鉅大LARGE | 點擊量：1635次 | 2022年02月23日
電動汽車電池、電驅(qū)和電控關(guān)鍵技術(shù)研究
1車用驅(qū)動電機(jī)方面中外技術(shù)比較
電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是新能源車輛行駛中的緊要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動特性決定了汽車行駛的緊要性能指標(biāo)。受益于國內(nèi)巨大的市場容量，國內(nèi)驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)業(yè)得以飛速發(fā)展，且國內(nèi)電動汽車匹配的驅(qū)動電機(jī)基本為本土加工，基本能滿足國內(nèi)新能源汽車使用要求。
在驅(qū)動電機(jī)技術(shù)開發(fā)方面，倘若我們把專利作為技術(shù)儲備，那么在過去的十年里，我國車用驅(qū)動電機(jī)的專利申請總量是前列，但是，其中最體現(xiàn)技術(shù)水平的發(fā)明專利占比僅僅50%，而國外發(fā)明專利占申請總量的90以上，從這個角度來看，我國的專利申請更看重“量”，而國外更重“質(zhì)”。
在驅(qū)動電機(jī)功率密度方面，“十三五”國家規(guī)劃中，明確提出電機(jī)效率超過4KW/KG，國內(nèi)很多公司的產(chǎn)品已經(jīng)能夠達(dá)到此指標(biāo)，但是相較國際先進(jìn)產(chǎn)品，在體積、制造工藝等方面相差較多。
目前，我國新能源汽車所使用的電機(jī)多為永磁同步電機(jī)、交流異步電機(jī)以及其它電機(jī)。從電機(jī)類型市場結(jié)構(gòu)來看，緊要以永磁同步電機(jī)為主，2017年新能源汽車范疇永磁同步電機(jī)裝機(jī)量達(dá)到68.51萬臺，占比超過78%；交流異步電機(jī)裝機(jī)量近19萬臺，占比21.4%。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
TeslamodelSmotor
在和國外電機(jī)比較功率密度的時候，有一點要留意的是，特斯拉models用的是感應(yīng)電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)在功率密度上筆直比較是不妥的，至少有兩點：一是交流電機(jī)沒有永磁體、用料少，這在一定程度上減輕了重量；另一方面交流電機(jī)可以自我勵磁，能夠建立比同步電機(jī)高的磁場強度。另外特斯拉的銅芯轉(zhuǎn)子專利技術(shù)也處理了很大的問題，這3點使得特斯拉的感應(yīng)電機(jī)功率密度可以和國內(nèi)的永磁同步電機(jī)媲美。
功率密度盡管能夠在一定程度上代表電機(jī)的性能，但是在有些場合卻并不適合，比如在一些要求低轉(zhuǎn)速的場合，就無法通過高轉(zhuǎn)速來提升功率密度，而轉(zhuǎn)速過高對電機(jī)來說又會帶來諸如風(fēng)磨損損耗問題、軸承問題、NVH問題等。這時候就要用另一個指標(biāo)表征電機(jī)的性能：轉(zhuǎn)矩密度。因為在很多時候，和重量及體積正相關(guān)的未必是功率，而是轉(zhuǎn)矩。
提高轉(zhuǎn)矩密度又有很多辦法，像豐田prius、bMW等是通過提高磁阻轉(zhuǎn)矩比例的辦法來獲得的。還有一種辦法是從控制側(cè)出發(fā)，通過諧波注入的方式，把電機(jī)出現(xiàn)的諧波轉(zhuǎn)矩也利用起來。最后一條路就是提高單位體積內(nèi)的磁場能量。
轉(zhuǎn)矩密度之所以成為一個發(fā)展方向，還因為另外一個因素的驅(qū)動，那就是發(fā)展越來越興旺的獨立驅(qū)動技術(shù)，也叫作分布式驅(qū)動。
在這種使用中，電機(jī)筆直安裝在輪子邊上，帶了減速器叫輪邊電機(jī)，不帶減速器叫輪轂電機(jī)，輪轂電機(jī)筆直驅(qū)動車輪，和車輪同步旋轉(zhuǎn)。車輪的轉(zhuǎn)速其實很低的，一般也就幾百轉(zhuǎn)，這種情況下，追求功率密度，也就惟有轉(zhuǎn)矩密度這一條路可以選了。
但是轉(zhuǎn)矩密度也要分使用場合，乘用車多是高速電機(jī)，做成高轉(zhuǎn)矩密度就比較困難，而要求低速大扭矩的商用車就相對容易一些。目前國內(nèi)驅(qū)動電機(jī)要在磁路設(shè)計時重點增強轉(zhuǎn)子形狀和磁阻轉(zhuǎn)矩利用率的設(shè)計；要怎么樣大幅提高導(dǎo)熱面積又不影響磁路性能是設(shè)計的重點。
