特斯拉弃用稀土，埃安功率密度翻倍，电驱系统要变天？

　　马斯克在投资者日上提了一嘴，后面特斯拉的永磁电机准备少用碳化硅，不用稀土了，A股稀土盘大跌。而电驱系统，一时也成为热门话题。
　　今天（3月3日），埃安发布其最新一代电驱技术——夸克电驱，实现12kW/kg的功率密度。
　　对于这一技术，埃安官方说法称其突破＂堪比28到3纳米芯片＂的极致追求。
　　将电机造小，效率提升确是电动汽车产业的核心诉求之一，而马斯克宣称的弃用稀土，逻辑依然是节约成本。
　　电驱系统作为新能源时代的发动机，其重要性不言而喻。
　　比亚迪汽车工程研究院的凌和平副院长认为，作为新能源汽车最核心的一个系统，电驱系统整个成本大约占到新能源汽车的10%。
　　此前我们写过一篇关于近年电驱系统发展趋势的介绍，包括扁线电机的应用、多合一的集成式电驱、碳化硅技术的应用等，其本质都是为了实现电驱系统更小的体积，更高的功率密度和功效，参见《电驱系统进化图鉴》。
　　借着埃安的新产品发布，以及特斯拉引起的讨论，我们再来详细看看电驱系统的发展情况。不同的电机性能有什么区别？埃安的夸克电驱有什么特别？特斯拉为什么不想用稀土了？成本控制狂魔这次能如愿吗？
　　01.用于电动车的电机主要有哪些？
　　一般来说，三合一的电驱系统包括电机、电机控制和减速器，我们此处讨论的主要是电机。
　　目前，永磁同步电机是主流电动车型使用最多的电机，包括理想、小鹏、飞凡等使用的均为永磁同步电机。特斯拉后驱版使用的也是永磁同步电机，四驱版采用的则是前交流异步，后永磁同步电机。蔚来则采用前永磁同步，后交流异步电机。
　　永磁同步电机由定子和转子组成，定子做成了绕组，而转子则由永磁材料打造。
　　绕组定子通过三相绕组通入交流电，产生旋转磁场，可使永磁材料的转子瞬间旋转。由于不存在时间差所以叫同步电机。
　　交流异步电机也叫感应电机，同样由转子和定子组成。定子由硅钢片叠压，并在其上绕上线圈，给线圈通电即能产生磁场。
　　转子铁芯同样由硅钢片叠压而成，其上也绕上导电杆。转子不通电，其电流来自于切割定子的磁力线，所以叫感应电机。而感应电流在旋转的磁场中又受到安培力的作用，使转子转动，但转子的转速和定子产生的磁场速度不同，因而叫异步电机。
　　永磁同步电机的关键在于转子上的永磁材料，现在多数用的是钕铁硼材料制作。钕来自稀土，成本较高。这也是特斯拉希望拿掉的部分。关于这部分内容我们后文再详说。
　　永磁同步电机的优势是能量转换效率高、体积小功率大，多用在长续航电动车上，缺点是永磁材料容易受热发生退磁，而且永磁材料成本较高。中商产业研究院数据显示，永磁同步电机的成本构成中永磁体的占比最大，约44.9%；而交流异步同步电机成本构成中，定子铁芯叠片的占比最大为37.8%。
　　交流异步电机由于没有磁铁，所以外界环境不会影响它的性能，可靠性高、成本低、对温度不敏感，因此很多高性能电动车会用交流异步电机，如特斯拉四驱车型的前电机就是用的交流异步电机。其缺点则是功率密度低。同时，由于需要逆变器将电池输出的直流电变成交流电，也会损耗一部分电能。
　　02. 埃安的夸克电驱有什么特别？
　　埃安的夸克电驱使用的同样是永磁同步电机。
　　夸克电驱的优化逻辑是以尽可能小的体积，实现更大的功率输出，同时，避免高功率输出的损耗，尽可能避免将功率浪费在产热这种无用功上。
　　根据发布会公布的信息，夸克电驱的电机功率密度提升至12kw/kg，相较行业平均水平的6kw/kg提升一倍。
　　同时，夸克电驱的电机重量和体积均小于行业主流电驱，分别为21.5kg和2.65L。电机综合效率达97.2%。
　　之所以能实现这样的效果，埃安表示其开发了纳米晶-非晶超效率电机、X-PIN扁线绕组、900V高效碳化硅、E-drive软件、无动力中断电子换挡等一系列创新技术。
　　其中最主要的是纳米晶-非晶超效率电机、X-PIN扁线绕组、900V高效碳化硅三项技术。
　　铁基纳米晶合金是由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，经热处理后可获得直径为纳米级别的，弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料。
