工大学的孙逢春院士!

这个项目起源于1992年,时年36岁的孙逢春院士担任中方的技术负责人,当时美方负责提供动力系统,电机及控制器、电池等,中方负责开发电动汽车车身和底盘。电动客车项目做完之后,当时说好卖给香港一家公司,掌握核心技术的外国公司继续提供动力系统,结果他们突然坐地起价,导致项目终止。

孙逢春院士后来接受采访时说,这算是对他打击最大的一件事,切实感受到什么叫没有核心技术,什么叫被卡脖子。遭遇这个打击之后,孙院士团队下定决心,自己研发电机和控制器。经历了一年多的时间,成功做出来了我国第一次完全自主知识产权的电机电控系统、自动变速传动系统,而且原理上比国外要先进,能效比也比国外高。

今天很高兴来到中国第一辆电动汽车“远望号”的诞生地,北京理工大学,北京理工大学与中国的新能源汽车发展有着与生俱来的紧密关系,为中国的新能源汽车事业培养了无数人才,作出了突出贡献。

二、时代召唤:与新能源汽车的不解之缘

2005年,20岁的我是一名大学生。当时的我,可能像在座的很多人一样迷茫,不清楚未来要干什么,方向在哪里。

当时,我国迎来了举世瞩目、彪炳史册的2008北京奥运会。一个偶然的机会,我了解到,奥运会批量使用595辆新能源汽车,防止空气污染,推动科技奥运和绿色奥运。这正式拉开了中国新能源汽车发展的序幕,也让我对新能源汽车技术产生了浓厚的兴趣。当时我作为北航的硕士研究生,选择电动汽车动力系统的控制算法作为课题,正式开始了与新能源汽车技术的不解之缘。

2015年,30岁的我,是英国谢菲尔德大学的博士研究生,研究课题是新能源汽车双向充电系统研究,这是我第一次接触第三代半导体——碳化硅器件。而现在,“第三代半导体”已经成为我职业道路的主色。

当时,在电驱系统的理论、技术、产业等方面,国外是远远走在我们之前的。实验室的电机台架、双向电源、多用途负载等都是难得一见的设备。我一直告诉自己,珍惜这难得的学习机会,要比外国学生多付出一倍的努力。我所在的实验室都是外国学生。每天一到晚上,实验室就剩我自己加班。经常在实验室熬夜到凌晨,三把椅子拼在一起躺一会儿,上午继续干活。

后来我的博士课题顺利完成,研究成果得到了国际同行的认可,受邀参加了美国举办的国际会议并作特邀报告,获得了年度最佳报告奖。这是我们电气领域最权威的国际会议,坚定了我继续努力的决心。

而在我熬夜做实验看示波器的同时,中国新能源汽车开始快速成长。这一年,新能源汽车产业未来十年发展路线图确定。市场爆发、政策密集出台、资本集中投入。新能源汽车销量突破33万辆,首次超越美国,首次全球第一。这一年被称为中国新能源汽车产业化元年。

博士毕业后,我继续在英国一家世界500强企业任职,从事新能源汽车研发工作。短短两年里两次升职,创造了华人工程师的晋升记录。但是,离家越想家,出国更爱国,在外漂泊的游子,我心始终是中国心。祖国的发展牵动着我的心,2019年的国庆阅兵,让万里之外的我热泪盈眶。我也有幸参与2019海外英才北京行活动,第二年我正式回国加入国创中心。

三、攻克“芯”脏:第三代半导体的自主创新

2025年,中国新能源汽车已走在国际前列。高功率密度的电驱动系统和第三代车规级半导体,已成为新能源汽车领域的核心技术之一。回国后,作为一位新能源汽车领域和半导体领域的一线科技人员,我一直将推动关键核心技术自主可控,加强创新链产业链融合,作为自己的使命。针对国家经济建设重大需求,和新能源汽车“电动化”的发展趋势,我和团队围绕基于第三代半导体的高性能电驱动系统这一难题展开研究,构建了“SiC材料机理为基础、高温低损耗封装为核心、车规级电驱系统集成为应用”的研究框架,在SiC功率芯片封装、电驱集成方面取得系统性成果。

