极氪汽车徐津：低重稀土技术助力电机降本
2023年6月26-27日，由NE时代主办，巨力自动化总冠名，巨一动力、中车时代电气、上海电驱动战略合作，华为数字能源、智新科技生态合作的“2023（第三届）全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定如期举行。
在27日驱动电机新技术和新工艺分论坛上，极氪汽车电驱电机开发专家徐津博士分享的主题是“低重稀土永磁材料在新能源汽车驱动电机中的应用”。徐津博士提到重稀土的成本占到了整个电机成本的10%-15%，低重稀土技术的应用能够有效降低成本。
徐津：谢谢。今天题目可能写的有点偏，我们其实极氪我讲的是永磁材料低重稀土技术，不光是材料本身，还有其他的技术。
昨天大会包括今天早上黄教授还有我们应总包括下午我们的崔总，对于低或者无重稀土技术都提到了，大家现在对于这方面非常关心，今年上半年马斯克也提出了未来特斯拉的发展方向，其中就是低或者无重稀土的技术。今天，我也想针对这个问题点和大家展开一些讨论和交流。
威睿公司概况
威睿公司创建于2013年，它是隶属于吉利控股集团，目前总部位于浙江宁波，是一家专业从事新能源汽车动力电池、电驱动系统、充电系统、储能系统的研发、制造、销售与售后服务的新能源公司，我们目前做智能科技做得比较多，就是我们智能网联汽车，公司新能源发电，现在业务已经拓展到了纯电和储能方面，在2022年公司业务的营收是131.5亿，预计今年超过300亿。研发能力2022年总的研发投入大概在4.87亿，目前研发技术人员超过3000个，自主知识产权也超过400个，其中发明专利230个。涵盖了电芯、模组、PACK、BMS、电机电控等等核心技术，也进行了布局。目前我们拥有五款在产电驱产品，总共有13条产线，目前年产能大概53套左右，目前我们产线柔性化和自动化程度，在行业里面应该属于领先水平。
新能源汽车永磁同步驱动电机
永磁同步电机具有高功率密度，高效率，调速范围大的优势，永磁化已经成为新能源汽车驱动电机的主要技术趋势之一。但新能源汽车对电驱系统的重量和体积有着严苛的要求，加上工况复杂多样，可能会导致散热条件比较苛刻，电枢反应大，温度及外磁场环境更加恶劣，从而出现不可逆退磁现象，使得电机的性能下降甚至完全失去动力，因此，永磁体的安全可靠使用是高密度永磁电机的关键技术指标之一。
现有的永磁驱动电机大多采用钕铁硼永磁体，其具有较高的磁能积，剩磁和矫顽力，但同时其居里温度较低，温度系数高，高温下磁损失较大。需加入部分的重稀土元素，如：镝，铽等，替代部分的钕，提升永磁体的场各向异性，抑制反磁化畴的形成。但重稀土的地壳含量较少，地壳含量不足轻稀土钕的10%, 价格昂贵(钕：620/kg, 镨：680/kg, 镝：2705/kg, 铽：10400/kg，钴：262/kg), 因此，永磁同步电机中重稀土的成本占比也较高，永磁体的成本约为电机总成本的30%, 重稀土材料的成本占到永磁材料的30-50%，也就是说单是重稀土就占到单电机成本的10%-15%
由此可见，重稀土成本已经成为驱动电机的主要成本驱动因素之一，减少其用量能够提升新能源汽车的性价比，有利于新能源汽车进一步普及推广。在节能和新能源汽车技术路线图中低无重稀土磁钢已被列为关键技术之一。
降低低重稀土用量的主要技术
