袁帥

由蔡蔚首創(chuàng)的“發(fā)卡式”扁線繞組電機技術發(fā)明已引領全球汽車驅(qū)動電機技術20年之久，至今仍被視為下一代高效電機的先進技術。

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，點亮行業(yè)發(fā)展的前路。蔡蔚，這位被譽為新能源汽車驅(qū)動電機領域的領軍人物，他的名字與一項顛覆性的技術緊密相連——“發(fā)卡式”扁線繞組電機技術。IEEE-工業(yè)應用專委會和交通電動化社區(qū)前主席認為“該技術是自稀土永磁電機發(fā)明以來，最重要的電機技術進步之一。蔡教授為電機技術的發(fā)展做出了卓越的貢獻，特別是在電驅(qū)動領域”。該技術開啟了全球汽車高效驅(qū)動電機技術的新篇章，成為新能源汽車中國“芯”的主流技術。

讓電動車更安全

電動車的安全問題一直是業(yè)內(nèi)和消費者熱議關心的話題。電動車問世以來，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，就要準確找出問題的關鍵。作為研制國家《電動汽車安全指南》的電機系統(tǒng)與電驅(qū)動安全指南專家組組長和總編制，蔡蔚分析稱，近年來，電動車安全問題已經(jīng)得到進一步的解決，其關鍵主要圍繞電池、電驅(qū)動系統(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車安全的一個關鍵部分。

除了電池，電氣安全和機械安全等方面也是決定電動汽車是否安全的關鍵問題。在電動汽車上，電驅(qū)動系統(tǒng)相當于傳統(tǒng)的發(fā)動機和變速箱，儲能電池則相當于油箱，但比油箱更為復雜。專注于電氣領域的蔡蔚指出，電動汽車在運行時，由于電生磁、磁生電的原理，當電機轉(zhuǎn)速非常高時，一旦失控將產(chǎn)生一個很高的反電勢。如果這一反電勢超過電池電壓，特別當高于控制器直流母線上的電容所允許的電壓時，電容就會被擊穿，引起電容起火。此外，電機在旋轉(zhuǎn)的過程當中，如果電機軸產(chǎn)生了偏心，也將引發(fā)安全隱患。最后是電機的絕緣系統(tǒng)，無論是熱老化還是電老化，都會引發(fā)漏電?！坝捎陔妱榆囈肓烁唠妷?，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)的電動車發(fā)生了火災事故。經(jīng)過調(diào)查，事故原因并非來自電池，而是由于空調(diào)接插件接觸不良導致的。早年，福特公司也因燃油汽車空調(diào)開關打火引起失火進行過大規(guī)模召回。同時，電動車在充電過程中的安全問題，如充電保護、充電樁與充電器之間的問題，都可能導致電動車起火。

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

發(fā)明新型電機

無論是車輛從停到走的運動變化，還是在百公里加速時的舒適性，都離不開電驅(qū)動系統(tǒng)，這些都在蔡蔚的研究領域中。據(jù)蔡蔚介紹，電驅(qū)動系統(tǒng)三大件包括產(chǎn)生動力、使車輛移動的驅(qū)動電機，控制電機旋轉(zhuǎn)和速度的電力電子控制器，以及調(diào)節(jié)電機和車輪之間的轉(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)歷了一個從無到有、從初步概念到實際應用的過程，電機、電力電子控制器等關鍵技術的成熟和應用是這一過程中的關鍵。這一過程說來簡單，就是將傳統(tǒng)電機改造成車規(guī)級電機，但實踐起來卻一點都不容易。不同于工業(yè)電機，車用電機不僅要能適應上山下坡和路面顛簸，還要能適應黑河零下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。

隨著技術的發(fā)展，電動汽車的電機效率、功率密度等性能指標得到了顯著提升。例如，從原有的有效材料每公斤電機產(chǎn)生1～2千瓦，到今天的產(chǎn)生6～8千瓦，這些進步使得電動汽車的性能和續(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)動系統(tǒng)的各個組件開始趨向于集成化，將多個控制器集成到一個“多合一”的控制器中，可以簡化系統(tǒng)結構，提高功率密度。

為了解決傳統(tǒng)電機的一系列問題，蔡蔚經(jīng)歷了千百次實驗和嘗試，在不斷革新中發(fā)明了“發(fā)卡式”扁線繞組電機。這一新型電機不僅使得汽車驅(qū)動系統(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發(fā)熱問題，從而將汽車驅(qū)動技術推向了一個全新的高度，成為混合動力和新能源汽車的核心技術之一，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)新一代的汽車電機系統(tǒng)。

至今仍被視為下一代高效電機先進技術的“發(fā)卡式”扁線繞組電機技術引領全球汽車驅(qū)動電機技術20年之久，目前，“發(fā)卡式”扁線繞組電機已經(jīng)成為汽車驅(qū)動電機行業(yè)的高端標配技術之一。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”扁線繞組電機技術問世以來，市場占有率已超40%。業(yè)內(nèi)預測，2030年基于該技術的電驅(qū)動總成全球市場占有率將達90%。