　　纳米晶是一种出色的铁芯材料，具有高饱和磁感应强度，高初始导磁率，卓越的温度稳定性和灵活的频率特性等特征。
　　据埃安公布的信息，相较于传统的铁基硅钢材料冶炼工艺，其所使用的纳米晶-非晶材料冷却速度高达100万 /s，较铁基硅钢材料快1000倍；具有原子无序排列、无晶粒、无晶界的微观特性。
　　同时，其铁损系数远低于铁基硅钢等电工钢，应用该材料制作电机铁芯，可降低电机50%铁芯损耗，从而有效降低电机能量损耗，提升电机工况效率至97.5%，电机最高效率达到98.5%。
　　而其X-PIN扁线定子技术和碳纤维高速转子技术则可在缩小25%体积的情况下，将电驱功率提升30%以上。
　　在永磁同步电机的应用中，扁线电机由于其更高的槽满率已经成为近年电机发展的趋势，参见《电驱系统进化图鉴》。
　　此前行业使用较多的是Hair-Pin扁线电机，即铜线是以发卡形式进行绕组。埃安并没有具体解释其X-PIN扁线定子技术，不过从其PPT公布的图片来看，应该就是指的以X形状进行绕组。
　　埃安表示，其X-PIN碳纤维高速电机技术具有3项独有平台绕线方案的国家专利，可实现70kW~320kW功率范围、220~450Nm扭矩范围多平台兼容。
　　碳化硅在功率半导体层级有显著的性能优势。相比硅半导体，碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，电场强度是硅的15倍，电子饱和率是硅的2倍，因而在高温下更加稳定，导通阻抗低，同时导通能耗也随之降低。
　　此外，碳化硅有更快的开关速度，可降低开关能耗，且其导热系数是硅的3.5倍，可带来更好的散热性能。
　　因而，碳化硅电容器的元件体积可以做到更小，同时损耗降低，提升整车的系统性能。
　　而埃安表示，其深度介入SiC产业链建设，自研了封装设计。
　　从芯片布局、均流一致性、缩小芯片开关延时、叠层功率回路设计四个方向进行突破，同时结合全银精准低温烧结工艺的革新，使得SiC模块回路杂感降低50%以上、热阻降低约25%、芯片通流能力提升10%以上、功率循环寿命提升约100%。
　　通过充分发挥碳化硅的高耐压、高功率密度、高效率特性，埃安可实现夸克电驱最高满功率工作电压900V，峰值功率320kw以上，最高效率超99.8%。
　　从发布信息来看，夸克电驱将用于埃安的高端系列Hyper系列，Hyper SSR和Hyper GT已使用夸克电驱。
　　03. 不用稀土可以吗？
　　马斯克在投资者日上说下一代电机不再使用稀土的原因是为了可持续发展。不过，业内人士分析认为，一方面，美国稀土供应不足，主要依赖进口，另一方面，目前稀土价格偏高。
　　据前瞻经济学人报道，中国是全球最大的稀土储备国，2020年全球稀土储备量为1.2亿吨(以稀土氧化物REO计)，我国稀土储量为4400万吨，占比超过全球三分之一。而在稀土产量上，中国占据全球产量的比重更是保持在55%以上。
　　对于特斯拉来说，减少直至不使用稀土，无论成本上还是供应链上都是更优的方案。
　　目前，永磁同步电机的永磁材料均需用到稀土材料。而永磁同步电机又是最主流的电机方案。从综合性能来说，永磁同步电机也是最具优势的电机方案。数据显示，国内永磁同步电机的装机量高达94%。
　　那么，特斯拉有可能不用稀土的同时还能实现永磁同步电机的性能不受影响吗？
　　据财联社援引专业人士报道，从技术突破上来说，永磁电机不依赖稀土具备技术路径，包括铁氧体电机、开关磁阻电机、EESM-电励磁同步电机等。此外，可替代并且已经商业化应用的永磁材料有铝镍钴（AlNiCo）、铁氧体和钐钴永磁几种类型。
　　因此，特斯拉是有可能实现永磁同步电机不用稀土的，但同样有专业人士表示，常规来说，不使用稀土将影响新能源汽车整车续航。
　　而马斯克在投资者日上并没有明确公布什么时候将不使用稀土，特斯拉是否能研发出不使用稀土同时又不影响效率的电机，仍然是一个未知数。
　　如果特斯拉真的能够成功，势必将影响整个电驱乃至新能源行业的格局。
　　一方面是性能仍在不断提升，另一方面则是想方设法地降低成本，电驱系统的未来还有多少可能？是否能有一天，电机将完全替代并全面超越发动机吗？
　　值得期待。