刚才讲到,孙院士在90年代开发了第一款动力系统。随着第三代半导体的应用,如何发挥第三代半导体碳化硅的优势,持续提升系统功率密度,是行业面对的共同难题。我和团队对标全球首个采用碳化硅器件的特斯拉逆变器,研发了三代电机控制器。我们另辟蹊径,提出行业第一个集成陶瓷电容替代传统薄膜电容的集成方案,将功率密度提升到了75kW到100kW/L。美国能源部DOE发展规划中,提到目标是到2025年将电机控制器功率密度提升到100kW/L,而我们团队提前三年就达到了这个指标。目前我们正在进一步开发第四代产品,采用嵌入式工艺和氮化镓器件,预计还将大幅提升这一指标。

我们的电机控制器研发过程中,发现目前,新能源汽车SiC芯片封装技术仍由少数国外厂家垄断,国内厂商推出的封装技术主要还是沿用传统封装形式(如HPD等)。汽车产业亟待新型SiC封装形式。在工信部重点专项的支持下,我们团队对标国际领先的Danfoss 公司的DCM封装,突破了双面银/铜烧结共性封装工艺技术、高效散热器及低界面热阻集成方法和多芯片均流等关键技术,开发了1200V/660A的单面散热半桥塑封SiC功率芯片封装。主回路寄生电感<5nH,各芯片结温最大不均衡度<10%,最高工作结温200℃。显著提升模块的高温服役可靠性,功率循环寿命提高4倍。实现了关键零部件的自主替代。

为了进一步提高系统效率,我们开始在热管理上做文章。目前新能源汽车行业电机控制器普遍采用间接水冷技术,冷却能力存在物理极限。在北京市杰出青年科学基金的支持下,我带领团队突破功率器件浸没式热管理技术,建立了浸没式冷却系统多物理场热流耦合仿真模型,开发了全球首款浸没式油冷功率芯片封装模块,功率芯片直接浸没在冷却介质中,热量通过冷却介质直接传递,结流热阻≤0.059 K/W,较同类产品降低70%,具有极高散热效率。浸没式热管理封装技术,是我们首次在国际上提出,并且经过了第三方测试,为高功率密度的系统集成提供了中国方案。

在新能源汽车电驱系统研发中,电机模拟是重要环节。当前,我们全部依靠AVL、SciLAB等国外品牌,100%国外垄断,因此价格很昂贵,动辄1000万起步。我们团队和哈工大汽车学院一起,下定决心研发自己的电机模拟器。这里要解决的问题非常多,要保证模拟的精度、故障的注入、谐波的抑制等。经过一次次理论推导、现场调试,我们终于开发了国内首台250kW电机模拟器,试验结果完全可以对标AVL,而我们的成本仅有三分之一。从而打破了国外科研设备的垄断。

北京市近年来,全力建设国际科技创新中心,高度重视科技、人才、教育,北京市人才局、北京市科委等机构给了我个人很多的支持,我获得了北京市杰出青年科学基金资助,获得了北京市劳动模范,北京市卓越工程师等荣誉。非常幸运在北京这片科技创新的热土奋斗,在这里,科技创新没有止境,科研攻关永远在路上。

四、强国有我:科技创新的薪火传承

2035年,距离中国第一辆新能源汽车“远望号”已经过去40年。这四十年,中国新能源汽车犹如一条澎湃的江河,在政策护航和技术创新的双重推动下,汇聚成汹涌澎湃的时代洪流。

2035年,我国将基本实现社会主义现代化,从制造大国迈向制造强国。中华民族伟大复兴的壮丽前景和宏伟画面,令人鼓舞,催人奋进。你们是国家的未来和希望,使命光荣,责任重大。

今天,你们十七八岁,青春洋溢,满怀希望。请大家展望十年后,你们在哪里,在做什么。那时候你们已经是各行各业的中坚力量,成为建设祖国的主力。一代人有一代人的使命,你们在年富力强的时候,恰逢国家迈向现代化强国的关键期,这是非常幸运的一件事情。

今年是抗日战争胜利暨世界反法西斯战争胜利80周年,9月3日,我有幸参加了天安门广场重大活动观礼,现场见证祖国的壮大,至今仍然心潮澎拜。同学们,北京理工大学是中国共产党创办的第一所理工科大学,诞生在抗日烽火燃烧的年代,诞生在中国革命圣地延安。希望你们能够牢记习近平总书记的嘱托,科技强国,敢于创新,将个人的理想追求与国家的发展需要紧密结合。希望你们“德以明理,学以精工”,在传承中创新,在创新中传承,勇于探索,砥砺前行,为实现中华民族伟大复兴的中国梦添砖加瓦。