新設(shè)計、新材料將是下一代電動汽車動力電機的關(guān)鍵。

新設(shè)計和新材料對下一代電動汽車推進系統(tǒng)的研發(fā)至關(guān)重要。

如今，汽車電氣化需求穩(wěn)步增長，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)對此已經(jīng)開始為汽車傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型布局。

福特公司表示，公司計劃在 2022 年前推出大約 40 款電動車型，其中包括 16款全新的純電動汽車。本田預(yù)計，到 2030 年，電動汽車將占該公司全球銷售額的三分之二。通用汽車公司計劃到 2023 年在全球范圍內(nèi)推出 20 款電動車型。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中看出，推進系統(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)展可以提高推進效率的設(shè)計、工藝和制造等關(guān)鍵競爭優(yōu)勢。

舉個例子，為了在電推進系統(tǒng)的完整價值鏈上（即從電池組到動力電子組件再到電機）掌握主動權(quán)，博世在 2019 年初接手了其與戴姆勒合資的電機研發(fā)公司 EM-motiv 的全部所有權(quán)和控制權(quán)。博世認為，僅對電動汽車的系統(tǒng)性熱管理這一項進行優(yōu)化，即有潛力將電動汽車的續(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。”

博世新款電驅(qū)動電機經(jīng)過精心設(shè)計，可提供非凡性能。

定制設(shè)計

電動汽車的評價標準往往集中于電池容量，然而驅(qū)動電機也同樣重要，重要程度甚至堪比傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機。事實上，電機功率和效率是相互關(guān)聯(lián)的，因此根據(jù)不同車輛推進系統(tǒng)定制不同功率和效率的電機至關(guān)重要，但也同時需要大量投資。

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，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，其中幾家最著名的制造商包括本田、豐田、通用和寶馬。

對比來說，交流感應(yīng)電機的效率較低，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，但最近推出的緊湊型 Model 3 卻采用了永磁驅(qū)動電機。

過去，大多數(shù)觀點認為感應(yīng)電機更適合尺寸更大、重量更重或?qū)π阅芤蟾叩碾妱悠嚒Ｊ聦嵣希来烹姍C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，盡管電動汽車初創(chuàng)公司 Rivian 并未透露旗下 R1T 電動皮卡和 R1S 運動多功能車的具體規(guī)格，但一位公司發(fā)言人向《汽車工程雜志》證實，這兩款車型的每個車輪均配備了獨立的電機，且這些電機采用了永磁設(shè)計。

美國電動汽車初創(chuàng)公司 Rivian 為每個車輪均配備了獨立的牽引電機，封裝在一個可容納兩個電機的機殼中，其中裝有為每個電機獨立配備的變速器。

探索新材料

通常來說，永磁電機生產(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)量制造商一直對永磁電機“敬而遠之”。目前，全球重稀土元素供應(yīng)主要來自中國。據(jù)估計，中國的稀土儲量占全球的35-40%，比如釹和鏑，而這兩種稀土元素均對各類磁性產(chǎn)品的生產(chǎn)非常重要。

通常來講，汽車牽引電機中使用的磁體需要較高的矯頑力，也就是磁體在車輛常見高溫環(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)。通常來說，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 混合動力小貨車搭載的新型永磁牽引電機。

具體來說，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)化對牽引電機至關(guān)重要的一項指標——高耐熱性。

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

無獨有偶，豐田也曾在去年表示，公司已經(jīng)開發(fā)了一種釹元素含量顯著降低的新型耐熱電機磁鐵。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。”

豐田補充道，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行替代，從而減少了磁體中釹的用量。”

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

美國能源部高級研究項目機構(gòu) ARPA-e 也啟動了“REACT 關(guān)鍵技術(shù)中的稀土替代材料計劃”（Rare EarthAlternatives in Critical Technologies），以開發(fā)成本更低、供應(yīng)更可靠的稀土替代品。過去十年里，REACT 項目已資助了數(shù)個使用非稀土磁體的電動汽車研發(fā)項目。

隨著電機技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的研發(fā)重點必定在于提高效率、功率和可靠性。本田、通用汽車（Bolt 電動汽車）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。一些消息來源稱，繞組技術(shù)也會對電機的功率輸出和效率產(chǎn)生重大影響。

本田為 2019 款I(lǐng)nsight 混動汽車設(shè)計的雙電機驅(qū)動/發(fā)電機，減少了電機磁體中稀土材料的用量。

安裝設(shè)計

在純電動汽車應(yīng)用中，牽引電機通常用于驅(qū)動車軸，另外在某些情況下也會直接驅(qū)動某個單獨車輪，比如 Rivian 的電動汽車設(shè)計。不過，牽引電機在混動汽車中的應(yīng)用場景則更加多樣。

在早期的“輕”電氣化設(shè)計中，開發(fā)人員通常將牽引電機/發(fā)電機單元安裝在發(fā)動機曲柄的前部，也就是所謂的 P0 位置，具體由驅(qū)動軸連接。電機可以逐漸移回至傳動系統(tǒng)，逐步對發(fā)動機曲軸或驅(qū)動輪施加更大影響。P3 位置將電機集成到變速器中，而 P4 位置則意味著電機將驅(qū)動一根并未與內(nèi)燃機機械相連的軸。

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

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