新能源汽车三电技术

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新能源汽车三电技术

所周知,新能源汽车属于技术密集型和资本密集型行业。汽车产业链长,涉及零部件众多,生产工艺复杂,生产设备要求高,项目开发投入较大,模具开发成本较高,汽车生产涉及的不同类别人员技术要求也比较高。

 

今年以来,全球汽车产业遭到疫情重创,中国新能源汽车市场的表现却“出乎意料”。特别是今年国内疫情趋于稳定,汽车特别是新能源汽车消费市场重新火热。

 

据乘联会的最新数据,​今年7月新能源乘用车批发销量达到24.6万辆,环比增长5.1%,同比增长202.9%。

 

1-7月新能源乘用车批发133.9万辆,同比增长227.4%。7月新能源乘用车零售销量达到22.2万辆,同比增长169.4%,环比下降3.2%。1-7月新能源车零售122.9万辆,同比增长210.2%。

 

 

新能源汽车三电系统

作为区别于传统燃油车最核心的技术,新能源汽车三电(电池、电机、电控)技术获得新发展。

 

深入了解电动汽车,必定绕不开三电系统。三电系统指的的是电动车的电池、电机、电控,这三大件也是电动汽车最为核心的技术系统,直接影响产品的最终性能表现,也是用户购车考虑的关键因素。

 

 

对于厂商来说,三电系统也是构成电动车成本的主要部分。

 

 

 

 

 

 

一、电池

 

电池是与化学、机械工业、电子控制等相关的一个行业。电池的关键在电芯,电芯最重要的材料便是正负极、隔膜、电解液。正极材料广为熟知的有磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元、高镍三元。

 

 

由于车上还有一块或者两块低压电池,为了区分,将高压电池称为动力电池,这也是行业术语。与传统汽车的油箱作用类似,作为新能源汽车的“能量”来源,动力电池系统通常由电芯、电池组、电池管理系统、冷却系统、高低压线束、保护外壳、其它结构件等构成。

 

目前新能源汽车动力电池市场,磷酸铁锂电池与三元锂两分天下,钛酸锂跟锰酸锂应用比例不高。对安全性要求更高的电动客车市场磷酸铁锂应用更多,以295批《道路机动车辆生产企业及产品公告》电动客车来看,229款纯电动客车产品有197款选配磷酸铁锂,占比高达86%,三元锂占比仅为0.4%。

 

对能量密度要求更高的乘用车市场,三元锂占比更高,从第四批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中32款新能源乘用车分析,使用三元电池的车型多达23款,占比71.88%,使用磷酸铁锂电池的车型达5款,占比12.5%。

 

 

当然现在很火的刀片电池,是比亚迪最新研制的,属于动力电池中的特例,它依然是磷酸铁锂电池,只是优化电池的结构来提升能力密度,比亚迪的刀片电池的能力密度比传统的磷酸铁锂电池的密度大幅提升,达到50%,能和普通的三元锂电池相比,最关键的是成本降低了20%-30%。

 

 

 

动力电池是非常“年轻”的产品, 1996年通用推出EV-1采用的是铅酸电池,它是现代电动汽车架构雏形,从铅酸电池到日系混动的镍氢电池,再到现在流行的锂电池,也才20多年。

 

从第四批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》新能源乘用车配置电池来看,32款车型采用了17家企业的电池,其中16家是电池厂商,另外一家是长安新能源的,这说明其它乘用车的动力电池直接外购,包括电芯、电池组与电池管理系统等。

 

大部分自主品牌主机厂都没有自己的电芯与电池组设计能力

 

 

 

 

跨国车企,虽然没有自己的电芯,但是它们却坚持自己设计生产电池组件与管理系统,这是为了加强动力电池的核心竞争力。与大多自主品牌的差别是,即使不采用这家的电芯,它们可以换个电芯品牌照样能够设计电池组,核心技术还是掌握在自己手里。

 

 

 

 

 

 

先介绍几个重要概念

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

能量密度方面电池肯定不如汽油,但是究竟差别多大呢?一箱50L的汽油可以大概跑600km,续航同样里程的电动车需要多少电池呢?(如下图)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

下表列出了四类锂电池的主要性能指标差别。从表中可以看出,四类电池各有优劣。那各汽车厂商究竟是凭什么选择其中某种电池呢?哪种电池又将是未来的主流呢?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

数码电子产品对锂电池安全性要求不高,钴酸锂电池最合适3C领域,特斯拉敢于使用此类电池也是未来得到超强的续航能力,但是同时其安全性能要打些折扣。

 

