2021 年 2 月，英國(guó)先進(jìn)推進(jìn)中心（Advanced Pro?pulsion Centre UK，APC）受英國(guó)汽車(chē)委員會(huì)（Automo?tive Council UK）委托，更新發(fā)布電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和技術(shù)路線圖。APC的職責(zé)是與英國(guó)政府、汽車(chē)行業(yè)和學(xué)術(shù)界合作，加速技術(shù)的工業(yè)化，支持向凈、零排放汽車(chē)行業(yè)的轉(zhuǎn)型。英國(guó)汽車(chē)委員會(huì)成立于2009年，旨在加強(qiáng)英國(guó)政府與汽車(chē)行業(yè)之間的對(duì)話和合作。該委員會(huì)由行業(yè)專(zhuān)家和政府的高層人士組成，每年召開(kāi) 3 次會(huì)議。早在2013年7月，汽車(chē)委員會(huì)發(fā)布了行業(yè)戰(zhàn)略：推動(dòng)成功實(shí)現(xiàn)英國(guó)汽車(chē)行業(yè)的增長(zhǎng)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略制定了一系列行動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)改善融資渠道、支持新興和顛覆性技術(shù)、技能發(fā)展以及提高英國(guó)供應(yīng)鏈競(jìng)爭(zhēng)力等跨領(lǐng)域目標(biāo)[1-2]。通過(guò)APC路線圖的解讀和基于中國(guó)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的路線圖對(duì)比分析，一方面有助于促進(jìn)行業(yè)技術(shù)交流合作共同進(jìn)步，另一方面有助于識(shí)別中國(guó)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的差異性精準(zhǔn)施策。

2 開(kāi)發(fā)邏輯

APC路線圖遵循正向開(kāi)發(fā)原則，不受限于技術(shù)現(xiàn)狀?；趯?shí)現(xiàn)技術(shù)商業(yè)化和市場(chǎng)滲透份額挑戰(zhàn)的目標(biāo)分解，必須要在成本、功率密度、效率上有更大的突破，從而獲得媲美傳統(tǒng)汽車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)力。從市場(chǎng)需求到產(chǎn)品目標(biāo)，再到總成、零部件、材料工藝逐級(jí)分解，識(shí)別現(xiàn)實(shí)的技術(shù)差距和障礙，制定開(kāi)發(fā)策略。其整體邏輯如圖1所示。

分別反映了 APC 對(duì)于電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的 3 個(gè)重要維度，即：產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值、可持續(xù)發(fā)展。從價(jià)值工程角度，前2個(gè)維度是提升用戶(hù)獲得價(jià)值的關(guān)鍵，而第3個(gè)維度是行業(yè)長(zhǎng)久發(fā)展和企業(yè)永續(xù)經(jīng)營(yíng)的基礎(chǔ)。

3 技術(shù)目標(biāo)

基于應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)向，可以將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)劃分為以下3類(lèi)：

（1）高性?xún)r(jià)比、高產(chǎn)量規(guī)模導(dǎo)向經(jīng)濟(jì)高效、高容量導(dǎo)向，以低成本實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)對(duì)這些產(chǎn)品至關(guān)重要。應(yīng)用包括高產(chǎn)量的乘用車(chē)和物流車(chē)，這類(lèi)車(chē)型大多為400 V電壓等級(jí)。

（2）高功率密度、高性能導(dǎo)向需要高功率密度，但成本不是決定性因素。應(yīng)用包括高性能乘用車(chē)、公共汽車(chē)和一些中型車(chē)輛，這類(lèi)車(chē)型很多為800 V電壓等級(jí)。

（3）高功率、超高效率導(dǎo)向

這些應(yīng)用需要高功率密度和可靠性，但效率是最大限度地利用能源的關(guān)鍵。應(yīng)用包括44 t卡車(chē)與大型非公路車(chē)輛，這類(lèi)車(chē)型多為700~1 200 V電壓等級(jí)。APC路線圖主要對(duì)于高性?xún)r(jià)比、高產(chǎn)量規(guī)模導(dǎo)向的電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品具有積極指導(dǎo)作用。APC路線圖提出的電機(jī)技術(shù)指標(biāo)規(guī)劃總結(jié)如表1所示。

考慮到各種規(guī)格的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的差異性，為進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋肪€圖統(tǒng)一以 100 kW 的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究基準(zhǔn)，提出了電機(jī)和逆變器的技術(shù)規(guī)劃指標(biāo)。在研究功率基準(zhǔn)的選擇上，與中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)、美國(guó)能源部（US Department of Energy，DOE）發(fā)布路線圖的基準(zhǔn)一致（表3）。

