“师夷长技以制夷”这句口号是晚清提出来的，这句话本身是没有问题的。或者说，出发点是没问题的。放到现在的世界格局也是适用的，只是理解的方式要有些转变。大的方面来讲对于人类命运的共同体而言，知识是肯定是无国界的，知识的本质也是为了造福人类。小的方面也是一样，向比自己强的人学习，可以接触到很多新鲜的思想血液，吸收长处，进而做出突破与改变。这样技术才能进步，命运才能被改变。但是战略的制定和实施是两码事，当时失败的原因是因为我们工业水平太低了，想提高工业水平要有基础设施，科研人才，技术人才，核心设备等等一系列东西，最后才是用我们高度工业化的产业链生产出先进东西。换到我们主题对于当前我们国家新能源汽车各核心部件来讲，我们和其它一些发达国家的技术水平还是有一定的差距的。学习国外的先进技术及思想对于我们的产业的发展也是很有必要的。

       站在“新基建”新能源汽车的风口机遇之上，结合两会上释放出的新能源汽车产业发展新政策动能。结合政府、市场与企业共同发力，打造属于我们的核心技术优势，加速形成我们的新能源汽车供应链创新体系，推动自身新能源汽车产业链优化升级。我相信在这一场波澜壮阔的汽车工业革命中我们定能走在前列。

       首先和大家聊一下，美国又为什么制定了此路线图。对于美国这种超级大国而言，每天依靠汽车运输的货物价值超过360亿美元，每年总的行驶里程超过了3万亿英里。国民经济的增长需要运输，而运输则需要能源。据统计，美国家庭平均支出的近五分之一用于交通运输，这部分费用成为仅次于住房的最昂贵的支出类别。另外，运输业占美国石油使用量的70％。美国25％消耗的石油需要进口，这样的话每月需向海外支出10亿美元以上的原油费用。

       为了加强国家安全，实现未来的经济增长并提高运输能效。同时，为了实现美国个人消费者能够负担得起个人运输选择，同时还可以减少石油消耗并显着减少有害气体的排放。支持电动汽车在大众市场上的普及，加速开发符合成本效益的紧凑型电动牵引驱动系统（ETDS），做出满足或超过内燃机（ICE）的车辆性能和可靠性要求。当然了指标和2025时间限制的提出也是结合了对整个汽车运输行业的大量基础调研。假设前提条件是要在2025年达到纯电动汽车在汽车市场占比10%，在2040年占比35%的目标，必须要在成本和体积效率上有更大的突破，从而获得相对传统汽车的竞争力。基于以上美国能源部（DOE）在2017年发布的电动汽车发展2025路线图规划。这份路线图对电动汽车及其三电系统的发展目标给出了明确的指导性意见。

        2025路线图主要是从效率、功率密度、成本方面作出指标要求。因为美国在这方面最主要关心的还是电动汽车能够商业化的实现，所以如上这份路线图核心的要求还是成本和功率密度这两个最核心的问题。而且从当时U.S.Drive统计出的2017年行业领先企业的技术指标，其主要的壁垒还是成本整体偏高，可见成本亦是关键之中的关键。根据路线图描述提取：

       成本方面在2025年，峰值功率为100kw的驱动系统，总成本要求达到6＄/kw，相应的电控的要求在2025年达到2.7＄/kw，电机需要达到3.3＄/kw。

        功率体积方面，路线图里面为什么是功率体积而不是功率密度，是因为他们认为体积涉及到汽车的有效空间利用和乘客体验程度，所以从商业层面上功率体积比比功率重量比更重要。驱动系统峰值功率体积密度要在2025年达到33kw/L。从电控层面上需要到100kw/L，从电机的层面上需要到50kw/L。

        2025年技术指标适用于所有EDV应用。驱动系统成本和功率密度的目标包括高压电力电子设备（逆变器和升压转换器可选）和驱动用电动机。可以看到驱动系统峰值功率密度要在2025年达到33kw/L，远高于2020年4kw/L的指标。

        下表中描述了高压电力电子设备的目标的大致分配。表中的目标是指单个100 kW PIM和一个升压转换器。用于为辅助负载供电的DC / DC转换器和车载充电器具有各自的指标，不包含在表中。可以看出2025规划分解到电控需要到100kw/L，这个指标是2020年要求的7.5倍。