回國后，蔡蔚創(chuàng)立的精進電動公司更是將研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化主線從單一的電機逐步擴展到與之相關的各個關鍵零部件生產(chǎn)領域，由此成為我國第一批新能源汽車驅(qū)動電機、功率電子控制器和“三合一”電驅(qū)動總成的出口企業(yè)。在我國開始大力推動新能源汽車向公交商用車發(fā)展的關鍵時刻，蔡蔚敏銳地捕捉到了這一千載難逢的機遇，帶領團隊迅速調(diào)整方向、改進電機設計，成功將原本為菲斯科開發(fā)的乘用車電機應用到中國的大巴車上。

如今，蔡蔚已然成為國內(nèi)新能源汽車電機系統(tǒng)和電驅(qū)動研發(fā)應用領域的領軍人物。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，填補了我國油冷電機技術和產(chǎn)品的空白，是中國油冷電機創(chuàng)新產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化裝車的先行者。他的團隊研發(fā)的油冷電機產(chǎn)品最先搭載吉利帝豪動力分流混合動力汽車和廣汽傳祺插電混合動力車，特別是廣汽GMC1.0混動系統(tǒng)還搭載了廣汽-本田PHEV，這是中國自主核心動力總成首次搭載合資品牌量產(chǎn)車。

要解決進口依賴

產(chǎn)業(yè)進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。對于新能源車產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化進展，蔡蔚分析稱，我國整體產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對比較完善，在電池領域，以寧德時代和比亞迪為代表的中國電池產(chǎn)業(yè)已在全球處于領先地位，產(chǎn)量和技術水平都具備較高競爭力。在電機領域，中國電機產(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域取得了一定進展，特別是IGBT等關鍵部件，已能實現(xiàn)大部分自主生產(chǎn)。

同時，蔡蔚也指出，我國新能源車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展如要更進一步，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口，尤其是鎳的進口比例高達98%。高速軸承作為電機關鍵部件，目前仍有一大半依賴進口。第三代的功率半導體碳化硅也有待進步。此外，控制系統(tǒng)中使用的控制芯片MCU，國產(chǎn)率不到10%，主要依賴進口。尤其是第三代功率半導體碳化硅等高端產(chǎn)品，目前自主生產(chǎn)還處在早期階段?！?/p>

增強教育內(nèi)驅(qū)動

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和瑞士蘇黎世聯(lián)邦工學院做客座教授和高級科學家，并于紐約上州的克拉克森大學取得博士學位的蔡蔚深知這個道理。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，擔任電氣學院博導教授，培養(yǎng)新時代的電機和電力電子人才。

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

對于新時代的人才培養(yǎng)，蔡蔚直言，“我們在人才培養(yǎng)的數(shù)量上，特別是在工科領域，無論是碩士還是博士，數(shù)量都是世界領先的。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)生能達到一個美國畢業(yè)生的貢獻水平，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)許多工科學生和教授都面臨著一個共同的問題：他們可能不擅長動手做自己領域的產(chǎn)品創(chuàng)新。比如，有些大學教師雖然學術水平高，但并不擅長將實際工業(yè)問題與學術研究相結合，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，導致學生在學校學到的知識與實際應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)費上主要依賴國家撥款，而用于解決工業(yè)實際問題的橫向課題和經(jīng)費獲取相對較少。這導致了我國培養(yǎng)出的學生動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，過于強調(diào)發(fā)表論文的數(shù)量和雜志影響力，而忽視了解決實際問題的重要性。評價體系也過于強調(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，我國正在推動卓越工程師教育，這是一個很好的方向。但在實施過程中，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)容在工廠的實際應用。這導致他們很難將理論與實踐相結合，從而影響了教育質(zhì)量。因此，我認為我們在選拔和培養(yǎng)工科教師時，應該更加注重與工業(yè)實際的結合。同時，我們也應該改變對學生的評價方式，從單純的論文發(fā)表轉(zhuǎn)向更多關注解決實際問題的能力。只有這樣，我們才能培養(yǎng)出真正適應社會發(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、國際汽車工程師學會會士、中國汽車工程學會會士和中國電工技術學會會士，他也是國家特聘專家創(chuàng)新企業(yè)家專委會副主任、中國電動車百人會等三個學術團體的理事，黑龍江省頭雁團隊負責人、北京市海外高層次人才特聘專家，還身兼國家級專項的專家組組長重任。作為國家“十四五”重點研發(fā)計劃新能源汽車總體專家組成員以及電驅(qū)動的專家組長，他正在牽頭研制國家2025—2040《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖3.0》的電驅(qū)動技術路線圖，參與起草“十四五”國家新能源汽車電驅(qū)動重點專項指南。他助力國家制定了一系列重要的電力電子和電機發(fā)展戰(zhàn)略和標準規(guī)范，推動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黑龍江省智能農(nóng)機電動化，包括混合動力和純電動農(nóng)機。