50kW/L功率密度，3.3美元/kW成本的電機實現(xiàn)難點是什么？

美國能源部旗下有一個叫做U.S. DRIVE的組織，專門負責汽車技術(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，橡樹嶺國家實驗室（OAK RIDGE National Laboratory）等研究機構(gòu)。該組織在2017年的時候發(fā)布了一個電動汽車發(fā)展2025年路線圖規(guī)劃。

在該規(guī)劃中，他們給電機和電控的發(fā)展定了一個目標，那就是到2025年時，電機控制器的效率不能低于98%；功率密度要達到100kW/L；成本要降到2.7美元/kW。電機的效率不能低于97%；功率密度要達到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)字對電機控制器和電機廠商的要求有多高，要是跟U.S. DRIVE在2013年定的目標比較一下的話，你的感觸可能會更深一點（見表1）。而且這個目標目前只有少數(shù)幾家企業(yè)能夠達到。

表1：U.S. DRIVE發(fā)布的電機控制器和電機的目標規(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屬功率密度，功率密度有兩個數(shù)值，一個是相對于體積的，一個是相對于重量的。汽車用的電機更加側(cè)重于功率體積比，因為體積涉及到汽車的有效空間利用和乘客的體驗。電機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。電機的功率體積比功率密度則提升了8.77倍。

《中國制造2025重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》中也提到了國內(nèi)驅(qū)動電機的發(fā)展目標：2020年、2025年和2030年乘用車20秒有效比功率要分別達到3.5、4和5kW/kg以上，商用車30秒有效比扭矩要分別達到18、19和20N·m/kg以上。

也就是說功率密度將會成為未來電機控制器和電機設(shè)計中一個非常重要的指標。為什么功率密度會受到如此重視？因為高功率密度的電機可以讓電機本體的體積更小，重量更輕，效率更高。高功率密度的電機一般在汽車、航空、航天、航海和工業(yè)應用中應用更多。

高功率密度就是在一定體積下輸出更大的功率，為了實現(xiàn)這一目標，一般采用兩種方法來實現(xiàn)，一是提高電機的速度，把電機設(shè)計成高速電機（轉(zhuǎn)速一般會超過10000rpm）；二是設(shè)計新型機構(gòu)電機。

這個目標容不容易實現(xiàn)呢？我們可以看看在電動汽車領(lǐng)域技術(shù)積累很豐富的豐田。其普銳斯（Prius）的驅(qū)動總成Pruis2010的總體成本需要34.9美元/kW，電機的功率密度為2.6kW/L，電機效率還只有85%，離2020年的目標還有很大差距，根據(jù)豐田的規(guī)劃，估計要到2020年才能實現(xiàn)預定目標。

表2：豐田汽車的電機動力總成的成本、功率密度，以及效率參數(shù)。

從豐田的案例來看，這個目標并不那么容易實現(xiàn)，那實現(xiàn)的主要技術(shù)障礙在哪里呢？要實現(xiàn)目標，其實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，以及在電機工作時產(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，比如一個典型的IPM電機中，稀土磁體占了電機成本的53%。當然電機的具體成本還是取決于電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，這只是一個參考。

表3：典型IPM電機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，否則減小電機體積最有效的方法，還是提高電機速度。

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)境相當惡劣，因此，合適的熱管理是確保功率電子器件可靠和長時間運行的關(guān)鍵。此外，在功率器件當中，逆變器是最占體積的，最大可占整個功率模塊的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。

橡樹嶺國家實驗室對不同的開關(guān)器件進行了對比，對不同開關(guān)器件的成本、尺寸、開關(guān)速度和工作條件等進行了對比。

表4：不同開關(guān)的成本、性能、尺寸等參數(shù)對比。（數(shù)據(jù)來源：橡樹嶺國家實驗室）

當然，如果要實現(xiàn)2020年和2025年的目標，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：橡樹嶺國家實驗室提供的電機性能提升技巧。

在橡樹嶺國家實驗室的研究人員看來，寬禁帶產(chǎn)品，比如SiC和GaN產(chǎn)品的應用必不可少。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用案例已經(jīng)不少。

最近，日本一個由2014年諾貝爾物理學獎得主之一，日本名古屋大學教授天野浩領(lǐng)導的研究團隊宣布，他們利用GaN研發(fā)的逆變器成功應用在了電動汽車上，該逆變器有望讓電動汽車節(jié)能20%以上。

圖2：為實現(xiàn)2025年電機目標，橡樹嶺國家實驗室建議的功率器件選擇技巧。

天野浩團隊的測試車是“All GaN Vehicle”，于10月24日開幕的第46屆東京汽車展上展出，目前可以達到時速50公里，計劃年內(nèi)實現(xiàn)時速100公里。天野浩表示，使用GaN做逆變器的電動汽車尚屬世界首例。但目前他們?nèi)匀幻媾R裝置的可靠性和價格這兩樣課題研究，他們希望新技術(shù)能盡快達到使用標準，爭取2025年投入市場。

提高電機的效率有很多好處，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

因為燃油效率與重量是成反比的，因此減小組件的重量也至關(guān)重要。對永磁電機來說，減輕其重量一個有效的辦法是提高電機的速度。由于電機的功率與速度成正比，提高電機速度就可以增加功率密度。當前電機的速度在16000rpm~20000rpm之間。

目前高速電機還有一些技術(shù)障礙需要突破：首先是高速電機產(chǎn)生的高離心力將使其難以在IPM設(shè)計中保留磁體；二是電機轉(zhuǎn)速比較高，電磁負荷相應也會增加，這樣就會增加電機單位體積損耗，導致電機零部件的溫度上升，進而對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行而對機械組件的其他要求可能會抵消電機的節(jié)省，成本得不到顯著降低。

總的來說，要想達到這些目標，現(xiàn)有的技術(shù)可能很難達到，必須要探索多種技術(shù)，對電機和電力電子設(shè)備都進行改進。對電機而言，需要考慮新的電機結(jié)構(gòu)設(shè)計、磁體材料和制造方法等；對電力電子設(shè)備，要考慮半導體開關(guān)、電容、磁性材料、封裝和新拓撲結(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)。