2025年美國(guó)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)電控“路線圖”解讀

美國(guó)能源部在2017年發(fā)布了電動(dòng)汽車發(fā)展2025路線圖規(guī)劃。對(duì)電動(dòng)汽車及其三電系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)給出了指導(dǎo)性意見。這份路線圖是一個(gè)叫 U.S.Drive的組織撰寫的。這是個(gè)即具有政府背景又聯(lián)合了企業(yè)力量的聯(lián)盟組織,成員既有有福特、 通用 、UQM等生產(chǎn)企業(yè),也有Electric Power Research Institute、橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)?？梢哉f他們代表了美國(guó)在該領(lǐng)域的頂級(jí)技術(shù)力量。他們?cè)?013年發(fā)布過2020年路線圖,在全世界范圍內(nèi)形成了標(biāo)桿影響力,現(xiàn)在五年過去了, 新的路線圖對(duì)電機(jī)電控技術(shù)發(fā)展都作了哪些規(guī)劃呢?

2025年電機(jī)電控發(fā)展路線圖

?從2020到2025

2025年路線圖是2020年的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步延伸,主要是從效率、功率密度、成本方面作出指標(biāo)要求。其對(duì)電機(jī)電流的具體要求如下:

從中發(fā)現(xiàn)在電機(jī)效率、功率密度、成本方面都有較大的提升,不僅如此在可靠性要求方面,也從2020年的15年/15萬(wàn)英里提高到了2025年15年/30萬(wàn)英里。

?成本和功率密度要求進(jìn)一步提高

這份路線圖核心的要求是成本和功率密度,因?yàn)檫@關(guān)系到EV總體商業(yè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)。根據(jù)路線圖描述:在2025年,峰值功率為100kw的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),總成本要求達(dá)到6$/kw,而這個(gè)指標(biāo)在2020年只有8$。相應(yīng)的電控的要求在2025年達(dá)到2.7$/kw,電機(jī)需要達(dá)到3.3$/kw。

在功率密度方面,側(cè)重對(duì)功率體積比的定義(他們認(rèn)為體積涉及到汽車的有效空間利用和乘客體驗(yàn),從商業(yè)層面上功率體積比, 比功率重量比更重要)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)峰值功率密度要在2025年達(dá)到33kw/L,遠(yuǎn)高于2020年4kw/L的指標(biāo),分解到電控需要到100kw/L,分解到電機(jī)需要到50kw/L,這兩個(gè)指標(biāo)分別是2020年要求的7.5倍和8.8倍。

?這個(gè)差距到底有多大?

一定的定量的概念,才能理解這件事情。我們常常分析的豐田prius,BMW都是什么樣的水平呢?

pruis2010的驅(qū)動(dòng)總成成本要34.9$/kw,電機(jī)的功率密度才2.6kw/L,連2020年的目標(biāo)都沒有達(dá)到。

較新一點(diǎn)的BMWi3 2016版本的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)有一定進(jìn)步,其電機(jī)的功率密度達(dá)到9.2kw/L,電控的功率密度達(dá)到18.5kw/L,這超過2020年目標(biāo)水平,但未達(dá)到2025年水平,其成本數(shù)據(jù)也未公布。

U.S.Drive統(tǒng)計(jì)了2017年領(lǐng)先企業(yè)的技術(shù)指標(biāo),其平均水平如下表,在功率密度方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,基本達(dá)到了2015年要求,但成本仍然偏高,可見成本是關(guān)鍵之中的關(guān)鍵。

?模型成本的差距:

更進(jìn)一步我們對(duì)照控制器和電機(jī)的目標(biāo)成本目標(biāo)模型。100kw的控制器,功率模塊和驅(qū)動(dòng)模塊成本需要達(dá)到59美元和60美元, 功率模塊成本占比需要從39%降低到23%。

在電機(jī)方面,一個(gè)100kw的電機(jī)總成本330美元,其中磁鋼的成本需要達(dá)到13美元,(這是什么概念?)占比從現(xiàn)在的8%降低到4%。(8%應(yīng)該是統(tǒng)計(jì)的非稀土電機(jī))

?這份路線圖是怎么設(shè)定出來的:倒逼

指標(biāo)提這么高,真是蠻橫霸道不講道理,他們給出控制器的技術(shù)理由是:WBG寬帶隙功率器件的應(yīng)用推廣,這種材料比硅基功率器件擁有更高的開關(guān)頻率、更高的工作溫度,和更低的成本。因此能帶來成本和提及的雙雙降低。

