蔡蔚：為新能源汽車裝上中國“芯”

袁帥

由蔡蔚首創的“發卡式”扁線繞組電機技術發明已引領全球汽車驅動電機技術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，點亮行業發展的前路。蔡蔚，這位被譽為新能源汽車驅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——“發卡式”扁線繞組電機技術。IEEE-工業應用專委會和交通電動化社區前主席認為“該技術是自稀土永磁電機發明以來，最重要的電機技術進步之一。蔡教授為電機技術的發展做出了卓越的貢獻，特別是在電驅動領域”。該技術開啟了全球汽車高效驅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內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》的電機系統與電驅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得到進一步的解決，其關鍵主要圍繞電池、電驅動系統等方面。相比傳統的油箱，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，電驅動系統相當于傳統的發動機和變速箱，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，當電機轉速非常高時，一旦失控將產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，電機在旋轉的過程當中，如果電機軸產生了偏心，也將引發安全隱患。最后是電機的絕緣系統，無論是熱老化還是電老化，都會引發漏電。“由于電動車引入了高電壓，使得與傳統汽車不太一樣，電氣安全問題也由此變得尤為重要。這些安全問題已經逐步得到解決。”蔡蔚告訴《小康》雜志記者。

誠然，電動車和傳統車在某些安全問題上是相同的。此前，美國菲斯科公司生產的電動車發生了火災事故。經過調查，事故原因并非來自電池，而是由于空調接插件接觸不良導致的。早年，福特公司也因燃油汽車空調開關打火引起失火進行過大規模召回。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，不規范的人為操作也將影響電動汽車的安全。譬如，電驅動系統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，都離不開電驅動系統，這些都在蔡蔚的研究領域中。據蔡蔚介紹，電驅動系統三大件包括產生動力、使車輛移動的驅動電機，控制電機旋轉和速度的電力電子控制器，以及調節電機和車輪之間的轉速、確保平穩加速和減速的減/變速器。故電驅動系統被稱為新能源汽車的“心臟”。

蔡蔚表示，我國新能源汽車的發展經歷了一個從無到有、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，就是將傳統電機改造成車規級電機，但實踐起來卻一點都不容易。不同于工業電機，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性的自然環境。

隨著技術的發展，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生1～2千瓦，到今天的產生6～8千瓦，這些進步使得電動汽車的性能和續航能力得到了大幅提升。為了提高系統的效率和可靠性，電驅動系統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，可以簡化系統結構，提高功率密度。

為了解決傳統電機的一系列問題，蔡蔚經歷了千百次實驗和嘗試，在不斷革新中發明了“發卡式”扁線繞組電機。這一新型電機不僅使得汽車驅動系統在體積更小、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熱問題，從而將汽車驅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，希望與他合作開發新一代的汽車電機系統。

至今仍被視為下一代高效電機先進技術的“發卡式”扁線繞組電機技術引領全球汽車驅動電機技術20年之久，目前，“發卡式”扁線繞組電機已經成為汽車驅動電機行業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。“發卡式”扁線繞組電機技術問世以來，市場占有率已超40%。業內預測，2030年基于該技術的電驅動總成全球市場占有率將達90%。

回國后，蔡蔚創立的精進電動公司更是將研發和產業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領域，由此成為我國第一批新能源汽車驅動電機、功率電子控制器和“三合一”電驅動總成的出口企業。在我國開始大力推動新能源汽車向公交商用車發展的關鍵時刻，蔡蔚敏銳地捕捉到了這一千載難逢的機遇，帶領團隊迅速調整方向、改進電機設計，成功將原本為菲斯科開發的乘用車電機應用到中國的大巴車上。

如今，蔡蔚已然成為國內新能源汽車電機系統和電驅動研發應用領域的領軍人物。他作為第一發明人擁有美國、歐盟、日本、德國、中國等國家發明專利40余項，填補了我國油冷電機技術和產品的空白，是中國油冷電機創新產品產業化裝車的先行者。他的團隊研發的油冷電機產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車。

要解決進口依賴

產業進步不能只依靠某一家企業，而是需要上下游企業的集群效應。對于新能源車產業鏈的國產化進展，蔡蔚分析稱，我國整體產業鏈已經相對比較完善，在電池領域，以寧德時代和比亞迪為代表的中國電池產業已在全球處于領先地位，產量和技術水平都具備較高競爭力。在電機領域，中國電機產業的國產化率大幅提高，從原先的60%左右提升到了現在的70%多，接近80%。其中，在稀土永磁電機材料方面，中國占據全球市場約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，已能實現大部分自主生產。

同時，蔡蔚也指出，我國新能源車產業鏈發展如要更進一步，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。“我國新能源車中使用的絕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，控制系統中使用的控制芯片MCU，國產率不到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品，目前自主生產還處在早期階段。”

增強教育內驅動

行業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。通過對國內外教育的對比，他切身感受到我國教育的優勢與不足。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、控制等多個領域研究。他的學生涵蓋了整個電氣工程產業鏈的多個環節。他利用學校的優勢資源，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，蔡蔚直言，“我們在人才培養的數量上，特別是在工科領域，無論是碩士還是博士，數量都是世界領先的。然而，如果我們質量上比較，如果平均兩位中國工科畢業生能達到一個美國畢業生的貢獻水平，我們早就超越美國了。這說明我們在人才培養的質量上和發揮人才聰明才智上還有待提高。在工科教育中，發現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品創新。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問題與學術研究相結合，甚至沒到過工廠或沒見過產線。同樣，我們的工科院校與企業的合作相對較少，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。”

此外，蔡蔚指出，我國工科院校在科研經費上主要依賴國家撥款，而用于解決工業實際問題的橫向課題和經費獲取相對較少。這導致了我國培養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，過于強調發表論文的數量和雜志影響力，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，我們發現很多工科院校的老師并沒有真正接觸過他們所教授的內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，從而影響了教育質量。因此，我認為我們在選拔和培養工科教師時，應該更加注重與工業實際的結合。同時，我們也應該改變對學生的評價方式，從單純的論文發表轉向更多關注解決實際問題的能力。只有這樣，我們才能培養出真正適應社會發展需要的高素質人才。”蔡蔚告訴《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新企業家專委會副主任、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”重點研發計劃新能源汽車總體專家組成員以及電驅動的專家組長，他正在牽頭研制國家2025—2040《節能與新能源汽車技術路線圖3.0》的電驅動技術路線圖，參與起草“十四五”國家新能源汽車電驅動重點專項指南。他助力國家制定了一系列重要的電力電子和電機發展戰略和標準規范，推動中國新能源汽車和電力電子產業的快速發展。目前他正積極參加推動黑龍江省智能農機電動化，包括混合動力和純電動農機。