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無(wú)稀土電機(jī)在新能源汽車領(lǐng)域的呼聲越來(lái)越高。
今年3月份，特斯拉最先宣布下一代永磁電機(jī)將不再使用稀土材料。這之后的半年多里，業(yè)內(nèi)企業(yè)布局無(wú)稀土電機(jī)的腳步不斷加快。
例如，雷諾集團(tuán)正在設(shè)計(jì)不含稀土的第三代電機(jī)“E7A”，該電機(jī)尚處于原型樣品階段，預(yù)計(jì)2027年投入量產(chǎn)；通用汽車和Stellantis也正計(jì)劃開發(fā)新一代無(wú)稀土永磁電機(jī)；梅賽德斯下一代MMA EV平臺(tái)的目標(biāo)則是完全棄用重稀土。不僅如此，產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)亦在積極規(guī)劃產(chǎn)品路線。
日前，日本公司Proterial（原日立金屬）已試制出不含稀土元素釹的永磁電機(jī)，并計(jì)劃2035年前實(shí)現(xiàn)商用。采埃孚也開發(fā)出了一種零稀土無(wú)磁電機(jī)“2SM”。而前不久，英國(guó)一家初創(chuàng)公司Advanced Electric Machines籌集到了2300萬(wàn)英鎊，后續(xù)將用于不含稀土和銅的車用電機(jī)的擴(kuò)產(chǎn)。據(jù)稱，該電機(jī)支持100%回收利用。
越來(lái)越多的證據(jù)表明，跨國(guó)公司對(duì)無(wú)稀土電機(jī)的關(guān)注度日益提高?？蓡?wèn)題是，“無(wú)稀土”會(huì)成為未來(lái)行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)嗎？在這個(gè)過(guò)程中，存在哪些機(jī)會(huì)，又有哪些挑戰(zhàn)？
無(wú)稀土電機(jī)“蓄謀已久”
無(wú)稀土電機(jī)，還得說(shuō)回到特斯拉。
在揭曉“宏圖第三篇章”，也就是“2050年前全面轉(zhuǎn)向可持續(xù)能源”之際，特斯拉曾指出，隨著全球向清潔能源過(guò)渡，稀土的需求急劇增長(zhǎng)，不僅在滿足下游需求方面生出挑戰(zhàn)，在上游開采環(huán)節(jié)也面臨環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，公司下一代使用永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元，將不再使用稀土材料。
2017年，特斯拉正式轉(zhuǎn)向使用永磁同步電機(jī)，這也是Model3/Y驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)延續(xù)使用的搭載方案。截至目前，多數(shù)自主品牌都用上了永磁同步電機(jī)，部分品牌車型采用雙電機(jī)模式，即正常行駛狀態(tài)下啟用永磁同步電機(jī)，以達(dá)到延長(zhǎng)續(xù)航的作用，而行駛至高速，交流感應(yīng)電機(jī)等可以作為動(dòng)力輔助。
數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大約9成的新能源汽車搭載了永磁同步電機(jī)。而一直以來(lái)，稀土元素都是永磁電機(jī)必不可少的原材料。
例如，釹鐵硼因具備高磁能積、高矯頑力、高磁飽和強(qiáng)度等特點(diǎn)，已成為新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的永磁體材料；釹和釔在電機(jī)線圈中的應(yīng)用也較為廣泛，可提高線圈的耐熱、耐腐蝕等性能。當(dāng)然，稀土材料并不只這幾種。
所以特斯拉的此番規(guī)劃——顛覆傳統(tǒng)永磁電機(jī)的制備方法，無(wú)異于一枚深水炸彈。
眼下，全球車企、Tier1爭(zhēng)相涌入無(wú)稀土電機(jī)賽道，但從已公布的量產(chǎn)或者商用時(shí)間來(lái)看，距離無(wú)稀土電機(jī)真正落地仍有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路程，其能否取代現(xiàn)有技術(shù)的地位，仍是個(gè)未知數(shù)。
降本+提效
“無(wú)稀土”之所以受到追捧，是因?yàn)椴环τ^點(diǎn)認(rèn)為，相對(duì)稀土電機(jī)，無(wú)稀土電機(jī)可以做到成本更低且更高效。
早些時(shí)候，極氪電驅(qū)電機(jī)開發(fā)專家徐津就提到，永磁同步電機(jī)中重稀土（鋱、鏑等9個(gè)元素）的成本占比較高，永磁體的成本約占電機(jī)總成本的30%, 而重稀土材料的成本占永磁材料成本的30～50%。也就是說(shuō)，僅重稀土就占到單電機(jī)成本的10%～15%。
同時(shí)也有業(yè)內(nèi)人士分析，電機(jī)磁鋼的成本與功率密切相關(guān)，以最大功率170千瓦，扭矩310牛米，轉(zhuǎn)速16000轉(zhuǎn)/分鐘的磁鋼來(lái)說(shuō)，其成本大約是1000元的一個(gè)水平。
所以降低稀土使用量，或者以其他價(jià)格更低的材料進(jìn)行完全替代，成了行業(yè)降本的思路之一。
