2023年6月26-27日，由NE時代主辦，巨力自動化總冠名，巨一動力、中車時代電氣、上海電驅動戰(zhàn)略合作，華為數(shù)字能源、智新科技生態(tài)合作的“2023（第三屆）全球xEV驅動系統(tǒng)技術暨產(chǎn)業(yè)大會”在上海嘉定如期舉行。

在27日驅動電機新技術和新工藝分論壇上，極氪汽車電驅電機開發(fā)專家徐津博士分享的主題是“低重稀土永磁材料在新能源汽車驅動電機中的應用”。徐津博士提到重稀土的成本占到了整個電機成本的10%-15%，低重稀土技術的應用能夠有效降低成本。

徐津：謝謝。今天題目可能寫的有點偏，我們其實極氪我講的是永磁材料低重稀土技術，不光是材料本身，還有其他的技術。

昨天大會包括今天早上黃教授還有我們應總包括下午我們的崔總，對于低或者無重稀土技術都提到了，大家現(xiàn)在對于這方面非常關心，今年上半年馬斯克也提出了未來特斯拉的發(fā)展方向，其中就是低或者無重稀土的技術。今天，我也想針對這個問題點和大家展開一些討論和交流。

威睿公司概況

威睿公司創(chuàng)建于2013年，它是隸屬于吉利控股集團，目前總部位于浙江寧波，是一家專業(yè)從事新能源汽車動力電池、電驅動系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)的研發(fā)、制造、銷售與售后服務的新能源公司，我們目前做智能科技做得比較多，就是我們智能網(wǎng)聯(lián)汽車，公司新能源發(fā)電，現(xiàn)在業(yè)務已經(jīng)拓展到了純電和儲能方面，在2022年公司業(yè)務的營收是131.5億，預計今年超過300億。研發(fā)能力2022年總的研發(fā)投入大概在4.87億，目前研發(fā)技術人員超過3000個，自主知識產(chǎn)權也超過400個，其中發(fā)明專利230個。涵蓋了電芯、模組、PACK、BMS、電機電控等等核心技術，也進行了布局。目前我們擁有五款在產(chǎn)電驅產(chǎn)品，總共有13條產(chǎn)線，目前年產(chǎn)能大概53套左右，目前我們產(chǎn)線柔性化和自動化程度，在行業(yè)里面應該屬于領先水平。

新能源汽車永磁同步驅動電機

永磁同步電機具有高功率密度，高效率，調速范圍大的優(yōu)勢，永磁化已經(jīng)成為新能源汽車驅動電機的主要技術趨勢之一。但新能源汽車對電驅系統(tǒng)的重量和體積有著嚴苛的要求，加上工況復雜多樣，可能會導致散熱條件比較苛刻，電樞反應大，溫度及外磁場環(huán)境更加惡劣，從而出現(xiàn)不可逆退磁現(xiàn)象，使得電機的性能下降甚至完全失去動力，因此，永磁體的安全可靠使用是高密度永磁電機的關鍵技術指標之一。

現(xiàn)有的永磁驅動電機大多采用釹鐵硼永磁體，其具有較高的磁能積，剩磁和矯頑力，但同時其居里溫度較低，溫度系數(shù)高，高溫下磁損失較大。需加入部分的重稀土元素，如：鏑，鋱等，替代部分的釹，提升永磁體的場各向異性，抑制反磁化疇的形成。但重稀土的地殼含量較少，地殼含量不足輕稀土釹的10%, 價格昂貴(釹：620/kg, 鐠：680/kg, 鏑：2705/kg, 鋱：10400/kg，鈷：262/kg), 因此，永磁同步電機中重稀土的成本占比也較高，永磁體的成本約為電機總成本的30%, 重稀土材料的成本占到永磁材料的30-50%，也就是說單是重稀土就占到單電機成本的10%-15%

由此可見，重稀土成本已經(jīng)成為驅動電機的主要成本驅動因素之一，減少其用量能夠提升新能源汽車的性價比，有利于新能源汽車進一步普及推廣。在節(jié)能和新能源汽車技術路線圖中低無重稀土磁鋼已被列為關鍵技術之一。

降低低重稀土用量的主要技術

剛才做了一個簡單的介紹，然后現(xiàn)在的話想跟大家交流一些降低重稀土用量主要的技術。在保證電機的抗退磁能力的前提下，減少重稀土用量，可以從改善材料自身組成，降低損耗產(chǎn)生的溫升和減少電樞反應對磁鋼的影響等方面入手。這里可以分成兩類，一種是設計防護，一種是運行防護。設計防護指在設計階段通過材料及電機結構的優(yōu)化，保證電機的抗退磁能力。運行防護是指電驅在工作中對電流，溫度及磁鐵健康度進行實時監(jiān)測，預防風險發(fā)生并在產(chǎn)生退磁風險時采取必要的防護措施對磁鋼進行保護。設計防護包括：磁材及磁材工藝優(yōu)化，冷卻結構優(yōu)化和采用多物理場的尋優(yōu)。運行防護包括：最大電流控制，定轉子溫度模型及永磁體健康度監(jiān)控。