電機(jī)的技術(shù)理由也類似,大意是:現(xiàn)有材料的利用率還可以提高,需要新材料的利用和新概念的電機(jī)設(shè)計(jì)。

之所以設(shè)定這么高的要求,肯定不是參考了現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,更多的是為實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)目標(biāo)。其假設(shè)前提條件是要在2025年達(dá)到純電動(dòng)汽車在汽車市場(chǎng)占比10%,在2040年占比35%的目標(biāo),必須要在成本和體積效率上有更大的突破,從而獲得相對(duì)傳統(tǒng)汽車的競(jìng)爭(zhēng)力。從市場(chǎng)到產(chǎn)品,從汽車總產(chǎn)品再到電機(jī)電控子產(chǎn)品一級(jí)一級(jí)往下分,就是這么些指標(biāo),這是令全行業(yè)都敬畏的數(shù)字。

?有沒有人可能達(dá)到目標(biāo)

還真有可能, 橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室就在2017年開發(fā)出一款電機(jī)產(chǎn)品,在功率密度、成本都能超過了2020年要求。

這款電機(jī)是鐵氧體永磁同步電機(jī),轉(zhuǎn)子采用雙層SPOKE結(jié)構(gòu),經(jīng)過測(cè)試這款峰值功率為103kw的電機(jī),轉(zhuǎn)矩密度比prius2010提高了10%,最高轉(zhuǎn)速提高了20%。

如果以9000rpm 103kw的峰值工況工況計(jì)算,該電機(jī)功率密度達(dá)到10.3kw/L,成本降低到4.4$kw,實(shí)現(xiàn)了2020的目標(biāo)。其采用的核心創(chuàng)新點(diǎn)就是無(wú)稀土技術(shù)和自動(dòng)優(yōu)化算法。

當(dāng)然離2025的目標(biāo)還有差距,但后續(xù)的電機(jī)方案已經(jīng)在優(yōu)化中。在下一代的產(chǎn)品中,功率密度會(huì)提高50%達(dá)到16.2kw/L,4.5kw/kg,轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到32Nm/L,8.9Nm/kg。也算是往前進(jìn)了一大步。

路在何方---技術(shù)突破

為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo),路線圖中也給出了相應(yīng)的技術(shù)路線。這里介紹下電機(jī)的方面的發(fā)展路線。我不完全的總結(jié)了下大致分三個(gè)方向。

一大類是新材料的應(yīng)用,高導(dǎo)熱的材料能夠提高傳熱能力,高耐溫的的材料(比如陶瓷絕緣銅線)能提高耐熱等級(jí),兩者一整合就能大幅降低電機(jī)體積,提高功率密度。

另外一類就是新電機(jī)方案的創(chuàng)新,比如無(wú)稀土電機(jī)技術(shù)能夠降低電機(jī)成本,串并聯(lián)切換繞組方案能夠解決高低速效率平衡問題。

最后一類是新建模方法和新優(yōu)化方法的發(fā)展,如何更好的理解硅鋼、磁鋼等材料的物理性能--比如高頻損耗、超薄硅鋼的導(dǎo)磁能力等等。另外優(yōu)化工作量也越來越大,如何快速而精確的進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算等等都是需要繼續(xù)探索的方向。

限于篇幅我只介紹兩種新技術(shù),供大家開開腦洞。

?1.局部去磁化的同步磁阻電機(jī)

同步磁阻電機(jī)的關(guān)鍵上提高凸極比,因此磁橋越窄越好,但是磁橋過窄,轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度不夠,磁橋處容易應(yīng)力集中。通用公司開發(fā)出了一種磁橋后處理技術(shù),通過局部滲硅處理,能夠?qū)⒋艠虿糠值牟牧先ゴ呕?不具備導(dǎo)磁能力。另外一方面滲硅后材料的強(qiáng)度反而獲得了加強(qiáng)。這種特性解開了漏磁和強(qiáng)度的關(guān)系,大幅提高了同步磁阻電機(jī)的性能。

?2.天頂星科技----超高導(dǎo)電率技術(shù)

這種技術(shù)是利用一種碳基復(fù)合材料,簡(jiǎn)稱CNT,這種材料的擁有比銅高100倍的電導(dǎo)率,10倍的導(dǎo)熱能力,300倍的強(qiáng)度。通過一系列工藝將CNT材料附著在銅片上,一層銅一層CNT,如此層層疊加,最后通過熱處理做成一種新的復(fù)合材料,這種新材料的導(dǎo)電和耐熱能力是目前漆包線數(shù)倍。

?給我們帶來的啟示

美國(guó)制定路線圖意圖就是強(qiáng)力推進(jìn)本土企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新,DOE明確宣稱,現(xiàn)在的目標(biāo)是已有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,從2015到2020需要一次技術(shù)突破,從2020到2025年還需要一次技術(shù)突破 ,只有勇于向前的企業(yè)才能脫穎而出。作為跟隨者我們?cè)摵稳ズ螐陌?

創(chuàng)新、創(chuàng)新、創(chuàng)新重要的事情說三遍。有財(cái)力的企業(yè)一定要建設(shè)自己的核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。中興的事件,已經(jīng)給了我們足夠的警訊, 跟隨模仿的老路已經(jīng)越來越窄了。