另外，在性能提升方面，前述雷諾的E7A基于800V高壓平臺(tái)，最大功率達(dá)到200千瓦，在電池容量相同的情況下可以延長(zhǎng)續(xù)航里程，也能夠有效縮短電池充電時(shí)間。特斯拉方面也聲稱，自己的下一代電機(jī)將會(huì)更高效。
區(qū)別于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車主要有“三大件”——電池、電機(jī)和電控。除了將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)還具有能量回收、控制車輛行駛方向和制動(dòng)系統(tǒng)等功能。換句話說(shuō)，電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化效率越高，電能損耗就越低，一定程度上便可以延長(zhǎng)續(xù)航里程。
不過(guò)，無(wú)稀土電機(jī)的磁鏈設(shè)計(jì)和電控軟件算法難度較大，需要極強(qiáng)的電機(jī)理解、控制器硬件開發(fā)和軟件算法能力。此外，最可行的方式——替換稀土永磁材料，也是研發(fā)的一大課題。
事實(shí)上，車企看上無(wú)稀土電機(jī)，不僅為降本和提效，更重要的一點(diǎn)，其實(shí)是為了規(guī)避稀土材料的壟斷風(fēng)險(xiǎn)。
稀土：又一場(chǎng)保衛(wèi)戰(zhàn)
中國(guó)是稀土大國(guó)，儲(chǔ)量約占世界總儲(chǔ)量的3成。但以2022年為例，全球稀土產(chǎn)量約30萬(wàn)噸，中國(guó)稀土產(chǎn)量為21萬(wàn)噸，占比70%，領(lǐng)跑全球。不僅如此，中國(guó)還是世界唯一一個(gè)形成“稀土資源-冶煉分離-功能材料-應(yīng)用產(chǎn)品”完整產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)家。
至今，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的稀土永磁材料生產(chǎn)國(guó)，而這恰恰成了海外車企擔(dān)憂的地方。
正如近年來(lái)，出于對(duì)芯片制造過(guò)多依賴亞洲地區(qū)的擔(dān)憂，全球?qū)Ρ就?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%8A%AF%E7%89%87%E8%A1%8C%E4%B8%9A/">芯片行業(yè)的扶持力度趕超以往。同樣地，稀土材料在歐美車企眼中也具有不確定性。這種不確定性，還得追溯到多年前。
圖片來(lái)源：中國(guó)稀土行業(yè)協(xié)會(huì)
2010年5月到2011年上半年，稀土價(jià)格曾近乎瘋狂式上漲。2011年前7個(gè)月，國(guó)內(nèi)八大稀土品種的價(jià)格漲了近十倍，其中以鏑鐵合金和金屬鏑漲幅最高，分別達(dá)到748.28%和715.79%。即便放在眼下，每千克稀土仍要花費(fèi)數(shù)百美元。
所以美國(guó)能源局早在幾年前便開始組織開發(fā)輕稀土或者無(wú)稀土電機(jī)。去年年底，美國(guó)能源部關(guān)鍵材料研究所（CMI）開發(fā)出了一種制造無(wú)稀土永磁材料錳鉍（MnBi）磁體的新方法。
錳鉍磁體可以替代由稀土材料構(gòu)成的永磁體。另外也有研究顯示，硬磁材料中的氮化鐵在理論性能上具備替代釹鐵硼的可能性。但無(wú)論哪一種，材料方面的創(chuàng)新即意味著工藝也要隨之革新。
業(yè)內(nèi)有觀點(diǎn)認(rèn)為，從現(xiàn)有的技術(shù)路線來(lái)看，永磁同步電機(jī)不使用稀土材料基本不太可能。但如果特斯拉用上新的材料和制備工藝，實(shí)現(xiàn)成本和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，其他車企預(yù)計(jì)也會(huì)跟進(jìn)。
不可否認(rèn)，無(wú)稀土電機(jī)不只是海外競(jìng)逐的熱點(diǎn)。今年10月份，國(guó)內(nèi)無(wú)稀土永磁電機(jī)及電控供應(yīng)商梵盛智控宣布完成千萬(wàn)元A輪融資。除去上述打造可控且穩(wěn)定供應(yīng)鏈的目的，國(guó)內(nèi)車企實(shí)則也在為降本提效而奔走。
接下來(lái)，無(wú)稀土電機(jī)的驗(yàn)證和導(dǎo)入無(wú)疑將推動(dòng)“去稀土化”進(jìn)入新的階段。
寫在最后
對(duì)燃油車來(lái)說(shuō)，稀土材料可以作為尾氣的凈化劑；而對(duì)新能源汽車來(lái)說(shuō)，稀土的作用不僅在低碳，還在智能化。如今，稀土功能材料已經(jīng)成為全球競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一，歐美及日本等國(guó)家和地區(qū)將稀土元素列入“21 世紀(jì)的戰(zhàn)略元素”，進(jìn)行戰(zhàn)略儲(chǔ)備和重點(diǎn)研究，我國(guó)也在《中國(guó)制造 2025》等中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中將稀土功能材料列為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料予以重點(diǎn)發(fā)展?？梢哉f(shuō)，這不僅是車企之間的較量，更是國(guó)與國(guó)之間的又一個(gè)關(guān)鍵賽點(diǎn)。
下載ECAD模型
