不用稀土永磁,马斯克要“去中国化”?

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特斯拉下一代永磁电机不用稀土。

图片来源@视觉中国

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钛媒体注:本文来源于微信公众号网易科技(ID:tech_163),作者 | 普子胥,钛媒体经授权发布。  

特斯拉下一代永磁电机不用稀土,马斯克在之前的投资者大会上这样放言,一言重挫稀土产业,受其波及,行业个股一度纷纷下挫。老马大嘴一张,杀伤力如此之大,难道稀土永磁真的要彻底凉凉?

“马斯克是一个有雄心的和大胆敢想的人物。特斯拉下一代电动车不使用稀土,是顺应美国发展电动汽车计划的‘政治正确’的投资策略,我们要理性看待,不适过度解读。”

中国电子科技集团公司首席专家、中国电子材料行业协会磁性材料分会秘书长、中国稀土学会常务理事张明向网易科技《能量场》表示,屁股决定脑袋,马斯克的策略更多是一种“迫不得已”的交代。

“以前有一种倾向。一有争论,那洋人都是对的。”上海大学机自学院电气工程系教授罗建对《能量场》表示,马斯克不用稀土,可能有他的立场:“不能说洋人不用稀土,我们就跟风。”

不用稀土永磁,,到底行不行?

电机,是新能源汽车的三大核心零部件之一,是新能源汽车的“心脏”,重要性不言而喻。一般来说,电动车的驱动电机分为两大类:一种是永磁同步电机,另一种是异步交流电机。

两者相比,各有优劣。

永磁同步电机,往往需要用到以钕铁硼为主的稀土永磁材料,该材料可对电机整体性能改善,使电机工作更为稳定,提高电机的效率,改善电机的耐热性,使电机更耐用,更轻量化,是车企的主流选择。而异步交流电机的功率和扭矩更低,体积更大,不过相对便宜。

特斯拉早期推出的电动汽车,使用的就是交流异步电机。不过,随着上海超级工厂投产,特斯拉也开始使用稀土永磁同步电机,或两种电机混合使用。

然而,一贯“离经叛道”、热衷成本控制的马斯克,此前曾在特斯拉投资者大会高调表示,现在的Model 3永磁电机稀土量减少了25%,而下一代电机将不再使用稀土材料。

问题的关键在于:永磁同步电机少用、或者不用稀土材料,到底行不行?

“这在技术上是可行的。”罗建教授认为,如果电机不用稀土,得分几种情况:一种是,电机完全不使用磁性材料,变成了没有永磁体的电机。第二种是,稀土永磁体和其他永磁材料混用。第三种是,电机还用永磁体,但不再使用稀土,而用其他替换材料。仅从技术路径上说,以上三种方法都能实现。

而采取哪一种电机,取决于不同的应用场景,不同的电机其实都有机会。

罗建以不采用永磁材料技术路线向《能量场》举例。在绝大多数情况下,永磁体能建立磁场,能够提高效率。但在电机高速运转时,永磁体的磁场一旦过强,就需要减弱磁场,这会带来能量损耗。这时候,永磁体就变成一个“坏事”。

因此,这些年业界提出了相应的解决方案:比如,电动四驱车的一根轴采用永磁电机, 另外一根轴采用异步电机,两者相互搭配。比如,特斯拉在Model3等车型上,其前轮用了交流感应电动机,后轮用了永磁同步电动机驱动。这类混合驱动方式兼顾了性能和效率,还能减少对稀土材料的用量。

罗建指出,如果车辆在滑行,此时异步机里因为没有磁场,本身不会带来附加损耗。可如果是永磁电机,里面有磁场,即使不通电,也会带来附加损耗。所以,不同时间、不同工况下使用什么电机,是可以讨论的。

而另一种情况,则是在同步电机的基础上,用电力磁场替换永磁体。此外,还有一种“折中”方案,即采用永磁辅助电机:“电机的磁场,一部分由永磁体建立,另一部分用由定子电流通过转子磁阻建立。”罗建表示。

这样做,有什么好处?

