特斯拉把无稀土的电机装进Cybercab中,真正值得重视的是汽车电驱系统又出现了一种新的技术取舍,即当车辆不追求极限性能而更看重成本、效率和长期运营时,是否可以通过结构设计来弥补材料性能上的不足。
根据目前公布的资料可知,Cybercab所使用的驱动电机不属于稀土永磁材料类型,额定功率为163kW,比同级产品小18%,重量轻25%。配合47.6千瓦时电池组,车辆续航约有673公里。从这些参数上看,这套方案确实具有吸引力,也难怪无稀土电机再次成为大家的讨论对象。
但是这里有个容易被忽略的前提:不是某种新型磁铁突然超过了钕铁硼,而是工程师用一套完整的设计来弥补了铁氧体磁铁不足之处。
FeO4-3的性能比较好,成本低、资源丰富、不受稀土供应链限制。但是它的磁性能与高性能钕铁硼之间存在明显差距,磁能级相差7到10倍。材料先天就不是特别强,电机不能仅仅通过更换磁铁来解决问题,而必须从磁路、绕组、转速以及控制系统等各个方面同时进行调整。
Cybercab用的是哈尔巴赫阵列结构,使磁力集中在有效工作区域;定子部分用发卡式绕组把铜线槽满率由原来的约40%提高到现在的70%,从而提高了电机的电磁利用率;而且电机转速达到了15000转以上,在更小的体积下获得所需要的动力输出。高转速会产生发热、损耗等问题,因此需要软件对电机状态进行实时监控,并且对运行工况做相应的调整。
这些变化组合起来就形成了所谓的无稀土方案。换句话说,它的看点不是在于铁氧体性能发生了质变,而是在于整车企业愿意用更加复杂的系统设计来换取对稀土材料依赖程度的降低。
这也解释了为什么这套技术最先出现在Cybercab上。作为双座无人出租车,这款车主要是为城市通勤服务的,主要需求是能耗、运营成本、可靠性以及批量制造效率。它不需要长时间拖拉重物,也不需要频繁地做高强度加速的动作,更不是为了满足极限操控场景而设计出来的。
在这样的使用环境中,电机只要能够稳定地完成城市道路的行驶任务,材料性能上的部分差异就可以通过结构和软件加以弥补。对于一辆要长时间运转的无人出租车来说,在减少稀土使用、降低供应链依赖方面可能比追求更高的峰值性能更有实际价值。
但是如果把同一套方案直接套到更重的车型上,情况就会变得很复杂。车辆重量增加之后,电机需要承受更大的功率需求;高速行驶、持续大负载工况增多时,发热、效率和耐久性要求也会随之提高。铁氧体磁铁性能上的不足就很难被完全掩盖起来。
温度也是个重要的变量。铁氧体磁铁在不同的温度条件下会有性能的变化,车辆如果长时间处在寒冷的地区工作的话,那么电机的动力表现以及稳定性都需要进行更加细致的调整。城市出租车可以通过运行范围、使用场景和控制策略来规避一部分的压力,但是对于那些同时受到重量、体积、功率以及环境条件限制的高性能设备来说,“补短板”的空间就更小了。
这也正是高性能钕铁硼仍然有其价值所在的原因。它的剩磁大约是普通铁氧体的3倍,在体积不能明显增大、重量不能明显增加、功率又不能下降的情况下,更强的磁性能就代表着更大的设计余量。但是材料优势并不是在所有的产品上都会形成明显的差别,在高功率、高稳定性和高集成度的应用中,很难简单地抹平。
因此特斯拉这次采用无稀土电机,并不是对稀土永磁电机的全面取代,而是针对特定车型和运营场景的一种改进。
它证明了不使用稀土也能实现良好的续航和动力表现;但是它并没有证明铁氧体在所有的指标上都比钕铁硼好。就产业来说,这件事的意义就在于,对于未来的电动车而言,在电机技术上会出现多种材料路线并行的情况。城市通勤车、无人出租车可以优先考虑成本以及供应链的稳定性,高性能车型则会继续对高性能永磁材料的需求提出更高的要求。判断一个材料是否会被取代不能仅仅依据它能否让车辆跑起来而还要看它是否能够在不同的温度、不同的负载和不同的体积限制下长期稳定地满足所有的需求。