50kW/L功率密度，3.3美元/kW成本的電機(jī)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)是什么？
美國能源部旗下有一個(gè)叫做U.S. DRIVE的組織，專門負(fù)責(zé)汽車技術(shù)的規(guī)劃，它的全稱是U.S. Driving Research and Innovation for Vehicle Efficiency and Energy Sustainability， 這個(gè)組織既有政府背景也有企業(yè)支持，成員包括福特、通用UQM等生產(chǎn)企業(yè)，以及Electric Power Research Institute，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（OAK RIDGE National Laboratory）等研究機(jī)構(gòu)。該組織在2017年的時(shí)候發(fā)布了一個(gè)電動(dòng)汽車發(fā)展2025年路線圖規(guī)劃。
在該規(guī)劃中，他們給電機(jī)和電控的發(fā)展定了一個(gè)目標(biāo)，那就是到2025年時(shí)，電機(jī)控制器的效率不能低于98%；功率密度要達(dá)到100kW/L；成本要降到2.7美元/kW。電機(jī)的效率不能低于97%；功率密度要達(dá)到50kW/L或5.7kW/kg；成本要低于3.3美元/kW。
單看這些數(shù)字，可能感覺不到這些數(shù)字對(duì)電機(jī)控制器和電機(jī)廠商的要求有多高，要是跟U.S. DRIVE在2013年定的目標(biāo)比較一下的話，你的感觸可能會(huì)更深一點(diǎn)（見表1）。而且這個(gè)目標(biāo)目前只有少數(shù)幾家企業(yè)能夠達(dá)到。
表1：U.S. DRIVE發(fā)布的電機(jī)控制器和電機(jī)的目標(biāo)規(guī)劃。（數(shù)據(jù)來源：U.S. DRIVE，電子發(fā)燒友制表）
從表1中，我們可以清楚地看到提升最大的當(dāng)屬功率密度，功率密度有兩個(gè)數(shù)值，一個(gè)是相對(duì)于體積的，一個(gè)是相對(duì)于重量的。汽車用的電機(jī)更加側(cè)重于功率體積比，因?yàn)轶w積涉及到汽車的有效空間利用和乘客的體驗(yàn)。電機(jī)控制器的功率密度從2020年的13.4kW/L提升到了100Kw/L，提升了7.46倍。電機(jī)的功率體積比功率密度則提升了8.77倍。
《中國制造2025重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》中也提到了國內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展目標(biāo)：2020年、2025年和2030年乘用車20秒有效比功率要分別達(dá)到3.5、4和5kW/kg以上，商用車30秒有效比扭矩要分別達(dá)到18、19和20N·m/kg以上。
也就是說功率密度將會(huì)成為未來電機(jī)控制器和電機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的指標(biāo)。為什么功率密度會(huì)受到如此重視？因?yàn)楦吖β拭芏鹊碾姍C(jī)可以讓電機(jī)本體的體積更小，重量更輕，效率更高。高功率密度的電機(jī)一般在汽車、航空、航天、航海和工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)用更多。
高功率密度就是在一定體積下輸出更大的功率，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一般采用兩種方法來實(shí)現(xiàn)，一是提高電機(jī)的速度，把電機(jī)設(shè)計(jì)成高速電機(jī)（轉(zhuǎn)速一般會(huì)超過10000rpm）；二是設(shè)計(jì)新型機(jī)構(gòu)電機(jī)。
目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在哪里？
這個(gè)目標(biāo)容不容易實(shí)現(xiàn)呢？我們可以看看在電動(dòng)汽車領(lǐng)域技術(shù)積累很豐富的豐田。其普銳斯（Prius）的驅(qū)動(dòng)總成Pruis2010的總體成本需要34.9美元/kW，電機(jī)的功率密度為2.6kW/L，電機(jī)效率還只有85%，離2020年的目標(biāo)還有很大差距，根據(jù)豐田的規(guī)劃，估計(jì)要到2020年才能實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。
表2：豐田汽車的電機(jī)動(dòng)力總成的成本、功率密度，以及效率參數(shù)。
從豐田的案例來看，這個(gè)目標(biāo)并不那么容易實(shí)現(xiàn)，那實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)障礙在哪里呢？要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，其實(shí)最大的障礙是原材料和組件的成本、這些組件封裝后的體積、重量和損耗，以及在電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量如何處理。
原材料和組件的成本
為了降低電機(jī)的成本，最容易讓人想到的肯定是降低最昂貴組件的成本。
在過去的幾年中，隨著稀土成本的增加，讓稀土磁體的成本顯著增加，比如一個(gè)典型的IPM電機(jī)中，稀土磁體占了電機(jī)成本的53%。當(dāng)然電機(jī)的具體成本還是取決于電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這只是一個(gè)參考。
