Motor Matters電機(jī)的轉(zhuǎn)型升級(jí)

新設(shè)計(jì)、新材料將是下一代電動(dòng)汽車動(dòng)力電機(jī)的關(guān)鍵。

新設(shè)計(jì)和新材料對(duì)下一代電動(dòng)汽車推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)至關(guān)重要。

如今，汽車電氣化需求穩(wěn)步增長(zhǎng)，可能創(chuàng)造數(shù)十億甚至上百億美元的業(yè)務(wù)，汽車行業(yè)對(duì)此已經(jīng)開(kāi)始為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型布局。

福特公司表示，公司計(jì)劃在 2022 年前推出大約 40 款電動(dòng)車型，其中包括 16款全新的純電動(dòng)汽車。本田預(yù)計(jì)，到 2030 年，電動(dòng)汽車將占該公司全球銷售額的三分之二。通用汽車公司計(jì)劃到 2023 年在全球范圍內(nèi)推出 20 款電動(dòng)車型。傳統(tǒng)豪車品牌法拉利也加入了汽車電氣化的大軍。我們不難從這些全球主要汽車制造商的行動(dòng)中看出，推進(jìn)系統(tǒng)的電氣化幾年后將不再是新事物。此后，各家廠商將專注于發(fā)展可以提高推進(jìn)效率的設(shè)計(jì)、工藝和制造等關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

舉個(gè)例子，為了在電推進(jìn)系統(tǒng)的完整價(jià)值鏈上（即從電池組到動(dòng)力電子組件再到電機(jī)）掌握主動(dòng)權(quán)，博世在 2019 年初接手了其與戴姆勒合資的電機(jī)研發(fā)公司 EM-motiv 的全部所有權(quán)和控制權(quán)。博世認(rèn)為，僅對(duì)電動(dòng)汽車的系統(tǒng)性熱管理這一項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化，即有潛力將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程提高 20%。

博世公司在最近的一次發(fā)布中表示，“歸根結(jié)底，電氣化交通出行取得突破的關(guān)鍵在于以低廉的成本提供可以滿足需求的續(xù)航里程?！?/p>

博世新款電驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可提供非凡性能。

定制設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)往往集中于電池容量，然而驅(qū)動(dòng)電機(jī)也同樣重要，重要程度甚至堪比傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。事實(shí)上，電機(jī)功率和效率是相互關(guān)聯(lián)的，因此根據(jù)不同車輛推進(jìn)系統(tǒng)定制不同功率和效率的電機(jī)至關(guān)重要，但也同時(shí)需要大量投資。

目前，汽車行業(yè)中主要采用“永磁”和“感應(yīng)”兩種主要交流牽引電機(jī)，兩者各有利弊。許多汽車制造商和供應(yīng)商都青睞于工作效率更高的永磁電機(jī)，其中幾家最著名的制造商包括本田、豐田、通用和寶馬。

對(duì)比來(lái)說(shuō)，交流感應(yīng)電機(jī)的效率較低，但也憑借更高的最高功率輸出贏得了一些支持者，比如電動(dòng)汽車領(lǐng)頭企業(yè)特斯拉。目前，特斯拉的高性能大尺寸 Model S 和 Model X 系列均采用了交流感應(yīng)電機(jī)，但最近推出的緊湊型 Model 3 卻采用了永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

過(guò)去，大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為感應(yīng)電機(jī)更適合尺寸更大、重量更重或?qū)π阅芤蟾叩碾妱?dòng)汽車。事實(shí)上，永磁電機(jī)的應(yīng)用也并非僅限于一些尺寸更小且更注重效率的車型。目前，盡管電動(dòng)汽車初創(chuàng)公司 Rivian 并未透露旗下 R1T 電動(dòng)皮卡和 R1S 運(yùn)動(dòng)多功能車的具體規(guī)格，但一位公司發(fā)言人向《汽車工程雜志》證實(shí)，這兩款車型的每個(gè)車輪均配備了獨(dú)立的電機(jī)，且這些電機(jī)采用了永磁設(shè)計(jì)。

美國(guó)電動(dòng)汽車初創(chuàng)公司 Rivian 為每個(gè)車輪均配備了獨(dú)立的牽引電機(jī)，封裝在一個(gè)可容納兩個(gè)電機(jī)的機(jī)殼中，其中裝有為每個(gè)電機(jī)獨(dú)立配備的變速器。

探索新材料

通常來(lái)說(shuō)，永磁電機(jī)生產(chǎn)經(jīng)常受制于重稀土元素的供應(yīng)，正因如此，一些高產(chǎn)量制造商一直對(duì)永磁電機(jī)“敬而遠(yuǎn)之”。目前，全球重稀土元素供應(yīng)主要來(lái)自中國(guó)。據(jù)估計(jì)，中國(guó)的稀土儲(chǔ)量占全球的35-40%，比如釹和鏑，而這兩種稀土元素均對(duì)各類磁性產(chǎn)品的生產(chǎn)非常重要。

通常來(lái)講，汽車牽引電機(jī)中使用的磁體需要較高的矯頑力，也就是磁體在車輛常見(jiàn)高溫環(huán)境下保持磁性的能力，而磁體的這種性能主要與其中含有的稀土材料有關(guān)。通常來(lái)說(shuō)，磁體中 30% 的原材料都是稀土。