在感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的選擇上，特斯拉的感應(yīng)電機(jī)比較國內(nèi)同步電機(jī)毫不遜色，但是為甚么model3選用同步電機(jī)了呢？這可能和幾個因素有關(guān)：首先是特斯拉已經(jīng)進(jìn)入我國，用同步電機(jī)有討好我國銣鐵硼材料行業(yè)的意味，第二是與我國相關(guān)公司簽署了協(xié)議，供應(yīng)鏈無憂，第三是感應(yīng)電機(jī)要想提高功率密度通常惟有提高電流一條路，但副用途相當(dāng)分明，而永磁電機(jī)卻仍有進(jìn)步和性能提升的空間。
在核心零部件方面，雖然我國稀土資源全世界最豐富，但銣鐵硼的提煉和出產(chǎn)的頂端技術(shù)卻掌握在日本和德國手中；在硅鋼片方面，我國能做到0.35mm，日本卻已經(jīng)達(dá)到0.27mm，高性能硅鋼片還是依靠進(jìn)口；高轉(zhuǎn)速軸承方面差距更大，高速電機(jī)軸承幾乎全部依靠進(jìn)口，基本沒有用國產(chǎn)軸承的。
2國內(nèi)外電動汽車動力鋰離子電池方面技術(shù)比較
目前國外動力鋰離子電池從18650向21700方向發(fā)展已經(jīng)是大勢所趨。
依據(jù)特斯拉公布的數(shù)據(jù)，21700電池的能量密度在300kw/kg，比18650的250kw/kg提高20%；但是在成本方面，21700電池是170美元/kwh，而18650電池則是185/kwh，可以看出，相比18650電池，21700電池在能量密度提高20%的同時，成本下降了8%。
21700有什么意思？21是電池外徑，70是電池高度。
電池是否越粗越長越好？理論上容量會同步提升，但是副用途同樣分明：能量密度每提高10%，循環(huán)壽命降低20%，充放電倍率降低30-40%，同時電芯有20%左右的溫升，所以21700是綜合性能和經(jīng)濟(jì)性平衡的結(jié)果。
另外從制造角度講，從18650轉(zhuǎn)產(chǎn)21700加工線基本通用，不會投入太高的設(shè)備和技改費用。
從電池單體容量來看，21700相比18650大幅提升35%，在單體電池數(shù)量上減少三分之一，并且電池PACK所需的金屬結(jié)構(gòu)件和導(dǎo)電連接件也將同步減少，預(yù)計重量上能減輕10%，成本降低24%。
由松下加工的21700電池將在model3上使用，國內(nèi)乘用車還沒有使用21700的車型，但國內(nèi)多家電池加工商已經(jīng)布局21700的電池的加工，并且18650切換過來也不是太復(fù)雜。
在電動汽車動力鋰離子電池的產(chǎn)品開發(fā)方面，國內(nèi)以磷酸鐵鋰為主；國外基本上是以三元材料為主；負(fù)極材料以石墨類材料為主。
從整個產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)水平比較，中、日、韓處于第一集團(tuán)，日本在整個電池的技術(shù)開發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，韓國在產(chǎn)品使用方面做得比較多，而我國整個產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)侨蜃钔暾摹a(chǎn)量是全球最大的、研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的投入全球相對來說也是最大的。
從整體上來看，歐美新能源汽車電池市場仍舊是日韓的天下，我國電池公司也在積極與國際車企巨頭進(jìn)行合作，以期開辟更廣闊的市場。
從市場占有率來說，像國內(nèi)的比亞迪、CATL、力神、比克等公司，在鋰離子電池范疇內(nèi)處在世界排名前列。但產(chǎn)品的平均一致性和系統(tǒng)集成，包括加工線自動化程度，跟國外的先進(jìn)水平還有一些差距。
國際電動汽車TOP5動力鋰離子電池分解：
（1）排名第一的雷諾日產(chǎn)三菱聯(lián)盟的緊要車型有日產(chǎn)聆風(fēng)、e－NV200以及雷諾Zoe等，日產(chǎn)聆風(fēng)在2017全球新能源車型銷量榜首位排在第四，是一款非常成熟的車型，此前采用的是日產(chǎn)與NEC合資的AESC電池。
而日產(chǎn)也早在2015年就開始為聆風(fēng)尋找新的配套電池，LG化學(xué)被頻頻提及。雷諾Zoe也是一款非常暢銷的純電動汽車，電池由LG化學(xué)供應(yīng)。
