美國能源部旗下有一個叫做U.S. DRIVE的組織，專門負責汽車技術的規劃，它的全稱是U.S. Driving Research and Innovation for Vehicle Efficiency and Energy Sustainability， 這個組織既有政府背景也有企業支持，成員包括福特、通用UQM等生產企業，以及Electric Power Research Institute，橡樹嶺國家實驗室（OAK RIDGE National Laboratory）等研究機構。該組織在2017年的時候發佈了一個電動汽車發展2025年路線圖規劃。
在該規劃中，他們給電機和電控的發展定了一個目標，那就是到2025年時，電機控制器的效率不能低於98%；功率密度要達到100kW/L；成本要降到2.7美元/kW。電機的效率不能低於97%；功率密度要達到50kW/L或5.7kW/kg；成本要低於3.3美元/kW。
單看這些數字，可能感覺不到這些數字對電機控制器和電機廠商的要求有多高，要是跟U.S. DRIVE在2013年定的目標比較一下的話，你的感觸可能會更深一點（見表1）。而且這個目標目前只有少數幾家企業能夠達到。
表1：U.S. DRIVE發佈的電機控制器和電機的目標規劃。（數據來源：U.S. DRIVE，電子發燒友製表）
從表1中，我們可以清楚地看到提升最大的當屬功率密度，功率密度有兩個數值，一個是相對於體積的，一個是相對於重量的。汽車用的電機更加側重於功率體積比，因為體積涉及到汽車的有效空間利用和乘客的體驗。電機控制器的功率密度從2020年的13.4kW/L提升到了100Kw/L，提升了7.46倍。電機的功率體積比功率密度則提升了8.77倍。
《中國製造2025重點領域技術路線圖》中也提到了國內驅動電機的發展目標：2020年、2025年和2030年乘用車20秒有效比功率要分別達到3.5、4和5kW/kg以上，商用車30秒有效比扭矩要分別達到18、19和20N·m/kg以上。
也就是說功率密度將會成為未來電機控制器和電機設計中一個非常重要的指標。為什麼功率密度會受到如此重視？因為高功率密度的電機可以讓電機本體的體積更小，重量更輕，效率更高。高功率密度的電機一般在汽車、航空、航天、航海和工業應用中應用更多。
高功率密度就是在一定體積下輸出更大的功率，為了實現這一目標，一般採用兩種方法來實現，一是提高電機的速度，把電機設計成高速電機（轉速一般會超過1000rpm）；二是設計新型機構電機。
目標容易的難點在哪裡？
這個目標容不容易實現呢？我們可以看看在電動汽車領域技術積累很豐富的豐田。其普銳斯（Prius）的驅動總成Pruis2010的總體成本需要34.9美元/kW，電機的功率密度為2.6kW/L，電機效率還只有85%，離2020年的目標還有很大差距，根據豐田的規劃，估計要到2020年才能實現預定目標。
表2：豐田汽車的電機動力總成的成本、功率密度，以及效率參數。
從豐田的案例來看，這個目標並不那麼容易實現，那實現的主要技術障礙在哪裡呢？要實現目標，其實最大的障礙是原材料和組件的成本、這些組件封裝後的體積、重量和損耗，以及在電機工作時產生的大量熱量如何處理。
原材料和組件的成本
為了降低電機的成本，最容易讓人想到的肯定是降低最昂貴組件的成本。
在過去的幾年中，隨著稀土磁體成本的增加，讓稀土磁體的成本顯著增加，比如一個典型的IPM電機中，稀土磁體佔了電機成本的53%。當然電機的具體成本還是取決於電機的結構設計，這只是一個參考。
表3：典型IPM電機的原材料和組件的成本估算。
組件的體積與效率
汽車內留給零件系統的空間越來越小，因此減小組件封裝體積是十分必要的。電機體積的減少，受限於目前使用的電工鋼中使用的材料所具備的磁通密度和同繞組的電導率等特性，除非可以採用新的材料來改善這些性能，否則減小電機體積最有效的方法，還是提高電機速度。
功率電子器件的體積主要取決於無源器件（電容和電感）的尺寸，以及功率模塊等器件的體積。由於汽車內的工作環境相當惡劣，因此，合適的熱管理是確保功率電子器件可靠和長時間運行的關鍵。此外，在功率器件當中，逆變器是最佔體積的，最大可佔整個功率模塊的40%以上的體積，如果再算上冷卻設備的話，所佔的體積將更大。
橡樹嶺國家實驗室對不同的開關器件進行了對比，對不同開關器件的成本、尺寸、開關速度和工作條件等進行了對比。
表4：不同開關的成本、性能、尺寸等參數對比。
當然，如果要實現2020年和2025年的目標，光靠這些是不夠的，還需要新的技術和產品的支持。
圖1：橡樹嶺國家實驗室提供的電機性能提升技巧。
在橡樹嶺國家實驗室的研究人員看來，寬禁帶產品，比如SiC和GaN產品的應用必不可少。目前也已經有不少企業推出相關的產品，比如羅姆、英飛凌、Cree等都有推出SiC產品。SiC的產品在新能源汽車中的應用案例已經不少。
最近，日本一個由2014年諾貝爾物理學獎得主之一，日本名古屋大學教授天野浩領導的研究團隊宣佈，他們利用GaN研發的逆變器成功應用在了電動汽車上，該逆變器有望讓電動汽車節能20%以上。
圖2：為實現2025年電機目標，橡樹嶺國家實驗室建議的功率器件選擇技巧。
天野浩團隊的測試車是“All GaN Vehicle”，於10月24日開幕的第46屆東京汽車展上展出，目前可以達到時速50公里，計劃年內實現時速100公里。天野浩表示，使用GaN做逆變器的電動汽車尚屬世界首例。但目前他們仍然面臨裝置的可靠性和價格這兩樣課題研究，他們希望新技術能儘快達到使用標準，爭取2025年投入市場。
提高電機的效率有很多好處，比如可以減少熱管理系統，從總體上減少體積、重量和成本。
組件重量
因為燃油效率與重量是成反比的，因此減小組件的重量也至關重要。對永磁電機來說，減輕其重量一個有效的辦法是提高電機的速度。由於電機的功率與速度成正比，提高電機速度就可以增加功率密度。當前電機的速度在16000rpm~20000rpm之間。
目前高速電機還有一些技術障礙需要突破：首先是高速電機產生的高離心力將使其難以在IPM設計中保留磁體；二是電機轉速比較高，電磁負荷相應也會增加，這樣就會增加電機單位體積損耗，導致電機零部件的溫度上升，進而對冷卻方式的要求提高；三是傳統齒輪和軸承可能無法承受跟高的速度；四是為了使齒輪箱高速運行而對機械組件的其他要求可能會抵消電機的節省，成本得不到顯著降低。
結語
總的來說，要想達到這些目標，現有的技術可能很難達到，必須要探索多種技術，對電機和電力電子設備都進行改進。對電機而言，需要考慮新的電機結構設計、磁體材料和製造方法等；對電力電子設備，要考慮半導體開關、電容、磁性材料、封裝和新拓撲結構；除此之外，還需要考慮控制系統組件的溫度挑戰。
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