电动汽车三电技术详解

发布时间:2024-11-26 08:04:12  

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导读 本文以纯电动汽车(即以车载电源为动力、用电机驱动车轮行驶的车辆)为例,讲解新能源汽车 三电”技术。内容详实全面,除少数顶尖工程师外,大部分技术人员可能只看一遍是无法完全消化吸收的。建议作为参考书,反复咀嚼,这也正是本文价值之所在。

—— 大隈讲堂



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新能源汽车区别于传统汽车的“核心技术”是什么? 其实他们说的“三电”就是: 电池,电驱,电控。

下面就详细讲解一下“三电”的基础知识。

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一、电 池

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电池是与化学 、电子控制 和机械工业等相关专业的综合行业。

电池的关键在于电芯,电芯最重要的材料是正负极、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。

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动力电池产生的历史不长, 通用公司 1996年推出EV-1采用的是铅酸电池,它算是现代电动汽车架构的雏形了。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,也就才二十几年。

从国家发布的第四批《 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,这说明大部分乘用车的动力电池是直接外购的,包括电芯、电池组与电池管理系统等等。

由此可见,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。

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抛开自主品牌,再看那些合资品牌。

宝马也不具备电芯设计生产能力,i8 用的是三星 SDI 电芯;通用汽车同样也没有电芯设计生产能力,而是采用 LG化学的电芯;但电池组与电池管理系统都是他们自己开发的。显然,跨国车企虽然没有自己的电芯,但是它们却坚持自己设计和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。

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(以上数据,是根据2017年锂电池整包能量密度可达的平均值计算,随着电池技术进步,可应用的比能量将会增加)

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目前比较热的两款电池:


刀片电池 :2020年3月29日,比亚迪正式发布刀片电池,该电池采用磷酸铁锂技术。“刀片电池”通过结构创新,在成组时可以跳过“模组”,大幅提高了体积利用率,最终达成在同样的空间内装入更多电芯的设计目标。相较传统电池包,“刀片电池”的体积利用率提升了50%以上,也就是说续航里程可提升50%以上,达到了高能量密度三元锂电池的同等水平。,“刀片电池”的设计使得它在短路时产热少、散热快,并且评价其在“针刺试验”中的表现“非常优异”。

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弹匣电池 :弹匣电池其本质为三元锂电池,是一项专门提升动力电池安全性的系统性技术,是从电芯本征安全提示,到被动安全强化,再到主动安全防控的一整套安全技术。弹匣电池四大核心包括了超高耐热稳定的电芯、超强隔热的电池 安全舱 、极速降温的速冷系统以及全时管控的第五代电池管理系统。

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二、电 驱

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电驱由三部分构成:电机、 传动机构、 逆变器。
电机由三部分组成:定子、转子、壳体。

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电机技术的关键点在定子、转子。
转子是主驱动电机,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,正转即为向前进,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,而扭矩的精确意味着新能源汽车加速速度的快慢。如果扭矩产生误差,就需要电机自身来完加速,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更大。
因此新能源汽车电机的效率和性能至关重要。
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国家发布的第四批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》新能源乘用车配置电机中的32款车型采用了17家企业的电机,它一方面说明电机市场处于早期竞争阶段,另一方面说明电机技术含量不高、同质化很严重。
这17家电机企业有两类:一类是主机厂的,比如北汽新能源,另一类则是电机企业,比如深圳大地和。针对第一种,名义上这款电机标着北汽新能源,但其实是和 大洋电机 合资的电机生产企业,核心技术还在大洋电机厂手里。
所以说,电机虽然成熟、简单,但是目前大部分主机厂还不具备设计生产电机的能力,基本以外购电机为主。
不过,对于那些有电机设计与生产的厂家来说却是机遇,比如通用公司刚刚上市的别克 VELITE 5 就采用了条形绕组电机,条形绕组的电机工艺更复杂、成本更高,但是性能更强、NVH 更好。
还有比亚迪在 K9 上采用的后驱轮边电机,这种电机的电子差速算法是行业难点,也是阻碍轮边电机、轮毂电机大规模量产的瓶颈之一。市面上早期的 K9 发生磨胎现象,后来经过优化控制才明显好转。
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再说 传动机构
目前国内外电动车的传动机构都是单机减速(即没有离合、也没有变速)。未来各电动汽车企业 为了提高性能降低成本, 可能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。
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还有 逆变器
逆变器 是把直流电转变成交流电的设备。若某台新能源汽车的逆变器能够支持较高的电压,相应的电压充电流 较大、功率也较大,这就意味着以同样电流进行充电,充电功率也可以等比例放大,即充电时间会缩短。
如果提高逆变器的支持电压,相应充电时,逆变器产生的热量 会变多,那么就需要解决逆变器中 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transitor)模块的散热问题,提高充电效率的关键问题就在这里。目前日本丰田公司对此研究较深入(如其加硅碳技术的应用)。
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三、电 控

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电控部分基本相当于车辆的神经中枢,相当于人类的大脑,起着控制整车运行的作用。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。

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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。
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目前,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落后的阶段,毕竟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,他们更多的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。

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对于一般的主机厂来说,在 电控方面 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不是很大,所以它的成熟度也比较高。
另外,电机的能耗直接决定了电池在 固定 容量下的续航里程。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其特殊要求:
1、驱动电机要有更高的比能量(能量密度),实现轻量化、低成本,适应有限的车内空间布置,同时还要具有能量回馈能力,降低整车能耗。
2、驱动电机要具备高速宽调速和低速大扭矩,以提供高的启动速度、爬坡性能和高速加速性能。
文章来源于:电控知识搬运工    原文链接
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