表3：典型IPM電機(jī)的原材料和組件的成本估算。
組件的體積與效率
汽車內(nèi)留給零件系統(tǒng)的空間越來越小，因此減小組件封裝體積是十分必要的。電機(jī)體積的減少，受限于目前使用的電工鋼中使用的材料所具備的磁通密度和同繞組的電導(dǎo)率等特性，除非可以采用新的材料來改善這些性能，否則減小電機(jī)體積最有效的方法，還是提高電機(jī)速度。
功率電子器件的體積主要取決于無源器件（電容和電感）的尺寸，以及功率模塊等器件的體積。由于汽車內(nèi)的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，因此，合適的熱管理是確保功率電子器件可靠和長時(shí)間運(yùn)行的關(guān)鍵。此外，在功率器件當(dāng)中，逆變器是最占體積的，最大可占整個(gè)功率模塊的40%以上的體積，如果再算上冷卻設(shè)備的話，所占的體積將更大。
橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同的開關(guān)器件進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)不同開關(guān)器件的成本、尺寸、開關(guān)速度和工作條件等進(jìn)行了對(duì)比。
表4：不同開關(guān)的成本、性能、尺寸等參數(shù)對(duì)比。（數(shù)據(jù)來源：橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室）
當(dāng)然，如果要實(shí)現(xiàn)2020年和2025年的目標(biāo)，光靠這些是不夠的，還需要新的技術(shù)和產(chǎn)品的支持。
圖1：橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室提供的電機(jī)性能提升技巧。
在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員看來，寬禁帶產(chǎn)品，比如SiC和GaN產(chǎn)品的應(yīng)用必不可少。目前也已經(jīng)有不少企業(yè)推出相關(guān)的產(chǎn)品，比如羅姆、英飛凌、Cree等都有推出SiC產(chǎn)品。SiC的產(chǎn)品在新能源汽車中的應(yīng)用案例已經(jīng)不少。
最近，日本一個(gè)由2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一，日本名古屋大學(xué)教授天野浩領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們利用GaN研發(fā)的逆變器成功應(yīng)用在了電動(dòng)汽車上，該逆變器有望讓電動(dòng)汽車節(jié)能20%以上。
圖2：為實(shí)現(xiàn)2025年電機(jī)目標(biāo)，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室建議的功率器件選擇技巧。
天野浩團(tuán)隊(duì)的測試車是“All GaN Vehicle”，于10月24日開幕的第46屆東京汽車展上展出，目前可以達(dá)到時(shí)速50公里，計(jì)劃年內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)速100公里。天野浩表示，使用GaN做逆變器的電動(dòng)汽車尚屬世界首例。但目前他們?nèi)匀幻媾R裝置的可靠性和價(jià)格這兩樣課題研究，他們希望新技術(shù)能盡快達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，爭取2025年投入市場。
提高電機(jī)的效率有很多好處，比如可以減少熱管理系統(tǒng)，從總體上減少體積、重量和成本。
組件重量
因?yàn)槿加托逝c重量是成反比的，因此減小組件的重量也至關(guān)重要。對(duì)永磁電機(jī)來說，減輕其重量一個(gè)有效的辦法是提高電機(jī)的速度。由于電機(jī)的功率與速度成正比，提高電機(jī)速度就可以增加功率密度。當(dāng)前電機(jī)的速度在16000rpm~20000rpm之間。
目前高速電機(jī)還有一些技術(shù)障礙需要突破：首先是高速電機(jī)產(chǎn)生的高離心力將使其難以在IPM設(shè)計(jì)中保留磁體；二是電機(jī)轉(zhuǎn)速比較高，電磁負(fù)荷相應(yīng)也會(huì)增加，這樣就會(huì)增加電機(jī)單位體積損耗，導(dǎo)致電機(jī)零部件的溫度上升，進(jìn)而對(duì)冷卻方式的要求提高；三是傳統(tǒng)齒輪和軸承可能無法承受跟高的速度；四是為了使齒輪箱高速運(yùn)行而對(duì)機(jī)械組件的其他要求可能會(huì)抵消電機(jī)的節(jié)省，成本得不到顯著降低。
結(jié)語
總的來說，要想達(dá)到這些目標(biāo)，現(xiàn)有的技術(shù)可能很難達(dá)到，必須要探索多種技術(shù)，對(duì)電機(jī)和電力電子設(shè)備都進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)電機(jī)而言，需要考慮新的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁體材料和制造方法等；對(duì)電力電子設(shè)備，要考慮半導(dǎo)體開關(guān)、電容、磁性材料、封裝和新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；除此之外，還需要考慮控制系統(tǒng)組件的溫度挑戰(zhàn)。
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