磁材提升矯頑力需要通過增強主相晶體的各向異性場，抑制反磁化疇的形成來實現(xiàn)。除了傳統(tǒng)的添加重稀土元素外，比較典型技術還有：晶粒細化和晶界擴散技術。

晶粒細化：

對于常規(guī)磁性材料而言,晶粒直徑越小,矯頑力越大,一般成Hc 1/D的關系(D 為晶粒直徑)。這是因為晶粒越小,相同體積內的材料含有的晶界數(shù)目越多。而晶界是疇壁位移所受阻力來源之一,晶界越多,疇壁位移過程將受到更多的阻力,從而導致矯頑力增大。（晶體顆粒的尺寸與磁疇尺寸相近時，各向異性場最強。目前可以做到5-6μm。）目前主要的細化工藝有：氫化歧化(HDDR)結合氫破碎(HD)和氣流磨(JM)制粉。晶粒細化的主要問題是：

1. 晶粒大小到達一定程度后，磁體晶界富稀土相晶界容易被氧化，導致矯頑力下降，需要在工藝過程中對氧含量進行控制，必要時采用惰性氣體進行保護

2. 晶粒在燒結溫度下會異常變大，需要在燒結過程中加入高熔點的顆粒對大小進行抑制；

晶界擴散：

傳統(tǒng)的元素添加方法是在熔煉過程中加入，即把重稀土元素與Nd、Fe、B等元素一同熔煉，在最后制備成的磁體中，晶界和晶內主相中均有重稀土元素分布。在主相內，由于重稀土原子與Fe原子的反鐵磁耦合作用，添加重稀土材料會導致剩磁和磁能積的下降。根據(jù)燒結釹鐵硼的矯頑力機制，反磁化疇首先在晶粒的表面形成，因此，處于晶界的重稀土元素對提高矯頑力作用最為顯著。使用晶界擴散技術，可以使重稀土元素盡可能的在處于晶體主相表面，實現(xiàn)矯頑力，剩磁和磁能積的同時提升。剩磁提升15%，重稀土用量減少20-30%。

晶界擴散在工藝上可以通過濺射，蒸鍍，涂覆，電沉積等各種方式實現(xiàn)，其主要問題有：

1.擴散厚度及擴散均勻性：由于由外到內的滲透，因此擴散深度有限，且擴散濃度由表到內逐漸衰減；

2.擴散劑的性價比：合金擴散劑代替稀土擴散劑；

3.如何將晶界擴散與現(xiàn)有工藝結合。

采用原位擴散和多層擴散技術，在研磨、壓制過程中添加擴散劑解決擴散厚度、擴散均勻性的問題，同時能夠節(jié)省工序。

除了提升矯頑力外，減少磁鋼自身發(fā)熱也可以降低重稀土用量。釹鐵硼磁鋼具有一定的導電性，在高頻，大電流下，磁鋼內部會感應出渦流電流，產(chǎn)生渦流損耗，使磁鋼的工作溫度上升，增加退磁風險。

這里可以采用提高磁體自身電阻率和磁體薄片化的方法降低磁鋼的渦流損耗。

1. 提升磁鐵自身電阻率的方式是在磁性粉末表面進行絕緣包覆，這樣可以有效的降低渦流損耗和部分提升矯頑力，但是同時剩磁下降較為明顯；

2. 拼接方法：工藝成本高，無明顯降本，且膠水的粘接強度會隨著溫度的增加急劇下降；

3. 開槽方式：暗裂紋產(chǎn)生，機械性能下降，組裝和充磁過程中導致磁體損傷。

綜上所述，以上幾種技術在減少重稀土用量的同時，也增加了制備工藝的復雜度，進一步的提升將對材料制備工藝及設備提出極高的挑戰(zhàn)。

除了改善磁材自身外，采用合理高效的冷卻方式和結構,提升電機冷卻的傳導和對流效率，對降低重稀土用量也有著明顯的作用。比如：是采埃孚定子冷卻方案，把水冷變成軛部油冷再變成槽內油冷方式，這樣一方面可以提升額定功率，另一方面重稀土用量也降低了。這里需要注意的是要實現(xiàn)定子的冷卻高覆蓋率和均勻性，也就是要盡量多的覆蓋我的定子發(fā)熱源，然后盡量均勻冷卻它。