 

 

 

 

 

锰酸锂电池因其不偏不倚的特征赢得动力电池最大的市场占有率,虽然其能量密度不如钴酸锂和三元锂,但其他综合性能相当出色。

 

 

 

 

 

 

如果不是较低的能量密度限制了磷酸铁锂电池,其真的有可能成为动力电池中的霸主。安全性能和寿命这两个关键指标都是顶尖的。

 

 

 

 

 

 

如果说国内把锂电池的发展重心放在了磷酸铁锂电池上,国际动力锂电池行业的新星非三元锂电池莫属,比钴酸锂电池更高的能量密度,成本低于钴酸锂电池,安全性也相当可靠。不同车企对于动力锂电池的选择都有自己的考虑(如下图)

 

 

 

 

 

 

动力电池发展趋势

 

 

 

 

 

 

总结:

 

 

 

 

 

 

二、电驱

 

电驱由三部分构成:传动机构、电机、逆变器。目前国内外电动车的传动机构都是单机减速,即没有离合、没有变速。未来各电动车企业将会在传动机构上增加复杂性,同时降低对电机、电机变阻器的需求,即提高性能,降低成本。

 

 

 

 

 

 

电机由三部分组成:定子、转子、壳体,电机技术的关键点在定子、转子。转子即新能源汽车的主驱动电机,它承担了与新能源汽车运动相关的所有功能。新能源汽车的电机有正转和反转,正转即为向前行驶,反转即为倒车。

 

 

 

 

 

 

新能源汽车在正转加速行驶过程中,电机为负扭矩,扭矩的精确意味着新能源汽车加速速度的快慢。当扭矩产生误差时,需要电机来完成的新能源汽车加速,里程数则转变为需要消耗同等能量的电池来完成,而电池的成本相比电机较大,因此新能源汽车电机的效率和性能至关重要。目前汽车专用点击驱动系主要有三类:直流点击驱动系、永磁同步电机驱动系、交流感应点击驱动系。

 

 

 

 

 

 

直流电机

 

 

 

 

 

 

感应电机

 

永磁电机

 

 

 

 

 

 

逆变器是把直流电转变成交流电的设备,若一台电动汽车的逆变器能支持较高电压,则相应的电压充电流较大,功率较大,这意味着同样电流进行充电,充电功率可以等比例放大,即充电时间会缩短。若提高逆变器的支持电压,则相应的充电时逆变器产生的热量会变多,那么就需要解决逆变器中IGBT模块的散热问题,这是提高充电效率的关键问题,目前日本丰田对此研究较深入,例如其加硅碳技术的应用。

 

 

 

 

 

 

三、电控

 

新能源汽车电机、电控系统作为传统发动机(变速箱)功能的替代,其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标。同时,电控系统面临的工况相对复杂:需要能够频繁起停、加减速,低速/爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,具有大变速范围;混合动力车还需要处理电机启动、电机发电、制动能量回馈等特殊功能。

 

 

 

 

 

 

电控方面,对于一般的主机厂来说,真正掌握的只有整车控制器,新能源汽车整车控制器与传统汽车的整车控制器差别并不是很大,它的成熟度也比较高。

 

此外,电机的能耗直接决定了固定电池容量情况下的续航里程。因此,电动汽车驱动系统在负载要求、技术性能和工作环境上有特殊要求:

 

1,驱动电机要有更高的能量密度,实现轻量化、低成本,适应有限的车内空间,同时要具有能量回馈能力,降低整车能耗;

 

2,驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩,以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能;

 

3,电控系统要有高控制精度、高动态响应速率,并同时提供高安全性和可靠性。

 

电机电控系统作为新能源汽车产业链的重要一环,其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。目前,国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池,部分电机电控核心组件如IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力,具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。

 

 

 

 

 

 

通过上面分析可以看出,绝大部分自主品牌仅掌握了整车控制器与三电集成技术,对三电零部件技术却仍是处于没有进门的阶段,毕竟不是一个领域,技术不是一蹴而就的。

 

而合资品牌方面,没有电芯是它们唯一的软肋,但是通过自己设计电池组与电池管理系统,进而掌握动力电池技术弥补了这个缺陷。技术这种东西是需要积累的。

 

我国新能源汽车电池生产已经领先全球,电机已经实现本土化替代,电控绝缘栅双极晶体管(IGBT)却严重依赖进口。在新能源汽车市场从政策导向向市场导向转变过程中,降低三电系统成本以及突破关键技术难关是三电系统行业重中之重。