（2）排在第二的比亞迪，不用多說，自然用的是自家的電池。作為我國新能源汽車的代表，比亞迪打通了從電池到整車的產(chǎn)業(yè)鏈。面對變化迅速的新能源市場，比亞迪也在嘗試轉(zhuǎn)型，除了在乘用車范疇轉(zhuǎn)向三元鋰離子電池方向之外，電池拆分外銷成為比亞迪的一大業(yè)務(wù)。
（3）北汽集團(tuán)憑借EC系列在單一車型銷量榜上長期“霸”榜，北汽與國軒高科、孚能科技等電池公司合作密切，2017年五月28，北汽與國軒高科簽署18.75億元大單，2017年十二月底，北汽與孚能科技簽署了五年100萬臺電池的戰(zhàn)略采購協(xié)議。
（4）吉利集團(tuán)能躋身第四，很大程度上是因為知豆D2的發(fā)力，當(dāng)然還要加上吉利旗下的帝豪EV、全球鷹等車型。知豆緊要使用波士頓和多氟多的電池，而吉利帝豪EV采用的是寧德時代的三元鋰離子電池。
（5）排在第五的是特斯拉。由于產(chǎn)量等原由，特斯拉Model3貢獻(xiàn)的銷量并不大，直到今天仍舊未能完成量產(chǎn)爬坡的問題，以至于特斯拉召集三星和LG，意圖開辟新的供應(yīng)商。
3電動汽車控制器方面中外技術(shù)比較分解
電機(jī)控制器是連接電池與電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換單元，是電驅(qū)動控制系統(tǒng)的核心，緊要蘊含IGbT功率半導(dǎo)體模塊及相關(guān)電路等硬件部分以及電機(jī)控制算法和邏輯保護(hù)等軟件部分。
我國目前電控水平與國外存在不小的差距，產(chǎn)業(yè)化制造能力不足，國內(nèi)的電力電子技術(shù)起步相對較晚，功率電子一直是制約我國電機(jī)控制器發(fā)展的瓶頸。
倘若不差錢，都會選用歐美和日本的，再次和國產(chǎn)的。依據(jù)過往相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗，國產(chǎn)的伺服電機(jī)本體基本性能上沒什么問題，緊要伺服控制器的控制算法、集成度和和穩(wěn)定性方面有一定的差距。
電力電子技術(shù)緊要指功率器件技術(shù)，功率器件技術(shù)也不單單指模塊，也蘊含芯片的研發(fā)技術(shù)、封裝材料和封裝工藝技術(shù)，還涉及到電機(jī)控制器的集成技術(shù)。
因為這些技術(shù)的時間差，使得國內(nèi)電機(jī)控制器的功率密度水平和國外量產(chǎn)的產(chǎn)品比較存在有些差距。大部分公司推出電動汽車產(chǎn)品時傾向選擇國外相關(guān)產(chǎn)品。另外，控制器基礎(chǔ)硬件測試工具等基本依靠進(jìn)口。
功率密度是一個外在指標(biāo)的體現(xiàn)，實際上和里面用的功率模塊和功率模塊的封裝形式都密切關(guān)聯(lián)，所以我們看到對應(yīng)國外的封裝式電機(jī)控制器，我們今朝產(chǎn)品級的功率密度還有些差距。
在集成封面，特別是系統(tǒng)級集成，把半導(dǎo)體晶圓和控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)做集成，這也是我們當(dāng)前和國外差距比較大的地方，也是追趕的重點。
目前國外新能源汽車以混合動力為主，采用為永磁同步電機(jī)及控制器。電機(jī)控制器加工公司緊要有豐田、本田、日立、博世、福特、通用、明電舍電機(jī)、東芝、UQM電機(jī)、ACPROPULSION、ENOVA電機(jī)、飛思卡爾、MM公司和日本安川電機(jī)。
近年來國內(nèi)公司對新能源汽車及其核心部件的投入力度加大，電機(jī)控制器的發(fā)展快速從技術(shù)研究向產(chǎn)品開發(fā)方向發(fā)展，先后出現(xiàn)了一些專業(yè)研發(fā)加工車用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化公司，逐步形成了有利于提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低成本的產(chǎn)業(yè)鏈。
國內(nèi)電機(jī)控制器的已批量供貨的公司緊要有匯川、藍(lán)海華騰、上海電驅(qū)動、上海大郡、天津松正、深圳五洲龍、南車時代等。
詳盡來看，汽車級電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、可靠性高、效率高、成本低、調(diào)速范圍寬、環(huán)境適應(yīng)性好、環(huán)境適應(yīng)性好、制動再生效率高等要求。