另外通過轉子的冷卻設計，也可以進一步降低磁鋼的工作溫度，有效的保護磁鋼。轉子冷卻結構設計時，除了提升冷卻效率外，還需要考慮攪油損耗、動平衡，甩油路徑排布等問題, 到達更加科學、合理的冷卻。

減少重稀土用量除了從新磁材技術，新冷卻結構著手外，還可以對電磁結構進行優(yōu)化設計。如：通過繞組結構，定轉子結構優(yōu)化（隔磁橋，磁鋼尺寸，結構，位置等），減少電樞反應對磁鋼的影響，同時通過減少損耗，降低磁鋼的工作溫度。

電磁場是損耗，溫度，電磁力等的激勵源，電磁場的變化會引起溫度場，流體場，聲場，應力場等的變化。因此，優(yōu)化電磁結構時，需要結合不同物理場的需求對多目標進行尋優(yōu)，盡可能的滿足新能源汽車對可靠性，經(jīng)濟性，動力性，舒適性的要求。

采用多物理場多目標尋優(yōu)時，首先需要對模型，約束條件及變量進行準確定義，比如：適當?shù)膶τ谀Ｐ瓦M行降維處理。對于損耗進行準確的測試和定義，以及對于與目標強相關的變量的選擇等。對于硅鋼材料性能的定義，局限于現(xiàn)有的測試技術，對于高頻高磁密下的鐵損測試技術還不是很成熟，另外，如何測試旋變磁場下的鐵損也是需要研究的問題。

變量的多少直接關系到了運算量的大小，合理的變量定義能夠極大的節(jié)約運算時間。

此外，尋優(yōu)解法和目標模型的選擇也很重要，現(xiàn)在常用的解法有多目標進化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法、多目標粒子群算法，其中多目標粒子群算法具有較高的搜索能力，有利于得到多目標意義下的最優(yōu)解。同時通用性也較好，適合處理多種類型的目標函數(shù)和約束，并且容易與傳統(tǒng)的優(yōu)化方法結合，改善自身的局限性，更高效的解決問題。

目標模型典型的有：線性加權和帕累托等；

1. 線性加權：線性加權模型，其優(yōu)點在于實現(xiàn)簡單，把多個目前進行加權后相加變?yōu)閱我荒繕?，僅用縮放后的值來代表原目標，求解也相對比較容易．其缺陷在于刻畫目標和解不夠精細，例如磁鋼用量和效率，這兩個目標的單位分別是重量和百分比，用先縮放再加權的方法把它們直接相加，對原始目標的信息有一定的丟失和遺漏. 另外，縮放過程需要提前知道目標的信息，如最大值、最小值或者平均值，而這些信息往往很難確定．而制定權重過程需要依據(jù)的用戶、供應商對不同目標的偏好程度也很難提前獲知．即使在已了解偏好程度的情況下，如何準確地制定權重仍然是棘手的問題．例如，將磁鋼用量的權重設為0．2還是0．21，對于用戶來說可能沒有大的區(qū)別，但是對最優(yōu)解有不可忽略的影響．因此，采用線性加權模型雖然簡便，但解的優(yōu)劣程度難以保證；

2.帕累托：帕累托(Pareto)是多目標優(yōu)化中經(jīng)典的模型,并且它完全基于原始數(shù)據(jù)，沒有將問題轉化成單 目標問題分析。具體概念已在第一部分詳細闡明。帕累托模型由于不需要對目標進行縮放和歸一化，也不需要設定或者引入新的參數(shù)、變量(如權重、界限值)，直接基于原始目標函數(shù)和值進行操作，可以適用于任何目標、任何函數(shù)．它不會丟失目標函數(shù)和解的信息，解的優(yōu)劣可以較好保證．但帕累托模型的最優(yōu)解是一個集合，其中包含不止一個最優(yōu)解，因此要窮盡并求出所有的帕累托最優(yōu)解有一定的難度．

因此，多物理場的尋優(yōu)時，除了需要有多學科扎實的理論知識和豐富的經(jīng)驗，優(yōu)化設計時還需要兼顧適用性、準確性、魯棒性和運算效率。

剛才介紹的是設計防護相關的技術，接下來將對運行防護的技術進行一些簡單的介紹。

最大電流控制：

在電機出現(xiàn)故障情況下，需要對電驅系統(tǒng)進行主動保護。其中最為常見的兩種主動保護措施為SPO(SaftyPulseOff)也可稱為Freewheeling，和ASC(ActiveShortCircuit)。SPO實現(xiàn)方式是通過將開關管全部斷開，從而實現(xiàn)電機和控制器的脫離，但這種隔離并非徹底，因為體二極管具有續(xù)流的作用；ASC是通過將上橋短路或者下橋短路，實現(xiàn)電機和控制器的分離。

