稀土磁石與電動車動力系統的探討

電動車市場
全球電動車的普及程度漸漸提高，目前將近有乘用車700萬輛、電動巴士50萬輛、貨卡車40萬輛、兩輪輕型機踏車1.84億輛在大街小巷行駛；同時，在亞洲地區的電動乘用車和兩輪輕型機踏車更占大多數。
1.電動汽車市場
2020年中受到疫情的影響，歐美國家整體銷售均下降，電動車下降18%，且燃油車更下降23%之多。同時，也因為疫情，人們外出以及公共交通使用量大幅降低，使今年度的車輛需求降低，對於整題電動車發展的預估時間受到影響。依Bloomberg New Energy Finance的預估，將會有如圖 1的縮減變化。

圖 1 電動車市場 (引用Bloomberg New Energy Finance)

2.電動機踏車的市場
Grand View Research資料顯示，因道路使用、購入成本的負擔、最後一哩路的使用、機動性和各國家文化的差異，使電動機踏車迅速的成長。2019年全球機踏車市場規模為325億美元，預計從2020年到2030年複合年增長率（CAGR）為0.1％。當然，因為Covid-19的爆發影響了經濟成長，近幾年應會呈現萎縮，但也可能因為社交關係，對低成本電動兩輪車的需求將激增，因日常通勤者更願意避免乘坐公共交通工具造成的接觸。
3.電動車發展和規格
基於電動汽車商業化的普及，美國能源署DOE針對馬達、驅動和整體的效率、功率密度、成本上訂定指標。功率密度主要分為kW/kg和kW/L兩個部分，但DOE主要針對kW/L的指標來做要求，主要是涉及了電動汽車的有效空間和乘客的影響，在商業層面上，空間會較重量來為重要。其中，基於100kW的系統，2020年至2025年的變化，電機驅動系統由4.0kW/L提升為33kW/L，驅動器由13.4kW/L提升為100kW/L，馬達由5.7kW/L提升為50kW/L。列舉幾個公開的功率密度表現，其中，2016 BMW i3的125kW，馬達功率密度為9.1kW/L；2017年Toyota Prius 53kW，馬達功率密度為5.7kW/L；2012年Nissan Leaf 的80kW，馬達功率密度為4.2kW/L。
在DOE2020的成本要求，電機驅動系統為8(US$/kW)、驅動器為3.3(US$/kW)、馬達為4.7(US$/kW)，以上，以現階段的技術，已經難以達到，尤其在現階段稀土的成本漲幅上揚。但DOE2025，更改變了指標，電機驅動系統為6(US$/kW)、驅動器為2.7(US$/kW)、馬達為3.3(US$/kW)，或許這個指標，需要投入更高的成本付出和時間。如表1所示。
為了達到高功率密度的表現，在馬達的技術開發上，需要著墨在多個項目的精進，如圖 2所示。尤其是基礎材料的改變和散熱的材料應用上，如何提供更高的電流輸入，更好的散熱效果，可以有效縮小馬達體積。但這邊要注意到，因稀土是目前永磁馬達的主要材料，若降低或不使用稀土後，造成的磁能積不足時，為了達到相同的轉矩輸出，體積可能會相對應的放大，那指標達到的距離就需更加努力。

圖2 先進的馬達提升架構

現階段，各項的電動化產品陸續的出現和應用，如圖3所示，從商業化的表現上，在成本和體積需要與傳統燃油載具做競爭，達到技術和操作的突破，才會更容易被接受，整體全電化的指標路線才容易發展。相對應的電動車和功率表現，也因為應用環境和使用條件不同，有所差異。

圖3 電動載具與其功率示意圖 (引用多處網路圖片示意)

電動車的類型和架構
1.電動車的種類
電動汽車的種類非常多種，如圖4所示。整體的配置均不相同，可能包含馬達、驅動器、變速箱、引擎、電池、儲氫設備、油箱等零組件。整體搭配後可以分為以下種類的車種：

圖 4 電動車的系統配置方式

A.混合動力車(Hybrid Electric Vehicles, HEV)
主要動力源為電池和燃油，DC電源透過驅動控制器切換為AC電，提供給馬達產生所需要的扭力，而燃油提供引擎產生扭力，此兩個扭力是可以累加的。其中，引擎和煞車更可以帶動發電機，提供電池所需要的電力；但整車是不提供充電。實施例有Toyota Prius、Hyundai Ioniq、Honda Accord Hybrid等。
B.純電動車(Battery Electric Vehicles, EV, BEV)
主要動力源為電池，DC電源透過驅動控制器切換為AC電，提供給馬達產生所需要的轉矩。整車完全由電池提供能源，必須要對電池進行充電。整體構造。實施例有Tesla Model3、BMW i8、Porsche Taycan等。