新能源汽车核心技术“电池、电机、电控”三电系统解读

日期: 2024-05-29 19:08:24|浏览: 95|编号: 70343

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新能源汽车核心技术“电池、电机、电控”三电系统解读

新能源汽车的核心肯定不体现在自动驾驶、智能座舱、车内屏幕等,真正体现车企造车技术的是三电系统——“三电”(电池、电控、电驱)。

1. 电池

目前电池仍是新能源汽车总成本中占比最大的部分,约占40%左右。

动力电池在新能源汽车中一般称为动力电池,是指为电动汽车动力系统提供能量的电池,主要用于接收并储存外部充电装置、制动能量回收装置提供的电能,并通过高压配电系统向驱动电机、电动空调压缩机、PTC加热器等高压用电设备提供电能。

它关系到车辆的续航里程、行车安全等诸多方面,电池的关键是电芯,而电芯最重要的材料就是正负极、隔膜、电解液。

目前较为熟知的正极材料有磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂以及镍氢电池等。

我们先来了解一下影响电池性能的几个主要参数:

正极材料的稳定性直接影响电池的安全性能,甚至影响整车的安全性能,这也解释了某品牌电池自燃现象。

能量密度:电池的能量密度分为质量能量密度和体积能量密度。质量能量密度是指电池单位质量所能输出的电能大小。体积能量密度是指电池单位体积所能输出的电能大小。显然,能量密度越大,相同体积或质量的电池所能承载的电能越多,也就意味着续航里程越大。还有一个功率密度,衡量电池的瞬间放电能力,功率密度越大,放电能力越强,车辆的瞬间加速能力越好。

因此能量密度不足也是新能源汽车发展的一大障碍。

市面上常见车型采用的电池类型如下:

车企对于动力电池的选择也能间接体现出各个车企的目标和发展思路,有的车企更注重续航里程,拥有更好的续航体验;有的车企更注重行车安全,更注重安全第一的理念。

目前市场主要以磷酸铁锂与三元锂的竞争为主,其他基本已被乘用车所淘汰。

2. 电机

驱动电机是电动汽车驱动装置的核心部件,用于各种电动汽车,驱动电机的性能直接影响整车的性能。

电机细分树形图

电机由定子、转子、壳体三部分组成,定子和转子是电机技术的关键点,它承担着新能源汽车驱动相关的所有功能。新能源汽车电机有正反转,正转就是向前行驶,反转就是倒车,还需要有较宽的调速范围,能在能量回收工况下充当发电机的作用。

​ 目前常用的驱动电机有三种类型:直流电机、永磁同步电机、交流感应(异步电机)。

性能差异对比如下:

直流

直流电机应用非常广泛,上图的电机大家应该都很熟悉。

缺点是:效率低、质量大、体积大、可靠性差。新一代电动汽车已经淘汰了这种电机

感应电动机

感应电机与永磁电机结构类似,都是利用电磁感应的原理产生电流,主要区别在于转子,一个有磁铁,采用永磁材料,一个没有,一般采用铝或铜材料。

特斯拉早期车型使用的感应电机

感应电机耐高温能力强,环境适应性更好,虽然感应电机的最大效率比永磁电机低,但平均效率较好,缺点是感应电机不易控制,研发成本增加,但原材料成本比永磁电机低。

永磁电机

​ 永磁电机转子磁场由永磁体产生,避免了因磁力而产生的功率损失,而且体积和质量较小,布局比较灵活。

缺点有高温退磁风险(考验电机的散热能力)、空载损耗稍高。

不过目前部分四驱或者双电机性能导向的车型会采用两者结合的方式。因为在四驱电动车架构中,在不需要高性能的时候,可以只使用一个电机,但永磁同步电机在空载时会产生反拖,对车辆行驶造成阻碍。而异步电机没有永磁体,空载时也不会有反拖,所以永磁同步电机的空载损耗会比异步电机高。

因此四驱动力若想达到接近两驱的能耗,就需要“同中有异”的搭配,才能最大限度地发挥效率。

电动车的极限动力输出在日常驾驶中运用较少,在低负荷的日常驾驶中,主要以永磁同步电机驱动车辆,实现接近两驱的能耗;在加速工况下,双电机最大输出实现四驱的动力,能为车辆带来更佳的性能体验和综合能耗。

机械传动:

机械传动装置是将电机输出的机械能传递给车轮的装置。因为电机一般都具有良好的调速性能,所以目前的机械传动装置一般都是定速比减速机构,不再需要变速箱,技术难度也不大,就不细说了。(下一阶段2/3档电动车专用变速箱其实就看车企愿不愿意做,做起来划算不划算了。)

目前,电动机与机械传动装置基本都已机电一体化,可以实现传动效率更高、可靠性更好、重量更轻、体积更小。

3. 电子控制

电子控制部分基本上相当于车辆的神经中枢,相当于人的大脑,起到控制整个车辆运行的作用。

作为传统发动机(变速箱)功能的替代,新能源汽车电机和电控系统的性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高车速等主要性能指标。同时,电控系统面临的工况也相对复杂:需要能频繁启停、加减速,低速/爬坡时要求大扭矩,高速时要求小扭矩,调速范围大;混合动力汽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。

在电控方面,一般主机厂只掌握整车控制器,新能源汽车的整车控制器与传统汽车的整车控制器差别不大,成熟度较高。

此外,在电池容量一定的情况下,电机的能量消耗直接决定了车辆的续航里程,因此电动汽车驱动系统在负载要求、技术性能、工作环境等方面都有特殊的要求:

1、驱动电机应具有更高的能量密度,轻量化、低成本,适应车内有限的空间,并具备能量回馈能力,降低整车能耗;

2、驱动电机具有高速宽调速及低速大扭矩,提供高的启动速度、爬坡性能和高速加速性能;

3、电控系统必须具有较高的控制精度、较高的动态响应速度、较高的安全性和可靠性。

作为新能源汽车产业链重要环节,电机及电控系统技术及制造水平直接影响整车性能和成本。

目前,电机、电控领域的国内自主化程度还远远落后于电池,部分电机、电控核心部件如IGBT芯片等仍不具备完整的自主生产能力,拥有完整系统知识产权的整车企业和零部件企业也还仅有少数!

最后,国内自主品牌大多只掌握了整车控制器和三电一体化技术,在三电部件技术上还比较落后,毕竟技术不是一朝一夕就能做到的。至于合资品牌,缺少电芯是他们唯一的短板,而他们通过自己设计电池包和电池管理系统来弥补这一短板,进而掌握动力电池技术。

未来随着新能源汽车技术的不断进步,技术瓶颈将被逐一突破,届时新能源汽车的续航、安全、充电、成本问题将不再是车主和车企关心的问题,届时新能源汽车将更加成熟,市场占有率也将更加广泛。

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