由于我國電機(jī)及電控在技術(shù)、制造設(shè)備等方面的落后，導(dǎo)致我國電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度、功率密度等技術(shù)指標(biāo)，以及電機(jī)產(chǎn)品可靠性、一致性等性能指標(biāo)還有較大提升空間。
4電驅(qū)動總成及探測評價方面比較分解
4.1集成化設(shè)計已經(jīng)成為主流
隨著新能源汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，零部件集成化設(shè)計已經(jīng)成為必然趨勢。通過集成化設(shè)計，一方面可以簡化主機(jī)廠的裝配，提高產(chǎn)品合格率；另一方面可以大規(guī)模縮減供應(yīng)商數(shù)量，還可以達(dá)到輕量化、節(jié)約成本等目的。
在電驅(qū)動技術(shù)方面，目前有“二合一(電機(jī)+減速器)”辦法，代表車型是雪佛蘭bolt；“三合一(電機(jī)+減速器+電機(jī)控制器)”辦法，代表車型是特斯拉系列。
還有“多合一(蘊含電機(jī)+減速器、電機(jī)控制器、充電機(jī)、支流變換器、高壓分線盒、部分整車控制器)”辦法，代表車型是寶馬i3。
目前三合一電驅(qū)動總成辦法逐漸成為主流。而從長遠(yuǎn)來看，電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器、高壓分線盒、DC/DC、DC/AC、充電機(jī)等零部件都會集成為一個大的動力總成。
在電驅(qū)動系統(tǒng)的總成方面，不同的動力系統(tǒng)構(gòu)型包括商用車電機(jī)變速箱總成、雙電機(jī)總成等，當(dāng)前乘用車動力總成系統(tǒng)也在探索是不是可以在客車?yán)锩孀鍪褂谩?/p>
個人認(rèn)為輪轂電機(jī)是一個非常好的分布式驅(qū)動形式，但是要把輪轂電機(jī)做成產(chǎn)品還是要花非常多的時間。
4.2電驅(qū)動成本仍是制約國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸
成本高昂仍是制約電動汽車發(fā)展的最緊要因素。
除開補貼，電動汽車的價格與燃油車持平、甚至低于燃油車，電動汽車才具備市場優(yōu)點。屆時，電驅(qū)動系統(tǒng)總成的價格（電機(jī)+控制器+減速器）要下降到1萬元以下。
將來，一套b級車所用的電驅(qū)動總成（功率在130KW左右）價格將下降到1萬元以下，目前已經(jīng)有部分國外巨頭可以實現(xiàn)，但國內(nèi)電機(jī)公司距離這一目標(biāo)，還存在較大的差距，1萬元是全世界的下一代技術(shù)和產(chǎn)品水平，但國產(chǎn)電驅(qū)動系統(tǒng)總成價格普遍還要2.5萬元以上。
在一輛新能源汽車中，電機(jī)和控制器的成本占比達(dá)25%，動力鋰離子電池的成本則高達(dá)45%。因此，要想降低新能源汽車的成本，則要在電池、電機(jī)、電控上“開刀”。
2018年以后，將有越來越多外國電機(jī)品牌、車企等參與市場競爭，屆時電驅(qū)動總成市場競爭將越來越猛烈?？梢灶A(yù)見，一旦補貼完全退坡，國產(chǎn)電驅(qū)動總成公司將面對著巨大的“生存危機(jī)”。
4.3電驅(qū)動系統(tǒng)的探測和評價技術(shù)
從電驅(qū)動總成探測評價角度，緊要分為電驅(qū)動系統(tǒng)層面和關(guān)鍵材料與器件層面。
在電驅(qū)動系統(tǒng)層面，包括系統(tǒng)總成評價、功率標(biāo)定評價、帶載EMC評價、NVH評價和電安全性評價。
對功率標(biāo)定評價來說，功率密度的評價維度很多，要對各種邊界條件進(jìn)行界定，保證探測辦法的客觀性。
在電磁兼容方面，目前帶載探測的使用依然較少，空載狀態(tài)與驅(qū)動電機(jī)的實際運行工況差異較大，會導(dǎo)致探測結(jié)果的巨大差距。
驅(qū)動電機(jī)的NVH特性和電安全性能也是探測評價的緊要環(huán)節(jié)。
小結(jié)：總體來看，新能源汽車三電系統(tǒng)我國與國際先進(jìn)水平的差距不大，差距緊要是由于部分基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)所制約；但是我國新能源汽車市場龐大，給國內(nèi)公司預(yù)留的升級改進(jìn)空間也較大，國內(nèi)公司有充分的時間和空間完善自己的產(chǎn)品，但隨著國家汽車產(chǎn)業(yè)政策的放開，國際先進(jìn)公司必定會逐步入駐我國市場，所以我國公司在面對市場機(jī)遇的同時，也面對著挑戰(zhàn)。
下一篇：動力電池大洗牌 CATL獨撐大局
