2021 年 2 月，英國先進推進中心（Advanced Pro⁃pulsion Centre UK，APC）受英國汽車委員會（Automo⁃tive Council UK）委托，更新發布電驅動産品和技術路線圖。APC的職責是與英國政府、汽車行業和學術界合作，加速技術的工業化，支持向淨、零排放汽車行業的轉型。英國汽車委員會成立于2009年，旨在加強英國政府與汽車行業之間的對話和合作。該委員會由行業專家和政府的高層人士組成，每年召開 3 次會議。早在2013年7月，汽車委員會發布了行業戰略：推動成功實現英國汽車行業的增長和可持續發展戰略。該戰略制定了一系列行動，以實現改善融資渠道、支持新興和颠覆性技術、技能發展以及提高英國供應鍊競争力等跨領域目标[1-2]。通過APC路線圖的解讀和基于中國産業現狀的路線圖對比分析，一方面有助于促進行業技術交流合作共同進步，另一方面有助于識别中國電驅動産業發展的差異性精準施策。
2 開發邏輯
APC路線圖遵循正向開發原則，不受限于技術現狀。基于實現技術商業化和市場滲透份額挑戰的目标分解，必須要在成本、功率密度、效率上有更大的突破，從而獲得媲美傳統汽車的競争力。從市場需求到産品目标，再到總成、零部件、材料工藝逐級分解，識别現實的技術差距和障礙，制定開發策略。其整體邏輯如圖1所示。
分别反映了 APC 對于電驅動産品開發的 3 個重要維度，即：産品競争力、商業開發價值、可持續發展。從價值工程角度，前2個維度是提升用戶獲得價值的關鍵，而第3個維度是行業長久發展和企業永續經營的基礎。
3 技術目标
基于應用場景導向，可以将電驅動系統劃分為以下3類：
（1）高性價比、高産量規模導向經濟高效、高容量導向，以低成本實現規模經濟對這些産品至關重要。應用包括高産量的乘用車和物流車，這類車型大多為400 V電壓等級。
（2）高功率密度、高性能導向需要高功率密度，但成本不是決定性因素。應用包括高性能乘用車、公共汽車和一些中型車輛，這類車型很多為800 V電壓等級。
（3）高功率、超高效率導向
這些應用需要高功率密度和可靠性，但效率是最大限度地利用能源的關鍵。應用包括44 t卡車與大型非公路車輛，這類車型多為700~1 200 V電壓等級。APC路線圖主要對于高性價比、高産量規模導向的電驅動産品具有積極指導作用。APC路線圖提出的電機技術指标規劃總結如表1所示。
考慮到各種規格的電驅動系統的差異性，為進行橫向對比，路線圖統一以 100 kW 的電驅動系統為研究基準，提出了電機和逆變器的技術規劃指标。在研究功率基準的選擇上，與中國汽車工程學會、美國能源部（US Department of Energy，DOE）發布路線圖的基準一緻（表3）。
為了便于對比分析APC路線圖的技術經濟指标，在此整理了中國汽車工程學會《節能與新能源技術路線圖 2.0》中對應電機和逆變器的技術規劃。如表4所示。
對比中國汽車工程學會發布的路線圖，英國APC路線圖對電機的成本指标設置較寬松，而對逆變器的成本指标設置極為苛刻，這反映出歐洲在功率電子産業具有技術優勢，而中國在電機産業技術基礎和稀土資源儲備方面具有綜合優勢。
考慮到APC 路線圖電機功率密度質量和體積的計算基準包括電機的主動電磁組件、軸、外殼和散熱片，因此其電機質量功率密度指标也是非常激進的，必須在電機構型和輕量化材料産業化上實現革新性突破才有望達成。
APC 路線圖對于逆變器體積功率密度的指标設定要求極其寬松，伴随寬禁帶半導體器件的應用推廣以及周邊元器件的材料進步，預期業界将提前 5~10年達成目标。
根據當前行業的性能測算，基本的共識是WLTP工況比 CLTC 工況電驅動系統效率高 1%左右，CLTC工況比NEDC工況電驅動系統效率高1%左右。而考慮到 APC 路線圖的計算基準定義 WLTP 平均效率是指整個動力總成系統的效率（應解讀為綜合電機、逆變器和變速器的系統工況效率，當前技術現狀為86%~88%），根據行業共識即使全面采用寬禁帶半導體、超導導線、超級矽鋼前瞻材料技術，并且采用直驅取消減/變速器環節，也難以實現産業化，僅僅存在完成實驗室技術研究樣機的可能性。