       另外，为了实现与系统级目标一致许多车辆体系结构需要两台电机来优化车辆效率，一台电机作为电动机，另一台电机作为发电机，但出于成本和安装空间方面的原因，有些体系的车型也会选择同一目的而使用一台电机，也就是讲一台电机既可以做驱动电机也可以作为发电机来应用。下表的目标是指用于牵引驱动的一台100 kW电机，包含转子，转子轴，定子，壳体和冷却装置，不包含减速器。可以看出分解到电机侧的指标需要到50kw/L，这个指标是2020年要求的8.9倍。

       同时为了便于大家对指标的理解，提供几个已经公开且大家比较熟悉的数据供大家参考。Pruis2010的驱动总成成本要34.9$/kw，电机的功率密度2.6kw/L。对比上述的数据可以明显的看到距离2020年的目标都还有一定的距离。另外一个是BMWi3 2016版本的驱动系统技术指标，其电机的功率密度达到9.2kw/L，电控的功率密度达到18.5kw/L。这个数已经超过2020年目标水平，但距离2025的规划还是有一定的距离。

       滴水穿石，不是力量大，而是功夫深。U.S.Drive指标路线成倍的增长必有其背后的道理。经研究之所以设定这么高的要求，他们也是参考了现有技术发展的规律以及大量的技术上商业上底层的研究，当然了更多的还是为实现自己电动汽车的商业化。他们认为电动汽车要实现商业化必须在成本和体积效率上有大的突破，从而获得相对传统燃油汽车的竞争力。最终结合产品和技术的维度，从产品顶层到底层逐层的分化才生成了我们看到的电驱的指标路线。随之生成了相应的技术指导路线，也就是本次VTO线上会议的主要技术主题。

       从DOE公开的文章可以看出主要的一方面是先进的电机技术，主要的技术观点还是通过新的创新技术来平衡电机体积、成本、性能之间的平衡关系。如下图所示，主要的就是新型电机、新型材料应用、新型的设计方法，具体的这里不做过多解释，后续的文章会根据每个主题进行详细的介绍。

      另一方面控制器的层面：主要是WBG宽禁带功率器件的应用推广，这种材料比硅基功率器件拥有更高的开关频率、更高的工作温度，和更低的成本。主要的方面还有

⦿  SiC、GaN等新型功率器件的应用已经有了很大的突破。

⦿ 温度传感器和电流传感器功能集成，实现对整个芯片级的管理，同时集成水冷流道的散热结构。

⦿ 新型的冷却技术。

⦿ 集成一体化设计方案。

       由于本次线上会议信息量太大，整整391个专题的汇报，想不到很好的方法能够给大家一个最好的呈现。思前想后还是按造最底层的原则从路线图的方向说起。

       ➣ Elt091项目-高功率密度低成本无稀土技术

       为什么要做MnBi磁材有两个原因，内在的原因是确实有独特的性价比优势。Mn和Bi这两种材料分布很广，成本相比稀土材料要低的多，大批量生产后磁材的价格可在是稀土的1/4左右。另外这种磁材还有一个明显的优点，就是矫顽力正温度系数，在220℃范围以内矫顽力随温度提高和提高，且磁密和磁能积几乎不受温度的影响。但MnBi材料也有明显的缺陷其一是材料的磁能积不高，当前实验室最好的水平能做到12MGOe，相当于钕铁硼N48UH的25%，虽然理论上限可以达到20MGOe，但成长空间仍然有限，这会导致电机磁密受限、进而导致功率密度无法满足DOE2025的要求。

       6.5%Si的硅钢薄带具有高磁导率、高电阻率及较低的磁滞伸缩系数和铁耗系数。6.5%Si的这种双重特性，是名副其实的超级硅钢，研发机构已展开电机应用层级的开发。

       该项目由特拉华大学、爱荷华州立大学、Ames实验室、联合技术研究中心等四个机构联合开发，它将6.5%Si 的超级硅钢MnBi磁材形成技术组合并结合先进的设计手段，设计了在一款10kW400hZ高速无稀土电机上。