2016 年年中，本田汽車有限公司和大東鋼鐵有限公司（Daido Steel）共同發(fā)布了全球首款專為電動(dòng)汽車量產(chǎn)而研發(fā)的新型磁體材料—熱變形釹。該材料將首次用于 2017 款 2017 FreedSport Hybrid 混合動(dòng)力小貨車搭載的新型永磁牽引電機(jī)。

具體來(lái)說(shuō)，這種新型熱變形釹材料不需要注入鏑或鋱等“重”稀土元素，即可優(yōu)化對(duì)牽引電機(jī)至關(guān)重要的一項(xiàng)指標(biāo)——高耐熱性。

本田最新款 Insight 和 Accord 雅閣混合動(dòng)力車型均采用了旗下第三代雙電機(jī)（牽引電機(jī)和發(fā)電機(jī)）混合動(dòng)力設(shè)計(jì)；據(jù)本田透露，這兩臺(tái)電機(jī)所用磁體均不使用重稀土金屬。據(jù)稱，Insight 混合動(dòng)力汽車的牽引電機(jī)可提供129 hp 和267 N·m的動(dòng)力輸出。

無(wú)獨(dú)有偶，豐田也曾在去年表示，公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種釹元素含量顯著降低的新型耐熱電機(jī)磁鐵。豐田在新聞稿中表示：“這種新型磁體可在高溫條件中使用，且其中釹稀土元素的用量明顯減少?！?/p>

豐田補(bǔ)充道，這種新型磁體并不使用“高耐熱釹磁體所必需的”鋱或鏑元素，“我們采用了成本更低的鑭和鈰進(jìn)行替代，從而減少了磁體中釹的用量?！?/p>

豐田工程師認(rèn)為，鑭和鈰的儲(chǔ)量豐富且成本低廉，但同樣可以幫助磁體保持高耐熱性和高矯頑力。

美國(guó)能源部高級(jí)研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu) ARPA-e 也啟動(dòng)了“REACT 關(guān)鍵技術(shù)中的稀土替代材料計(jì)劃”（Rare EarthAlternatives in Critical Technologies），以開(kāi)發(fā)成本更低、供應(yīng)更可靠的稀土替代品。過(guò)去十年里，REACT 項(xiàng)目已資助了數(shù)個(gè)使用非稀土磁體的電動(dòng)汽車研發(fā)項(xiàng)目。

隨著電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)的研發(fā)重點(diǎn)必定在于提高效率、功率和可靠性。本田、通用汽車（Bolt 電動(dòng)汽車）等公司已經(jīng)從為定子繞組配備的方截面導(dǎo)線得到了可靠的結(jié)果—方形導(dǎo)線的“排布”更加高效，可以提高給定區(qū)域的密度。一些消息來(lái)源稱，繞組技術(shù)也會(huì)對(duì)電機(jī)的功率輸出和效率產(chǎn)生重大影響。

本田為 2019 款I(lǐng)nsight 混動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)/發(fā)電機(jī)，減少了電機(jī)磁體中稀土材料的用量。

安裝設(shè)計(jì)

在純電動(dòng)汽車應(yīng)用中，牽引電機(jī)通常用于驅(qū)動(dòng)車軸，另外在某些情況下也會(huì)直接驅(qū)動(dòng)某個(gè)單獨(dú)車輪，比如 Rivian 的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)。不過(guò)，牽引電機(jī)在混動(dòng)汽車中的應(yīng)用場(chǎng)景則更加多樣。

在早期的“輕”電氣化設(shè)計(jì)中，開(kāi)發(fā)人員通常將牽引電機(jī)/發(fā)電機(jī)單元安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄的前部，也就是所謂的 P0 位置，具體由驅(qū)動(dòng)軸連接。電機(jī)可以逐漸移回至傳動(dòng)系統(tǒng)，逐步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸或驅(qū)動(dòng)輪施加更大影響。P3 位置將電機(jī)集成到變速器中，而 P4 位置則意味著電機(jī)將驅(qū)動(dòng)一根并未與內(nèi)燃機(jī)機(jī)械相連的軸。

據(jù)了解，Rivian 電動(dòng)汽車的輪內(nèi)牽引電機(jī)外殼來(lái)自 Protean Electric 公司，其 Pd16 和 Pd18 車輪電機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)與輪輞集成封裝，永磁同步電機(jī)則直接集成在外部轉(zhuǎn)子內(nèi)。電源和控制電子單元也進(jìn)行了集成。Protean 的車輪電機(jī)瞄準(zhǔn)自動(dòng)駕駛大巴的應(yīng)用場(chǎng)景，Pd18 則用于 Local Motors 的“Olli”自動(dòng)駕駛穿梭大巴。

作為傳統(tǒng)汽車向電動(dòng)汽車過(guò)渡的必要橋梁，電機(jī)的重要性不言而喻，因此各大廠商均發(fā)力電機(jī)設(shè)計(jì)，推出了功能非常完善的電機(jī)?，F(xiàn)階段，很多電機(jī)均可以通過(guò)不同“P”級(jí)，實(shí)現(xiàn)不同程度的效率和性能提升，取得比如驅(qū)動(dòng)去耦“航行”、扭矩“填充”等功能，從而緩解發(fā)動(dòng)機(jī)增壓滯后或換擋卡頓等問(wèn)題，通過(guò)車輛“電子軸”實(shí)現(xiàn)車輛的全輪驅(qū)動(dòng)。