文|智駕網(wǎng) 黃華丹
馬斯克在投資者日上提了一嘴，后面特斯拉的永磁電機(jī)準(zhǔn)備少用碳化硅，不用稀土了，A股稀土盤大跌。而電驅(qū)系統(tǒng)，一時(shí)也成為熱門話題。
3月3日，埃安發(fā)布其最新一代電驅(qū)技術(shù)——夸克電驅(qū)，實(shí)現(xiàn)12kW/kg的功率密度。
對(duì)于這一技術(shù)，埃安官方說法稱其突破“堪比28到3納米芯片”的極致追求。
將電機(jī)造小，效率提升確是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的核心訴求之一，而馬斯克宣稱的棄用稀土，邏輯依然是節(jié)約成本。
電驅(qū)系統(tǒng)作為新能源時(shí)代的發(fā)動(dòng)機(jī)，其重要性不言而喻。
比亞迪汽車工程研究院的凌和平副院長(zhǎng)認(rèn)為，作為新能源汽車最核心的一個(gè)系統(tǒng)，電驅(qū)系統(tǒng)整個(gè)成本大約占到新能源汽車的10%。
此前我們寫過一篇關(guān)于近年電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的介紹，包括扁線電機(jī)的應(yīng)用、多合一的集成式電驅(qū)、碳化硅技術(shù)的應(yīng)用等，其本質(zhì)都是為了實(shí)現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)更小的體積，更高的功率密度和功效，參見《電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)化圖鑒》。
借著埃安的新產(chǎn)品發(fā)布，以及特斯拉引起的討論，我們?cè)賮碓敿?xì)看看電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展情況。不同的電機(jī)性能有什么區(qū)別？埃安的夸克電驅(qū)有什么特別？特斯拉為什么不想用稀土了？成本控制狂魔這次能如愿嗎？
01 用于電動(dòng)車的電機(jī)主要有哪些？
一般來說，三合一的電驅(qū)系統(tǒng)包括電機(jī)、電機(jī)控制和減速器，我們此處討論的主要是電機(jī)。
目前，永磁同步電機(jī)是主流電動(dòng)車型使用最多的電機(jī)，包括理想、小鵬、飛凡等使用的均為永磁同步電機(jī)。特斯拉后驅(qū)版使用的也是永磁同步電機(jī)，四驅(qū)版采用的則是前交流異步，后永磁同步電機(jī)。蔚來則采用前永磁同步，后交流異步電機(jī)。
永磁同步電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子做成了繞組，而轉(zhuǎn)子則由永磁材料打造。
繞組定子通過三相繞組通入交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可使永磁材料的轉(zhuǎn)子瞬間旋轉(zhuǎn)。由于不存在時(shí)間差所以叫同步電機(jī)。
交流異步電機(jī)也叫感應(yīng)電機(jī)，同樣由轉(zhuǎn)子和定子組成。定子由硅鋼片疊壓，并在其上繞上線圈，給線圈通電即能產(chǎn)生磁場(chǎng)。
轉(zhuǎn)子鐵芯同樣由硅鋼片疊壓而成，其上也繞上導(dǎo)電桿。轉(zhuǎn)子不通電，其電流來自于切割定子的磁力線，所以叫感應(yīng)電機(jī)。而感應(yīng)電流在旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)中又受到安培力的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)速度不同，因而叫異步電機(jī)。
永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子上的永磁材料，現(xiàn)在多數(shù)用的是釹鐵硼材料制作。釹來自稀土，成本較高。這也是特斯拉希望拿掉的部分。關(guān)于這部分內(nèi)容我們后文再詳說。
永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)是能量轉(zhuǎn)換效率高、體積小功率大，多用在長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)車上，缺點(diǎn)是永磁材料容易受熱發(fā)生退磁，而且永磁材料成本較高。中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，永磁同步電機(jī)的成本構(gòu)成中永磁體的占比最大，約44.9%；而交流異步同步電機(jī)成本構(gòu)成中，定子鐵芯疊片的占比最大為37.8%。
交流異步電機(jī)由于沒有磁鐵，所以外界環(huán)境不會(huì)影響它的性能，可靠性高、成本低、對(duì)溫度不敏感，因此很多高性能電動(dòng)車會(huì)用交流異步電機(jī)，如特斯拉四驅(qū)車型的前電機(jī)就是用的交流異步電機(jī)。其缺點(diǎn)則是功率密度低。同時(shí)，由于需要逆變器將電池輸出的直流電變成交流電，也會(huì)損耗一部分電能。
02 埃安的夸克電驅(qū)有什么特別？
埃安的夸克電驅(qū)使用的同樣是永磁同步電機(jī)。
夸克電驅(qū)的優(yōu)化邏輯是以盡可能小的體積，實(shí)現(xiàn)更大的功率輸出，同時(shí)，避免高功率輸出的損耗，盡可能避免將功率浪費(fèi)在產(chǎn)熱這種無用功上。
根據(jù)發(fā)布會(huì)公布的信息，夸克電驅(qū)的電機(jī)功率密度提升至12kw/kg，相較行業(yè)平均水平的6kw/kg提升一倍。
同時(shí)，夸克電驅(qū)的電機(jī)重量和體積均小于行業(yè)主流電驅(qū)，分別為21.5kg和2.65L。電機(jī)綜合效率達(dá)97.2%。
