新能源汽车核心技术解读

新能源汽车的核心一定不是体现在自动驾驶、智能驾驶舱、内饰屏幕上。真正体验车企造车技术的是“三电”(电池、电控、电驱)。

一.电池

目前,电池仍是新能源汽车中成本最高的,约占40%。

动力电池,也称新能源汽车中的动力电池,是指为电动汽车的动力系统提供能量的电池。主要用于接收和储存外部充电装置和制动能量回收装置提供的电能,通过高压配电系统为驱动电机、电动空调压缩机、PTC加热器等高压用电设备提供电能。?关系到汽车的续航里程和行驶安全等诸多方面。电池的关键是电芯,电芯最重要的材料是正负极、隔膜和电解液。

磷酸亚铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂、镍氢电池作为正极材料广为人知。

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,甚至整车的安全性能,这也就不难解释某品牌电池的自燃现象了。

能量密度:电池的能量密度可分为质量能量密度和体积能量密度。质量能量密度是指单位质量的电池所能输出的电能。体积能量密度是指电池单位体积所能输出的电能。显然,能量密度越大,同样体积或质量的电池所能承载的电能就越多,也就意味着续航里程越大。还有功率密度,衡量的是电池的瞬间放电能力。功率密度越大,放电能力越强,车辆的瞬时加速能力越好。

所以能量密度不够高,也是阻碍新能源汽车发展的一大原因。

目前市场上常见车辆电池类型的选择:

车企对动力电池的选择也能间接反映出各个车企的追求目标和发展思路,有些车企更注重续航里程,续航体验更好;有些车企更注重行车安全,更注重安全第一的理念。

目前市场主要是磷酸亚铁锂和三元锂之争,其他已经基本被乘用车淘汰。

第二,电机

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

电机由三部分组成:定子、转子和外壳。电机技术的关键点是定子和转子。它承担所有与新能源汽车驱动相关的功能。新能源汽车的电机有正转和反转,正转就是正驱动,反转就是反驱动。并且它还具有宽范围的速度调节,可以在能量回收条件下用作发电机。

目前,常用的驱动电机有三种:DC电机、永磁同步电机和交流感应电机。

性能差异如下:

直流电机

DC电机应用广泛,上图的对比大家都很熟悉吧?

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。

感应电机

感应电机和永磁结构类似,本质都是通过电磁感应原理产生电流。两者的主要区别在于转子,一个是磁性的,使用永磁材料,一个是非磁性的,通常使用铝或铜材料。

感应电机耐高温能力强,环境适应性更好。虽然感应电机的最高效率低于永磁电机,但其平均效率更好。但缺点是感应电机不好控制,研发成本增加,但原材料成本比永磁电机少。

永磁电机

永磁电机转子的磁场由永磁体产生,避免了磁发电带来的功率损耗,体积和质量较小,布局相对灵活。

缺点包括高温退磁风险(考验电机散热能力),空载损耗略高。

但目前一些四驱或双电机性能导向的车型会采用两者的组合。因为在四驱电动车结构下,不需要高性能时只需要一个电机就可以工作,但是永磁同步电机在永磁体空的时候会产生反拖,阻碍车辆行驶。异步电机在永磁体空的情况下没有抗拖,所以永磁同步电机空载损耗会比异步电机高。

所以,要实现近两驱的能耗,四驱的动力需要“同异”匹配,实现效率最大化。

电动车的极限功率输出,日常使用频率较低。在日常行驶的低负荷工况下,永磁同步电机主要以随动状态驱动,实现近两次驱动的能耗。在加速工况下,双电机最大输出可以实现四驱的动力,可以给整车带来更好的性能体验和综合能耗。

机械传动装置:

机械传动装置是将电机输出的机械能传递给车轮的装置。因为电机一般调速性能好,现在的机械传动装置一般都是固定速比的减速机构,不需要变速箱,所以没有技术难度,不做介绍。(下一阶段2/3速电动车专用变速箱,其实就看车企想不想做了。)

目前电机和机械传动装置基本都是机电一体化,可以实现更高的传动效率、更好的可靠性、更轻的重量和更小的体积。

第三,电子控制

电控部分基本相当于车辆的神经中枢和人脑,起着控制整车运行的作用。

新能源汽车的电机和电控系统作为传统发动机(变速箱)的替代品,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相对复杂:需要能够频繁启停,加速减速,低速/爬坡要求高扭矩,高速要求低扭矩,速度范围大;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。

电控方面,对于一般主机厂来说,真正掌握的只有整车控制器。新能源汽车的整车控制器和传统汽车差别不大,成熟度相对较高。

另外,在电池容量固定的情况下,电机的能耗直接决定了续航里程。因此,电动汽车驱动系统在负载要求、技术性能和工作环境方面有着特殊的要求:

1.驱动电机应具有较高的能量密度,实现轻量化和低成本,适应有限的车内空间,同时具有能量回馈能力,降低整车能耗;

2.驱动电机兼具高速宽调速和低速大扭矩,以提供高起步速度、爬坡性能和高速加速性能;

3.电子控制系统应该具有高的控制精度、高的动态响应速度,同时提供高的安全性和可靠性。

作为新能源汽车产业链的重要一环,电机控制系统的技术和制造水平直接影响着整车的性能和成本。

目前我国电机和电控领域的自主化程度还远远落后于电池。电机电控的一些核心部件,比如IGBT芯片,还不具备完全自主的生产能力,拥有完全知识产权的整车企业和零部件企业还是少数!

最后,国内自主品牌绝大多数只掌握了整车控制器和三电一体化的技术,而三电部分的技术还处于落后阶段。毕竟技术不可能一蹴而就。至于合资品牌,电池不足是他们唯一的软肋。他们通过自己设计电池组和电池管理系统,进而掌握动力电池技术,来弥补这一缺陷。

未来,随着新能源汽车技术的不断进步,技术瓶颈将被一一打破。届时,新能源汽车的续航、安全、充电、成本等问题将不再成为车主朋友和车企关心的问题。届时,新能源汽车将会更加成熟,市场份额也将更加广泛。