罗建谈到,新能源汽车电机和工业电机最大的不同是,新能源车的电机速度是从0变到最大,没有一个额定速度。因此,人们想用一台永磁电机,在所有的速度范围内都达到最好效果,难度很大,也不现实:“所以,从综合效率优化的成本来说,用稀土永磁材料、以及非稀土永磁材料(比如铁氧体),共同辅助搭配,做一个永磁辅助电机,是一个不错的解决方案。”

此前,特斯拉动力总成工程负责人科林·坎贝尔在投资者日上发表讲话,指出下一代电车,将会去除电动汽车永磁电机中的稀土。

但问题是,他没有提供将会采用什么技术,何时上市以及使用范围。

“马斯克不用稀土永磁,可新材料是什么没有公布。”上海有色金属网稀土分析师杨佳文向网易科技《能量场》表示,如果特斯拉想开发新的技术,或者运用新的材料,先不说能否商业化生产,可开发周期是多久,也没有说明。

马斯克有没有可能,发现新材料?

如果马斯克依旧想用永磁体电机,但不使用稀土材料,这是否可行呢?

张明向《能量场》表示,特斯拉电动汽车永磁电机如果不使用稀土材料,可能的方向是两种:一种是使用现有的无稀土永磁材料进行改进,另一种是使用新型无稀土永磁材料。

谈到第一种方向,张明表示:“如果特斯拉用铁氧体永磁替代稀土永磁,那么电机要提供相同的磁能时,所需永磁体的体积将增大10~12倍。这一技术方案不符合电动汽车对车身轻量化的需求。”

而如果马斯克要使用新型的无稀土永磁材料,张明表示,这在技术、规模化量产上都存在难点。

为此,张明举了一个例子。

2012年,美国能源部实施了一个研发无稀土永磁材料的REACT计划,对Fe16N2、MnBi等多种材料进行研究,但至今没有重大进展。主要原因,是替换稀土的材料且需要可批量生产的块体材料制造工艺:但现阶段,全球还没有找到美国REACT计划中候选永磁材料的制造工艺。

除了制造工艺的难点,新材料从发明到规模化生产,仍需要时间。

比如,2022年年底,美国爱荷华州立大学艾姆斯实验室的夏薇仪和东京大学固体物理研究所樱井正弘等人,就在PANS发表文章,证明了他们的机器学习(ML)指导框架能够在几天内,完成无稀土磁性化合物Fe3CoB2的计算发现和实验合成,而该材料适用于无稀土永磁应用。

“尽管如此,即使找到替代钕铁硼的新型永磁材料,要将其投入规模化生产,乐观地说至少5年以上。”张明谈到,当下稀土永磁电机的核心材料钕铁硼,早在1983年就已经发明,但规模化生产也等到了2000年以后。

“现阶段没有这样的技术基础。”杨佳文谈到,2022年,镨钕金属(钕铁硼原材料之一)涨到130多万/吨,大家还在用,说明现阶段没有可以完全替代钕铁硼永磁的材料。

稀土永磁贵不贵?

马斯克为何如此“着急”去宣告自己的“去稀土计划”?

对此,人们猜想马斯克执着于“去稀土”,在于成本考量。公开资料显示,电动车采用的稀土永磁电机,运用到的稀土材料钕铁硼,一般能占到永磁电机成本的50%。

“一台常见的100多kWh的新能源电车,其永磁电机大致消耗1公斤到3公斤的钕铁硼”,罗建表示。

除了电动车的主要驱动电机,电动车还会装配几十台微电机,主要应用于汽车的发动机、底盘、车身三大部位及附件中。根据汽车行业估算,每辆经济型汽车需配备20台以上小电机,轿车至少需60台以上小电机,豪华型轿车需近百台小电机。

《能量场》查阅相关资料得知,如果按照行业平均数据而言,纯电动汽车的电池、电机、电控占整车成本之比分别为37%、7%、6%。稀土永磁同步电机,主要由永磁体、定子铁芯、壳体、转子和定子绕组等组成,分别占电机45%、17%、13%、7%和6%的成本。

照此推算,电车的永磁体材料约占整车成本的3.2%,并非电动车最大的成本。如果按整车15万元价格计算,一台电车的永磁体成本约4800元,按钕铁硼平均价格450元/kg计算,整车将用大约10~11kg钕铁硼。

“特斯拉的永磁电机不使用稀土材料,主要基于产业链可控考虑,成本考虑次之。”张明表示,电动汽车的最大成本是动力电池,其中正极材料约占整车成本16.7%,而稀土永磁体仅占整车成本约3%。

如果仅从成本方面考量,电动汽车要降成本,主要对象不是去除稀土永磁体。

“马斯克追求的政治正确”

一没有公布技术路线,二没有公布可替换的新材料,三没有公布计划的准确时间——当技术、材料、成本都无法得出一个合理的解释,马斯克究竟打的什么小算盘?