       高速化使得6.5%Si的低铁耗优势得以发挥、而速度提高使得同样功率下扭矩下降，磁负荷需求也随之下降，这又进一步规避了MnBi磁能积低的缺点。 该方案400HZ和1000HZ下的铁耗比同类产品小了近一倍，也就说这款产品的高低速性能都大幅度领先普通产品。另外由下图可看出饱和磁密达到2.5Telsa远超过了其它电工钢的水平。这样电机的功率密度将会有大幅度的提升。

       目前该项目的初步测试已经完成，电机的基础参数电阻电感反电势的数据与原理分析数据一致。负载特性有偏差转矩在轻负载下匹配得很好，但在大电流下开始逐渐减小，可能的原因包括材料饱和度和数据偏差等。而且整体的效率相比仿真理论值偏低，具体的原因成员体还在具体的摸查中。

       ➣ELT093项目-具有各向异性材料的高速混合磁阻电机

       该项目是有通用汽车GM牵头，橡树岭Oakridge National Lab作为技术的支持联合开发。主要的目标就是对标DOL2025的目标研发高效率高功率密度的驱动电机。指标要求：

Cost ($/kW) less than $4.7

Specific Power (kW/kg) greater than 1.6

Power density (kW/L) greater than 5.

该项目总体方向主要分为三条主要的技术路线主要设计并验证三种不同重稀土含量的电机型号的可能性：

路线1：HRE-free permanent magnet (PM) moto轻稀土永磁（PM）电机

路线2：同步磁阻电机（SyRM）和非稀土助磁的同步磁阻电机

路线3：带有铸铝（Al）和插入铜（Cu）棒的混合感应电动。

截至项目进展如下图所示，已经完成95%的工作。

       三条技术路线的大致参数如下表所示，都是采用350V的电压平台，电机外径在200mm左右。第一列轻稀土的产品转矩和功率分别达到370Nm和150kW，同步磁阻的电机走的是高转速的技术路线转速达到16650rpm，相应的转矩下降为250Nm。铜铝混合的感应电机转速和转矩都居中。这里需要说明的是这三种设计方案是为不同的应用而设计的，因此，不能将它们直接进行比较。

技术路线1  轻稀土的技术路线下，电机成本达到了DOE2020要求，即4.7美元每公斤，折算到人民币成本在4800元左右，其中最主要的部件为定子，其次为转子，磁钢占比为14%，也就是660元左右。而普通稀土的电机磁钢的成本占比会达到30%以上，因此从降本的角度而言，轻稀土技术是最成功的。测试表明，符合初始设计所预测的工作条件和效率。

技术路线2 同步磁阻电机（SyRM）和非稀土助磁的同步磁阻电机GM的同步磁阻电机路线和橡树岭非常类似，都是采用多层磁障结构+磁钢助磁的技术。但GM电机的设计转速要高，达到16500rpm，这有利于弥补转矩密度不足的劣势。高速化后，该电机的功率密度达到了3.6kw/kg。测试表明，高速耐久性与初始设计所预测的预期和效率一致。 但是路线二电机的峰值功率低于预期。

技术路线3 带有铸铝（Al）和插入铜（Cu）棒的混合感应电动机。之所以采用这种复合结构，一是方面是要抑制转子损耗，所以传统的铸铝转子必须要更换掉。二是全铜的铸铜转子方案，铜浇铸温度高，对转子片绝缘的损害大，同时铸铜转子的不良率比较高成本居高不下。采用插铜条方案不需要高温铸造铜，即保留了铸铜的优点，又避开了可能的缺陷。

       但是GM的铜铝混合感应电机转速为13000rpm，功率密度超过了DOE2020的要求，但成本仍然较高。这主要是转子鼠笼的工艺还不成熟，问题的关键在铜和铸铝交接面的质量上。当然这里ONL实验室做了大量的研究

— 电机钢样品分析•边缘分析;

— 冲压过程中剪切边缘的光学分析•显微硬度;

— 横截面中不同位置的线束•成分分析;

— 确定材料的成分•涂层厚度;

— 对于叠层和叠层之间的抵抗力很重要•涂层成分;