電機進入SPO模式時，無法向DC側反饋能量，轉子只能依靠機械阻尼停機，會導致電機較長時間的空轉而無法進入安全狀態(tài)。但是，如果在電機高速過程中進行SPO，一般這時候電機處于弱磁狀態(tài)。一旦SPO發(fā)生，d軸電流消失，d軸磁場增強會導致較高的反電動勢，該反電動勢進過二極管的被動整流后其電壓大于電池電壓，從而對DC-Link進行充電，母線電壓升高。同時也會影響IGBT等掛在母線上的其他電子元器件，增加了控制器失效的風險。由于無法忽略定子側電感內部的能量，無論反電動勢被動整流電壓是否大于DC電壓，在SPO發(fā)生的瞬間，定子電感內電流無法突變，那么就會通過反向二極管對DC-Link電容充電。充電能量的大小取決于電感的儲能和DC側電壓的大小。SPO還有一個致命的缺點，如果發(fā)生某相開關管短路，則無法實現(xiàn)SPO功能。因此現(xiàn)在，越來越多的主機廠傾向于采用全速ASC。

ASC通過將逆變橋的三相短路(上管短路或者下管短路)，實現(xiàn)將控制器與電機進行電氣脫離，避免控制器受到非預期的損害。對于永磁電機而言，脫離了控制器的控制，在ASC發(fā)生之后其特性只受電機內部參數(shù)以及初始條件影響。在低速情況下，ASC會對電機轉子產(chǎn)生較大的制動扭矩，該制動扭矩能夠使電機實現(xiàn)快速停車，進入安全狀態(tài)。但是，ASC發(fā)生瞬間會產(chǎn)生極大的d軸電流，該電流可能會導致電機內部永磁體退磁。同時，巨大的脈沖電流也會對IGBT產(chǎn)生沖擊，需要考慮IGBT抗電流沖擊的能力。

對FW+ASC的控制策略進行優(yōu)化，對最大故障電流和工作電流進行限制，保證電器元件的安全性的同時，保護磁鋼不受到較大的外部磁場的影響?？梢圆捎肧PO和ASC相結合的方式，出現(xiàn)故障時，先進入SPO，將能量進行一定的釋放后再進入ASC，必要時可以在兩種控制方式間進行多次切換，這樣既可以保證電器元件的安全，也可以降低最大電流，保證永磁體安全。

定轉子溫度模型及永磁體健康度監(jiān)控：

新能源汽車的工況復雜多樣，為了預防溫度和外部磁場對磁鋼造成不可逆的退磁，可以建立定轉子溫度模型對電機內的溫度進行監(jiān)控和預測，必要時采用加大冷卻流量和降低功率的方法對磁鋼進行保護。

傳統(tǒng)的電機溫度檢測方法是將溫度傳感器鑲嵌在電機內部，通過直接測量得到溫度參數(shù)。但是該方法依賴于溫度傳感器精度和電機結構，并且受限于溫度傳感器的數(shù)量和安裝位置，不能為電機提供充分的熱保護。此外，該方法存在接線復雜、可靠性較低、在傳感器故障時更換困難等一系列問題?；趨?shù)識別法的溫度估算則無需安裝溫度傳感器，可節(jié)約成本，增強系統(tǒng)的可靠性。

基于參數(shù)識別法的溫度估算是利用定子繞組的溫度，定子相電流等信號，估算轉子永磁體的溫度。這種方法需要在前期進行大量的測試標定工作，找到各個參數(shù)（電流，磁鏈，損耗等）與磁鋼溫度之間的對應關系，保證模型的準確性和魯棒性。

此外，在定轉子溫度模型的基礎上，為了更加精確的判斷磁鋼的工作狀態(tài)（溫度模型只考慮了溫度的影響，外部磁場的影響也需要考慮），建立永磁體狀態(tài)觀測器，對永磁體內部磁場進行觀測，進而實現(xiàn)更加精準磁鋼健康度的預測。

為了保證模型的精度，需要增加采集信號的數(shù)量，提升采樣頻率，這會導致硬件成本明顯上升。因此，準確計算和測量永磁同步電機轉子永磁體的工作溫度，可以提高電機的各項性能設計指標，確保電機的安全穩(wěn)定運行。

最后總結，減少重稀土的用量可以實現(xiàn)低成本和節(jié)能的雙贏效果，對于新能源汽車的推廣和普及有著重要的意義。由剛剛的介紹可知，減少重稀土技術是一個跨多學科，多物理場的技術，需要對材料、電磁、熱場、流體、機械、控制等學科有著較深的理解，同時對仿真及優(yōu)化算法也有著較高的要求。因此這是一個需要從系統(tǒng)層面出發(fā)、全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同配合，共同完成的技術。

謝謝大家！

返回第一電動網(wǎng)首頁 >