刚才做了一个简单的介绍，然后现在的话想跟大家交流一些降低重稀土用量主要的技术。在保证电机的抗退磁能力的前提下，减少重稀土用量，可以从改善材料自身组成，降低损耗产生的温升和减少电枢反应对磁钢的影响等方面入手。这里可以分成两类，一种是设计防护，一种是运行防护。设计防护指在设计阶段通过材料及电机结构的优化，保证电机的抗退磁能力。运行防护是指电驱在工作中对电流，温度及磁铁健康度进行实时监测，预防风险发生并在产生退磁风险时采取必要的防护措施对磁钢进行保护。设计防护包括：磁材及磁材工艺优化，冷却结构优化和采用多物理场的寻优。运行防护包括：最大电流控制，定转子温度模型及永磁体健康度监控。
磁材提升矫顽力需要通过增强主相晶体的各向异性场，抑制反磁化畴的形成来实现。除了传统的添加重稀土元素外，比较典型技术还有：晶粒细化和晶界扩散技术。
晶粒细化：
对于常规磁性材料而言,晶粒直径越小,矫顽力越大,一般成Hc 1/D的关系(D 为晶粒直径)。这是因为晶粒越小,相同体积内的材料含有的晶界数目越多。而晶界是畴壁位移所受阻力来源之一,晶界越多,畴壁位移过程将受到更多的阻力,从而导致矫顽力增大。（晶体颗粒的尺寸与磁畴尺寸相近时，各向异性场最强。目前可以做到5-6μm。）目前主要的细化工艺有：氢化歧化(HDDR)结合氢破碎(HD)和气流磨(JM)制粉。晶粒细化的主要问题是：
1. 晶粒大小到达一定程度后，磁体晶界富稀土相晶界容易被氧化，导致矫顽力下降，需要在工艺过程中对氧含量进行控制，必要时采用惰性气体进行保护
2. 晶粒在烧结温度下会异常变大，需要在烧结过程中加入高熔点的颗粒对大小进行抑制；
晶界扩散：
传统的元素添加方法是在熔炼过程中加入，即把重稀土元素与Nd、Fe、B等元素一同熔炼，在最后制备成的磁体中，晶界和晶内主相中均有重稀土元素分布。在主相内，由于重稀土原子与Fe原子的反铁磁耦合作用，添加重稀土材料会导致剩磁和磁能积的下降。根据烧结钕铁硼的矫顽力机制，反磁化畴首先在晶粒的表面形成，因此，处于晶界的重稀土元素对提高矫顽力作用最为显著。使用晶界扩散技术，可以使重稀土元素尽可能的在处于晶体主相表面，实现矫顽力，剩磁和磁能积的同时提升。剩磁提升15%，重稀土用量减少20-30%。
晶界扩散在工艺上可以通过溅射，蒸镀，涂覆，电沉积等各种方式实现，其主要问题有：
1.扩散厚度及扩散均匀性：由于由外到内的渗透，因此扩散深度有限，且扩散浓度由表到内逐渐衰减；
2.扩散剂的性价比：合金扩散剂代替稀土扩散剂；
3.如何将晶界扩散与现有工艺结合。
采用原位扩散和多层扩散技术，在研磨、压制过程中添加扩散剂解决扩散厚度、扩散均匀性的问题，同时能够节省工序。
除了提升矫顽力外，减少磁钢自身发热也可以降低重稀土用量。钕铁硼磁钢具有一定的导电性，在高频，大电流下，磁钢内部会感应出涡流电流，产生涡流损耗，使磁钢的工作温度上升，增加退磁风险。
这里可以采用提高磁体自身电阻率和磁体薄片化的方法降低磁钢的涡流损耗。
1. 提升磁铁自身电阻率的方式是在磁性粉末表面进行绝缘包覆，这样可以有效的降低涡流损耗和部分提升矫顽力，但是同时剩磁下降较为明显；
2. 拼接方法：工艺成本高，无明显降本，且胶水的粘接强度会随着温度的增加急剧下降；
3. 开槽方式：暗裂纹产生，机械性能下降，组装和充磁过程中导致磁体损伤。
综上所述，以上几种技术在减少重稀土用量的同时，也增加了制备工艺的复杂度，进一步的提升将对材料制备工艺及设备提出极高的挑战。
除了改善磁材自身外，采用合理高效的冷却方式和结构,提升电机冷却的传导和对流效率，对降低重稀土用量也有着明显的作用。比如：是采埃孚定子冷却方案，把水冷变成轭部油冷再变成槽内油冷方式，这样一方面可以提升额定功率，另一方面重稀土用量也降低了。这里需要注意的是要实现定子的冷却高覆盖率和均匀性，也就是要尽量多的覆盖我的定子发热源，然后尽量均匀冷却它。