為了便于對(duì)比分析APC路線圖的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在此整理了中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)《節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖 2.0》中對(duì)應(yīng)電機(jī)和逆變器的技術(shù)規(guī)劃。如表4所示。

對(duì)比中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)發(fā)布的路線圖，英國(guó)APC路線圖對(duì)電機(jī)的成本指標(biāo)設(shè)置較寬松，而對(duì)逆變器的成本指標(biāo)設(shè)置極為苛刻，這反映出歐洲在功率電子產(chǎn)業(yè)具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而中國(guó)在電機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)和稀土資源儲(chǔ)備方面具有綜合優(yōu)勢(shì)。

考慮到APC 路線圖電機(jī)功率密度質(zhì)量和體積的計(jì)算基準(zhǔn)包括電機(jī)的主動(dòng)電磁組件、軸、外殼和散熱片，因此其電機(jī)質(zhì)量功率密度指標(biāo)也是非常激進(jìn)的，必須在電機(jī)構(gòu)型和輕量化材料產(chǎn)業(yè)化上實(shí)現(xiàn)革新性突破才有望達(dá)成。

APC 路線圖對(duì)于逆變器體積功率密度的指標(biāo)設(shè)定要求極其寬松，伴隨寬禁帶半導(dǎo)體器件的應(yīng)用推廣以及周邊元器件的材料進(jìn)步，預(yù)期業(yè)界將提前 5~10年達(dá)成目標(biāo)。

根據(jù)當(dāng)前行業(yè)的性能測(cè)算，基本的共識(shí)是WLTP工況比 CLTC 工況電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率高 1%左右，CLTC工況比NEDC工況電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率高1%左右。而考慮到 APC 路線圖的計(jì)算基準(zhǔn)定義 WLTP 平均效率是指整個(gè)動(dòng)力總成系統(tǒng)的效率（應(yīng)解讀為綜合電機(jī)、逆變器和變速器的系統(tǒng)工況效率，當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀為86%~88%），根據(jù)行業(yè)共識(shí)即使全面采用寬禁帶半導(dǎo)體、超導(dǎo)導(dǎo)線、超級(jí)硅鋼前瞻材料技術(shù)，并且采用直驅(qū)取消減/變速器環(huán)節(jié)，也難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，僅僅存在完成實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研究樣機(jī)的可能性。

4 技術(shù)挑戰(zhàn)

APC認(rèn)為，電機(jī)開(kāi)發(fā)的挑戰(zhàn)包括：提高性能（特別是體積功率密度），降低成本滿(mǎn)足量產(chǎn)應(yīng)用，減少對(duì)供應(yīng)鏈不穩(wěn)定材料的依賴(lài)，最小化生產(chǎn)制造和報(bào)廢回收對(duì)環(huán)境的影響。

構(gòu)型方面，通過(guò)新穎的架構(gòu)設(shè)計(jì)和更緊密的集成可以實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)性能。緊湊化設(shè)計(jì)需要新的材料和熱管理策略來(lái)滿(mǎn)足狹小空間內(nèi)電氣和熱隔離的要求。

繞組方面，采用新的形狀和合金可以改善銅繞組的性能，而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，先進(jìn)的納米材料可以帶來(lái)性能躍遷。新型繞組策略、預(yù)成型或 3D 繞組工藝可以提供更好的性能。

永磁體方面，需要減少永磁體對(duì)重稀土材料的依賴(lài)。機(jī)會(huì)點(diǎn)在于增加回收物含量，更多地使用二次稀土材料和替代制造方法（如聚合物粘接）。需要注意，中國(guó)雖有稀土資源先天優(yōu)勢(shì)，也需節(jié)約利用。

電工鋼方面，非晶金屬材料渦流損耗低，磁飽和強(qiáng)度低，需解決生產(chǎn)成本高、熱處理和應(yīng)力控制工藝難題；軟磁復(fù)合材料制作鐵芯可以保持渦流損耗不隨頻率升高，且造型容易制造成本低（近無(wú)余量成形加工技術(shù)制造出更復(fù)雜的 3D 形狀）。上述 2 種材料在高速高頻電機(jī)中預(yù)期將有應(yīng)用拓展。

