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稀土磁石與電動車動力系統的探討

刊登日期：2021/07/01

摘要

電動汽車的發展目前受到各國的矚目，預計於2030年將會達到一個大幅度的成長，甚至會高於燃油車的銷售總量；而驅動馬達是整車關鍵的零組件之一，特別受到矚目，美國能源署DOE2025也針對驅動馬達有功率密度上的指標和重視。目前在發展上遇到重要的課題，因馬達轉子所使用磁鐵材料，通常為高磁能積的稀土材料，但其取得和成本控制非常不容易，導致各大指標性廠商陸續設計開發低稀土或無稀土馬達；為了達到相同的轉矩表現，馬達的功率密度將會有所降低；技術上為了提高或修補體積被放大的問題，以DOE現階段的5.7kW/L指標，投入衝黏矽鋼片、平角漆包線、高壓高速控制等技術研發是必要的，以降低稀土的依賴性，但卻不失驅動馬達因有的功率密度表現。

Abstract

The development of electric vehicles has attracted attention from all countries and is expected to reach a substantial growth in 2030, even higher than the total sales of fuel vehicles. The drive motor is one of the key components of the vehicle. DOE2025 also has indicators and emphasis on power density for the drive motor. However, the current development encounters some important issues, primary on the fact that magnet material of the motor rotor is usually a rare earth material with a high magnetic energy product. It is very difficult to obtain rare earths and achieve cost control, as such manufacturers tend to design and develop low-rare earth or non-rare-earth motors one after another. In order to achieve torque performance, the power density of the motor will be reduced. The technology will be focuing on improving or fixing the problem of enlarged volume. Since the DOE power density index is 5.7kW/L, it is necessary to invest in technology research and development such as punching and bonding silicon steel sheets, flat-angle enameled wires, and high-voltage high-speed control, etc., so that the dependence on rare earths can be reduced. 關鍵詞：電動車，稀土，功率密度

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。

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