另外通过转子的冷却设计，也可以进一步降低磁钢的工作温度，有效的保护磁钢。转子冷却结构设计时，除了提升冷却效率外，还需要考虑搅油损耗、动平衡，甩油路径排布等问题, 到达更加科学、合理的冷却。
减少重稀土用量除了从新磁材技术，新冷却结构着手外，还可以对电磁结构进行优化设计。如：通过绕组结构，定转子结构优化（隔磁桥，磁钢尺寸，结构，位置等），减少电枢反应对磁钢的影响，同时通过减少损耗，降低磁钢的工作温度。
电磁场是损耗，温度，电磁力等的激励源，电磁场的变化会引起温度场，流体场，声场，应力场等的变化。因此，优化电磁结构时，需要结合不同物理场的需求对多目标进行寻优，尽可能的满足新能源汽车对可靠性，经济性，动力性，舒适性的要求。
采用多物理场多目标寻优时，首先需要对模型，约束条件及变量进行准确定义，比如：适当的对于模型进行降维处理。对于损耗进行准确的测试和定义，以及对于与目标强相关的变量的选择等。对于硅钢材料性能的定义，局限于现有的测试技术，对于高频高磁密下的铁损测试技术还不是很成熟，另外，如何测试旋变磁场下的铁损也是需要研究的问题。
变量的多少直接关系到了运算量的大小，合理的变量定义能够极大的节约运算时间。
此外，寻优解法和目标模型的选择也很重要，现在常用的解法有多目标进化算法、神经网络算法、多目标粒子群算法，其中多目标粒子群算法具有较高的搜索能力，有利于得到多目标意义下的最优解。同时通用性也较好，适合处理多种类型的目标函数和约束，并且容易与传统的优化方法结合，改善自身的局限性，更高效的解决问题。
目标模型典型的有：线性加权和帕累托等；
1. 线性加权：线性加权模型，其优点在于实现简单，把多个目前进行加权后相加变为单一目标，仅用缩放后的值来代表原目标，求解也相对比较容易．其缺陷在于刻画目标和解不够精细，例如磁钢用量和效率，这两个目标的单位分别是重量和百分比，用先缩放再加权的方法把它们直接相加，对原始目标的信息有一定的丢失和遗漏. 另外，缩放过程需要提前知道目标的信息，如最大值、最小值或者平均值，而这些信息往往很难确定．而制定权重过程需要依据的用户、供应商对不同目标的偏好程度也很难提前获知．即使在已了解偏好程度的情况下，如何准确地制定权重仍然是棘手的问题．例如，将磁钢用量的权重设为0．2还是0．21，对于用户来说可能没有大的区别，但是对最优解有不可忽略的影响．因此，采用线性加权模型虽然简便，但解的优劣程度难以保证；
2.帕累托：帕累托(Pareto)是多目标优化中经典的模型,并且它完全基于原始数据，没有将问题转化成单 目标问题分析。具体概念已在第一部分详细阐明。帕累托模型由于不需要对目标进行缩放和归一化，也不需要设定或者引入新的参数、变量(如权重、界限值)，直接基于原始目标函数和值进行操作，可以适用于任何目标、任何函数．它不会丢失目标函数和解的信息，解的优劣可以较好保证．但帕累托模型的最优解是一个集合，其中包含不止一个最优解，因此要穷尽并求出所有的帕累托最优解有一定的难度．
因此，多物理场的寻优时，除了需要有多学科扎实的理论知识和丰富的经验，优化设计时还需要兼顾适用性、准确性、鲁棒性和运算效率。
刚才介绍的是设计防护相关的技术，接下来将对运行防护的技术进行一些简单的介绍。
最大电流控制：
在电机出现故障情况下，需要对电驱系统进行主动保护。其中最为常见的两种主动保护措施为SPO(SaftyPulseOff)也可称为Freewheeling，和ASC(ActiveShortCircuit)。SPO实现方式是通过将开关管全部断开，从而实现电机和控制器的脱离，但这种隔离并非彻底，因为体二极管具有续流的作用；ASC是通过将上桥短路或者下桥短路，实现电机和控制器的分离。