“他对投资者要有交代。”罗建对《能量场》表示,国外的投资者,对近年来稀土价格的剧烈波动,以及供应链是否可持续性,是有担忧的。

“美国电动汽车制造十分担忧过分依赖中国。”张明表示,目前美国电动汽车制造对中国的动力电池(中国精练了全球80%的原材料,拥有77%的电池产能,制造了60%的电池组件)和稀土永磁材料(尤其钕铁硼材料,中国销量占全球90%以上)依赖度非常高:“此前,美国特朗普政府计划摆脱对中国的依赖已成为了美国的‘政治正确’”。

实际上,特朗普政府在2021年8月宣布启动了一项计划,到2030年使美国一半的新车实现电动化。为吸引投资者,马斯克此次提出了这些大胆的计划,与他以前的投资宣传手法如出一辙。

张明谈到,马斯克雄心勃勃地宣布到2030年,要每年生产2000万辆电动汽车,届时,如果马斯克还用稀土永磁电机,2000万辆电动汽车将至少需要10万吨的稀土永磁:“如此大的需求量,到时候不可能美国化,这将对美国投资产生多大的影响?所以,马斯克独出心裁,给美国政府和投资者一个似是而非的新方向。”

数据显示,我国是高性能钕铁硼永磁材料的第一大生产国,2022年,我国稀土永磁累计注册企业达到1964家。而随着近年来国内公司技术的进步与向高端产品转型的政策鼓励,我国高性能钕铁硼磁材产量激增,目前已经占据世界产量比例接近70%。

海关总署数据显示,2013年以来我国稀土永磁体出口量持续增长,2022年我国稀土永磁体出口达53288吨,同比增长8.6%,创历史新高。

中国稀土永磁体产量的激增,也意味着包含特斯拉在内的众多外国车企,对中国稀土永磁的依赖越来越重。为了摆脱这样的依赖,各国车企早已在行动。

比如,日本和欧洲的科技机构、公司和车企正在尝试开发非稀土,或少用稀土的永磁同步电机。而近十年来,各国都在该技术领域进行了密集的研发,无稀土永磁材料的研发成了各国攻克的重点。

“别国走他们的路,我们理性审视”

永磁电机是稀土材料的重要应用领域,但不是唯一的应用领域。实际上,包括航天、机械、电子、激光、陶瓷、合金制造等众多领域,覆盖我国经济民生的各行各业,对稀土材料都有着旺盛且持续增长的需求。

然而,马斯克的一席话,却在一定程度上,对我国的钕铁硼市场,乃至整个稀土行业都带来了冲击。

就马斯克的去稀土化的“猜想”,《能量场》也咨询了比亚迪公司。比亚迪方面表示,目前公司主驱电机均为永磁同步电机,扭矩密度和功率密度大,工况效率高,已实现平台化,产业化。当下,比亚迪主驱为永磁同步电机,辅驱为异步电机的技术路线不会改变。

而面对马斯克“去稀土化”,究竟如何看待?

张明对《能量场》谈到,我们国家稀土永磁材料(钕铁硼)产业,具备着其它国家不具有的先天优势,不管从矿物开采、金属提炼、稀土合金、稀土永磁材料、到电动汽车,全产业链完整,具有规模化效益优势,人才培养和储备全球第一。

而为了适应低成本需求,诸如晶界扩散技术和镧铈双合金稀土永磁材料技术,现在都得到了大规模应用,并在国家科技部专项支持下不断提升稀土永磁材料技术:“我们国家要有产业自信,别国走他们的路,我们理性审视!”

罗建也告诉《能量场》,除了技术层面分析,我们还应该看到洋人不用稀土可能有他的立场。我们国家不用跟风,在发展钕铁硼的这些事情上,一定要站稳立场。

他说,“当然,如果特斯拉真的降了成本,或者有技术突破,这个是值得学习的。仅仅是因为担心稀土的供应的问题,那没有必要。”

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