之所以能實(shí)現(xiàn)這樣的效果，埃安表示其開發(fā)了納米晶-非晶超效率電機(jī)、X-PIN扁線繞組、900V高效碳化硅、E-drive軟件、無動(dòng)力中斷電子換擋等一系列創(chuàng)新技術(shù)。
其中最主要的是納米晶-非晶超效率電機(jī)、X-PIN扁線繞組、900V高效碳化硅三項(xiàng)技術(shù)。
鐵基納米晶合金是由鐵、硅、硼和少量的銅、鉬、鈮等組成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料，經(jīng)熱處理后可獲得直徑為納米級(jí)別的，彌散分布在非晶態(tài)的基體上，被稱為微晶、納米晶材料。
納米晶是一種出色的鐵芯材料，具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，高初始導(dǎo)磁率，卓越的溫度穩(wěn)定性和靈活的頻率特性等特征。
據(jù)埃安公布的信息，相較于傳統(tǒng)的鐵基硅鋼材料冶煉工藝，其所使用的納米晶-非晶材料冷卻速度高達(dá)100萬℃/s，較鐵基硅鋼材料快1000倍；具有原子無序排列、無晶粒、無晶界的微觀特性。
同時(shí)，其鐵損系數(shù)遠(yuǎn)低于鐵基硅鋼等電工鋼，應(yīng)用該材料制作電機(jī)鐵芯，可降低電機(jī)50%鐵芯損耗，從而有效降低電機(jī)能量損耗，提升電機(jī)工況效率至97.5%，電機(jī)最高效率達(dá)到98.5%。
而其X-PIN扁線定子技術(shù)和碳纖維高速轉(zhuǎn)子技術(shù)則可在縮小25%體積的情況下，將電驅(qū)功率提升30%以上。
在永磁同步電機(jī)的應(yīng)用中，扁線電機(jī)由于其更高的槽滿率已經(jīng)成為近年電機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，參見《電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)化圖鑒》。
此前行業(yè)使用較多的是Hair-Pin扁線電機(jī)，即銅線是以發(fā)卡形式進(jìn)行繞組。埃安并沒有具體解釋其X-PIN扁線定子技術(shù)，不過從其PPT公布的圖片來看，應(yīng)該就是指的以X形狀進(jìn)行繞組。
埃安表示，其X-PIN碳纖維高速電機(jī)技術(shù)具有3項(xiàng)獨(dú)有平臺(tái)繞線方案的國家專利，可實(shí)現(xiàn)70kW~320kW功率范圍、220~450Nm扭矩范圍多平臺(tái)兼容。
碳化硅在功率半導(dǎo)體層級(jí)有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。相比硅半導(dǎo)體，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍，電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的15倍，電子飽和率是硅的2倍，因而在高溫下更加穩(wěn)定，導(dǎo)通阻抗低，同時(shí)導(dǎo)通能耗也隨之降低。
此外，碳化硅有更快的開關(guān)速度，可降低開關(guān)能耗，且其導(dǎo)熱系數(shù)是硅的3.5倍，可帶來更好的散熱性能。
因而，碳化硅電容器的元件體積可以做到更小，同時(shí)損耗降低，提升整車的系統(tǒng)性能。
而埃安表示，其深度介入SiC產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，自研了封裝設(shè)計(jì)。
從芯片布局、均流一致性、縮小芯片開關(guān)延時(shí)、疊層功率回路設(shè)計(jì)四個(gè)方向進(jìn)行突破，同時(shí)結(jié)合全銀精準(zhǔn)低溫?zé)Y(jié)工藝的革新，使得SiC模塊回路雜感降低50%以上、熱阻降低約25%、芯片通流能力提升10%以上、功率循環(huán)壽命提升約100%。
通過充分發(fā)揮碳化硅的高耐壓、高功率密度、高效率特性，埃安可實(shí)現(xiàn)夸克電驅(qū)最高滿功率工作電壓900V，峰值功率320kw以上，最高效率超99.8%。
從發(fā)布信息來看，夸克電驅(qū)將用于埃安的高端系列Hyper系列，Hyper SSR和Hyper GT已使用夸克電驅(qū)。
03 不用稀土可以嗎？
那么，特斯拉有可能不用稀土的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的性能不受影響嗎？
據(jù)財(cái)聯(lián)社援引專業(yè)人士報(bào)道，從技術(shù)突破上來說，永磁電機(jī)不依賴稀土具備技術(shù)路徑，包括鐵氧體電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、EESM-電勵(lì)磁同步電機(jī)等。此外，可替代并且已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的永磁材料有鋁鎳鈷（AlNiCo）、鐵氧體和釤鈷永磁幾種類型。
因此，特斯拉是有可能實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)不用稀土的，但同樣有專業(yè)人士表示，常規(guī)來說，不使用稀土將影響新能源汽車整車?yán)m(xù)航。
而馬斯克在投資者日上并沒有明確公布什么時(shí)候?qū)⒉皇褂孟⊥?，特斯拉是否能研發(fā)出不使用稀土同時(shí)又不影響效率的電機(jī)，仍然是一個(gè)未知數(shù)。
如果特斯拉真的能夠成功，勢(shì)必將影響整個(gè)電驅(qū)乃至新能源行業(yè)的格局。
一方面是性能仍在不斷提升，另一方面則是想方設(shè)法地降低成本，電驅(qū)系統(tǒng)的未來還有多少可能？是否能有一天，電機(jī)將完全替代并全面超越發(fā)動(dòng)機(jī)嗎？
值得期待。