电机进入SPO模式时，无法向DC侧反馈能量，转子只能依靠机械阻尼停机，会导致电机较长时间的空转而无法进入安全状态。但是，如果在电机高速过程中进行SPO，一般这时候电机处于弱磁状态。一旦SPO发生，d轴电流消失，d轴磁场增强会导致较高的反电动势，该反电动势进过二极管的被动整流后其电压大于电池电压，从而对DC-Link进行充电，母线电压升高。同时也会影响IGBT等挂在母线上的其他电子元器件，增加了控制器失效的风险。由于无法忽略定子侧电感内部的能量，无论反电动势被动整流电压是否大于DC电压，在SPO发生的瞬间，定子电感内电流无法突变，那么就会通过反向二极管对DC-Link电容充电。充电能量的大小取决于电感的储能和DC侧电压的大小。SPO还有一个致命的缺点，如果发生某相开关管短路，则无法实现SPO功能。因此现在，越来越多的主机厂倾向于采用全速ASC。
ASC通过将逆变桥的三相短路(上管短路或者下管短路)，实现将控制器与电机进行电气脱离，避免控制器受到非预期的损害。对于永磁电机而言，脱离了控制器的控制，在ASC发生之后其特性只受电机内部参数以及初始条件影响。在低速情况下，ASC会对电机转子产生较大的制动扭矩，该制动扭矩能够使电机实现快速停车，进入安全状态。但是，ASC发生瞬间会产生极大的d轴电流，该电流可能会导致电机内部永磁体退磁。同时，巨大的脉冲电流也会对IGBT产生冲击，需要考虑IGBT抗电流冲击的能力。
对FW+ASC的控制策略进行优化，对最大故障电流和工作电流进行限制，保证电器元件的安全性的同时，保护磁钢不受到较大的外部磁场的影响。可以采用SPO和ASC相结合的方式，出现故障时，先进入SPO，将能量进行一定的释放后再进入ASC，必要时可以在两种控制方式间进行多次切换，这样既可以保证电器元件的安全，也可以降低最大电流，保证永磁体安全。
定转子温度模型及永磁体健康度监控：
新能源汽车的工况复杂多样，为了预防温度和外部磁场对磁钢造成不可逆的退磁，可以建立定转子温度模型对电机内的温度进行监控和预测，必要时采用加大冷却流量和降低功率的方法对磁钢进行保护。
传统的电机温度检测方法是将温度传感器镶嵌在电机内部，通过直接测量得到温度参数。但是该方法依赖于温度传感器精度和电机结构，并且受限于温度传感器的数量和安装位置，不能为电机提供充分的热保护。此外，该方法存在接线复杂、可靠性较低、在传感器故障时更换困难等一系列问题。基于参数识别法的温度估算则无需安装温度传感器，可节约成本，增强系统的可靠性。
基于参数识别法的温度估算是利用定子绕组的温度，定子相电流等信号，估算转子永磁体的温度。这种方法需要在前期进行大量的测试标定工作，找到各个参数（电流，磁链，损耗等）与磁钢温度之间的对应关系，保证模型的准确性和鲁棒性。
此外，在定转子温度模型的基础上，为了更加精确的判断磁钢的工作状态（温度模型只考虑了温度的影响，外部磁场的影响也需要考虑），建立永磁体状态观测器，对永磁体内部磁场进行观测，进而实现更加精准磁钢健康度的预测。
为了保证模型的精度，需要增加采集信号的数量，提升采样频率，这会导致硬件成本明显上升。因此，准确计算和测量永磁同步电机转子永磁体的工作温度，可以提高电机的各项性能设计指标，确保电机的安全稳定运行。
最后总结，减少重稀土的用量可以实现低成本和节能的双赢效果，对于新能源汽车的推广和普及有着重要的意义。由刚刚的介绍可知，减少重稀土技术是一个跨多学科，多物理场的技术，需要对材料、电磁、热场、流体、机械、控制等学科有着较深的理解，同时对仿真及优化算法也有着较高的要求。因此这是一个需要从系统层面出发、全产业链的协同配合，共同完成的技术。
谢谢大家！
