3.3美元／kW成本电机组件的体积与效率

汽车内留给零件系统的空间越来越小，因此减小组件封装体积是十分必要的。电机体积的减少，受限于目前使用的电工钢中使用的材料所具备的磁通密度和同绕组的电导率等特性，除非可以采用新的材料来改善这些性能，否则减小电机体积最有效的方法，还是提高电机速度。

功率电子器件的体积主要取决于无源器件（电容和电感）的尺寸，以及功率模块等器件的体积。由于汽车内的工作环境相当恶劣，因此，合适的热管理是确保功率电子器件可靠和长时间运行的关键。此外，在功率器件当中，逆变器是最占体积的，最大可占整个功率模块的40%以上的体积，如果再算上冷却设备的话，所占的体积将更大。

橡树岭国家实验室对不同的开关器件进行了对比，对不同开关器件的成本、尺寸、开关速度和工作条件等进行了对比。

表4：不同开关的成本、性能、尺寸等参数对比。

当然，如果要实现2020年和2025年的目标，光靠这些是不够的，还需要新的技术和产品的支持。

图1：橡树岭国家实验室提供的电机性能提升技巧。

在橡树岭国家实验室的研究人员看来，宽禁带产品，比如SiC和GaN产品的应用必不可少。目前也已经有不少企业推出相关的产品，比如罗姆、英飞凌、Cree等都有推出SiC产品。SiC的产品在新能源汽车中的应用案例已经不少。

最近，日本一个由2014年诺贝尔物理学奖得主之一，日本名古屋大学教授天野浩领导的研究团队宣布，他们利用GaN研发的逆变器成功应用在了电动汽车上，该逆变器有望让电动汽车节能20%以上。

图2：为实现2025年电机目标，橡树岭国家实验室建议的功率器件选择技巧。

天野浩团队的测试车是“All GaN Vehicle”，于10月24日开幕的第46届东京汽车展上展出，目前可以达到时速50公里，计划年内实现时速100公里。天野浩表示，使用GaN做逆变器的电动汽车尚属世界首例。但目前他们仍然面临装置的可靠性和价格这两样课题研究，他们希望新技术能尽快达到使用标准，争取2025年投入市场。

提高电机的效率有很多好处，比如可以减少热管理系统，从总体上减少体积、重量和成本。

组件重量

因为燃油效率与重量是成反比的，因此减小组件的重量也至关重要。对永磁电机来说，减轻其重量一个有效的办法是提高电机的速度。由于电机的功率与速度成正比，提高电机速度就可以增加功率密度。当前电机的速度在16000rpm~20000rpm之间。

目前高速电机还有一些技术障碍需要突破：首先是高速电机产生的高离心力将使其难以在IPM设计中保留磁体；二是电机转速比较高，电磁负荷相应也会增加，这样就会增加电机单位体积损耗，导致电机零部件的温度上升，进而对冷却方式的要求提高；三是传统齿轮和轴承可能无法承受跟高的速度；四是为了使齿轮箱高速运行而对机械组件的其他要求可能会抵消电机的节省，成本得不到显著降低。

总的来说，要想达到这些目标，现有的技术可能很难达到，必须要探索多种技术，对电机和电力电子设备都进行改进。对电机而言，需要考虑新的电机结构设计、磁体材料和制造方法等；对电力电子设备，要考虑半导体开关、电容、磁性材料、封装和新拓扑结构；除此之外，还需要考虑控制系统组件的温度挑战。