為了建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)，需要?jiǎng)?chuàng)建新的工藝流程來(lái)回收和循環(huán)利用對(duì)環(huán)境有負(fù)面影響的材料，以最低的環(huán)境影響來(lái)回收電機(jī)是一個(gè)挑戰(zhàn)。例如，在電機(jī)裝配中減少對(duì)濕法工藝的依賴(lài)可以提高生產(chǎn)效率，并使拆卸和回收更容易。在短期內(nèi)，盡管設(shè)計(jì)的集成度和緊湊性不斷提高，但可拆卸和回收設(shè)計(jì)將變得越來(lái)越重要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，解決制造過(guò)程中的能源投入強(qiáng)度問(wèn)題仍非常重要，貫穿整個(gè)價(jià)值鏈的生命周期分析將變得至關(guān)重要。

APC路線圖提出，為了實(shí)現(xiàn)路線圖中規(guī)劃的長(zhǎng)期性能和成本目標(biāo)，面臨的電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)潛在的研究課題具體如表5所示。

隨著道路上電動(dòng)車(chē)輛數(shù)量的增加及其電氣化程度的提高，功率電子設(shè)備在每輛汽車(chē)價(jià)值中所占的比例將越來(lái)越高。需要更復(fù)雜的電力電子解決方案來(lái)減少電氣損耗、系統(tǒng)質(zhì)量和成本。汽車(chē)行業(yè)的挑戰(zhàn)性要求為功率密度更高的解決方案、更快速的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、更高的可靠性和更耐高溫的材料創(chuàng)造了需求。

半導(dǎo)體是成本最高的元件。硅基器件因其具有相對(duì)低的成本、更好的可制造性以及更成熟的供應(yīng)鏈，將繼續(xù)在低壓應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。對(duì)于更高電壓的應(yīng)用而言，由于在生產(chǎn)規(guī)模、低成本高質(zhì)量晶圓和器件創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面取得的進(jìn)步，新型寬帶隙半導(dǎo)體材料，如碳化硅和氮化鎵，將很快進(jìn)入汽車(chē)大功率牽引應(yīng)用。寬禁帶半導(dǎo)體器件將提供比傳統(tǒng)硅器件更好的熱性能和電性能，但在可制造性、可靠性、集成和成本方面帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了最大限度地發(fā)揮寬帶隙材料的潛在優(yōu)勢(shì)，需要同時(shí)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的組件、拓?fù)浜碗娐芳杉夹g(shù)，以適應(yīng)高溫、高頻率和高電流環(huán)境。無(wú)源元件、印刷電路板、傳感器、電路架構(gòu)、控制軟件、容錯(cuò)功能設(shè)計(jì)等都需要?jiǎng)?chuàng)新。標(biāo)準(zhǔn)化和最優(yōu)化的架構(gòu)將有利于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模并降低成本，最終可以實(shí)現(xiàn)更小、更輕、最終更便宜的設(shè)計(jì)，盡管這在可回收性和環(huán)境影響方面帶來(lái)了挑戰(zhàn)，但通過(guò)可拆卸設(shè)計(jì)和努力為材料創(chuàng)造真正的循環(huán)經(jīng)濟(jì)可以解決。

APC 路線圖提出，為實(shí)現(xiàn)規(guī)劃技術(shù)目標(biāo)，面臨的逆變器關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)潛在的研究課題如表6所示。

新能源汽車(chē)已由“政策+市場(chǎng)”雙輪驅(qū)動(dòng)逐漸切入市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)新階段，汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品需要依靠質(zhì)變撬動(dòng)市場(chǎng)需求。技術(shù)、資源、成本、質(zhì)量綜合可控是在未來(lái)電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中致勝的關(guān)鍵因素。

隨著基礎(chǔ)理論、材料工藝、功率電子、控制平臺(tái)、仿真測(cè)試水平的不斷提升，電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)仍有很大進(jìn)步空間，批量化市場(chǎng)應(yīng)用尚不成熟，有必要針對(duì)未來(lái)趨勢(shì)做好前瞻布局，同時(shí)系統(tǒng)級(jí)的頂層設(shè)計(jì)與權(quán)衡對(duì)市場(chǎng)參與者的體系能力提出更高要求。汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其逆變器仍有很多前沿科學(xué)和工程技術(shù)難題有待攻克，牽引電機(jī)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

全生命周期低碳環(huán)保的主題要求站在人類(lèi)命運(yùn)共同體的高度，強(qiáng)調(diào)了最終邁向循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的必要性。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將圍繞碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)加快調(diào)整。伴隨著產(chǎn)業(yè)同仁對(duì)于制造過(guò)程和報(bào)廢回收過(guò)程環(huán)境影響的日益關(guān)注，綠色制造體系將從無(wú)到有并日趨完善。這個(gè)過(guò)程中，可拆卸設(shè)計(jì)理念將在與集成化設(shè)計(jì)理念的矛盾沖突中取得平衡，占有重要地位。