4 技術挑戰
APC認為，電機開發的挑戰包括：提高性能（特别是體積功率密度），降低成本滿足量産應用，減少對供應鍊不穩定材料的依賴，最小化生産制造和報廢回收對環境的影響。
構型方面，通過新穎的架構設計和更緊密的集成可以實現更好的系統性能。緊湊化設計需要新的材料和熱管理策略來滿足狹小空間内電氣和熱隔離的要求。
繞組方面，采用新的形狀和合金可以改善銅繞組的性能，而從長遠來看，先進的納米材料可以帶來性能躍遷。新型繞組策略、預成型或 3D 繞組工藝可以提供更好的性能。
永磁體方面，需要減少永磁體對重稀土材料的依賴。機會點在于增加回收物含量，更多地使用二次稀土材料和替代制造方法（如聚合物粘接）。需要注意，中國雖有稀土資源先天優勢，也需節約利用。
電工鋼方面，非晶金屬材料渦流損耗低，磁飽和強度低，需解決生産成本高、熱處理和應力控制工藝難題；軟磁複合材料制作鐵芯可以保持渦流損耗不随頻率升高，且造型容易制造成本低（近無餘量成形加工技術制造出更複雜的 3D 形狀）。上述 2 種材料在高速高頻電機中預期将有應用拓展。
為了建立循環經濟，需要創建新的工藝流程來回收和循環利用對環境有負面影響的材料，以最低的環境影響來回收電機是一個挑戰。例如，在電機裝配中減少對濕法工藝的依賴可以提高生産效率，并使拆卸和回收更容易。在短期内，盡管設計的集成度和緊湊性不斷提高，但可拆卸和回收設計将變得越來越重要。從長遠看，解決制造過程中的能源投入強度問題仍非常重要，貫穿整個價值鍊的生命周期分析将變得至關重要。
APC路線圖提出，為了實現路線圖中規劃的長期性能和成本目标，面臨的電機關鍵技術挑戰和應對挑戰潛在的研究課題具體如表5所示。
随着道路上電動車輛數量的增加及其電氣化程度的提高，功率電子設備在每輛汽車價值中所占的比例将越來越高。需要更複雜的電力電子解決方案來減少電氣損耗、系統質量和成本。汽車行業的挑戰性要求為功率密度更高的解決方案、更快速的半導體開關、更高的可靠性和更耐高溫的材料創造了需求。
半導體是成本最高的元件。矽基器件因其具有相對低的成本、更好的可制造性以及更成熟的供應鍊，将繼續在低壓應用中發揮重要作用。對于更高電壓的應用而言，由于在生産規模、低成本高質量晶圓和器件創新設計方面取得的進步，新型寬帶隙半導體材料，如碳化矽和氮化镓，将很快進入汽車大功率牽引應用。寬禁帶半導體器件将提供比傳統矽器件更好的熱性能和電性能，但在可制造性、可靠性、集成和成本方面帶來挑戰。為了最大限度地發揮寬帶隙材料的潛在優勢，需要同時開發先進的組件、拓撲和電路集成技術，以适應高溫、高頻率和高電流環境。無源元件、印刷電路闆、傳感器、電路架構、控制軟件、容錯功能設計等都需要創新。标準化和最優化的架構将有利于擴大生産規模并降低成本，最終可以實現更小、更輕、最終更便宜的設計，盡管這在可回收性和環境影響方面帶來了挑戰，但通過可拆卸設計和努力為材料創造真正的循環經濟可以解決。
APC 路線圖提出，為實現規劃技術目标，面臨的逆變器關鍵技術挑戰和應對挑戰潛在的研究課題如表6所示。
新能源汽車已由“政策+市場”雙輪驅動逐漸切入市場驅動新階段，汽車電驅動産品需要依靠質變撬動市場需求。技術、資源、成本、質量綜合可控是在未來電驅動産業競争過程中緻勝的關鍵因素。
随着基礎理論、材料工藝、功率電子、控制平台、仿真測試水平的不斷提升，電驅動産業仍有很大進步空間，批量化市場應用尚不成熟，有必要針對未來趨勢做好前瞻布局，同時系統級的頂層設計與權衡對市場參與者的體系能力提出更高要求。汽車驅動電機及其逆變器仍有很多前沿科學和工程技術難題有待攻克，牽引電機産業轉型發展。
全生命周期低碳環保的主題要求站在人類命運共同體的高度，強調了最終邁向循環經濟，實現可持續性發展的必要性。産業結構将圍繞碳達峰、碳中和目标加快調整。伴随着産業同仁對于制造過程和報廢回收過程環境影響的日益關注，綠色制造體系将從無到有并日趨完善。這個過程中，可拆卸設計理念将在與集成化設計理念的矛盾沖突中取得平衡，占有重要地位。