— 磁导率，损耗和励磁功率与磁通密度和频率之间的关系•拉力和疲劳度感应电动机棒分析•铸件的孔隙率•铜/铸铝界面的拉力和疲劳度测试。

       总结下来GM牵头的这三种方案的设计均能符合美国能源部的性能指标，并解决了材料层面的初始设计障碍。进一步将测试确认三种电机型号的性能和耐用性进行比较分析。

       ➣ ELT212 非重稀土的高速电机

       本项目是由美国国家可再生能源实验室联合艾姆斯实验室及ORNL部分成员共同执行，由于项目的启动时间比较晚2019年开始，目前只是完成了30%的基础工作。不过项目的目标很清晰瞄准的是2025非重稀土电动机目标：每千瓦成本$ 3.30，50kW / L的功率密度和30万英里的生命周期。

       项目的整体路线如下图所示采用高速和高功率密度非重稀土（HRE）牵引电机方案同时分析新型先进材料对非重稀土电动机的影响。当然了整个项目不局限于电动机的技术边界，先进的控制器方案SIC及GaN功率器件同时发挥了极大的作用，同时包括先进的热管理方案。作为2020年的目标设计出双三相非重稀土永磁高速牵引电动机，以符合DOE ELT 2025要求。同时兼顾设计较好的电机的热管理系统和高速电机机械组件系统。

主要的工作分配

— NREL：探索先进的非重稀土电动机的冷却方法。

— AMES：提供新开发的磁性材料的磁，电和机械性能。

目前技术成就：

— 完成了非重稀土的电磁设计满足大多数DOE ELT指标的外转子PM电机；

— 验证了电机设计的抗退磁能力；

— 完成了机械组件设计并确认了高速机械能力；

— 完成了损耗评估，包括用于热分析的永磁体中的AC损耗和涡流损耗。

       目前多相外转子表贴永磁电机的完整电磁设计已完成，同时在2020年3月通过项目成员决策认定如果本高速电机可以显着改善性能和功率密度，则可以进一步优化此电机的冷却和散热设计来进一步的提升性能。

       并且公开了电机相关的部分参数100Kw无稀土双三相外转子高速永磁牵引电动机的完整电磁设计如下图所示；

     为什么要选用外转子的方案，原因在于

1) 电机内部空心空间中可以集成电力电子设备，这样整个系统体积可以做到比较小。

2) 连续转子结构（与Spoke IPM的分段转子相反）。可以克服转子叠片和转子支撑结构产生的离心力。

3) 较大的等效气隙半径，驱动系统能够获得20,000 rpm的所需功率。

4) Halbach的冲磁方式，能够产生更大的功率密度。

       另外，本方案的已完成的技术还有

       1) 电机在最恶劣情况下的抗退磁能力，由于三相短路而使扭矩降低了12％，保证故障仍可以实现输出能力的余量设计。

以20,000 rpm的峰值转矩运行开始，在不同的时刻施加了三相短路故障。连续的负d轴峰值电流和三相短路故障的仿真分析。

     2) 评估电磁损耗分量作为热分析的输入

高速工况下必须考虑导线绕组的集肤效应，也就是说要准确的分析绕组的交流损耗和直流损耗值，准确的分析绕组的损耗是一项很重要的工作，为后续电机热管理系统的设计提供支持。因此在给定的电流下以20,000 rpm进行2D有限元分析。如下图针对样品线的不同代表性位置计算出交流损耗因数，并将平均值用作考虑总体交流损耗因数。另外，得到比较好的结论是采用利兹线可以解决高频下的交流损耗问题。

        3) 不同长度的磁钢对涡流损耗的影响

由下图可以看出，不同的磁钢长度对磁钢涡流损耗的大小影响很大，因此高速电机设计时合理的设置永磁体长度是很有必要的。

       最后，虽然电机的电磁方案采用表贴没有新颖之处，但在热管理以及驱动器和电机的集成方面本项目目前还是有许多新颖之处。下一步的工作将对新型的磁钢材料以及热管理系统做进一步的研究。另外，旋转测试（不进行绕制并用质量密度相同的零件替换磁体），通过实验验证机械组件的坚固性。为所选的非重稀土电机构建实际原型，并通过实验验证其性能。

未完待续 ... ...