【干货】新能源汽车三电系统详解

文章来源:汽车动力总成 点击数:0 发布时间:2019-12-02
 讲到这里,大家肯定会发现三电系统几乎就是一台电动汽车的全部,但大家又是否知道,到底什么是三电系统呢?今天,小编就来给大家简单而不简约地科普一下。
【干货】新能源汽车三电系统详解

近年来,电动汽车的发展已经成为了汽车产业发展的趋势,越来越多的车企也逐渐把研发重心投放到电动汽车(电动和混合动力)上。电动汽车代表着汽车业界的未来,这早已成为业界的共识。

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而成就一辆电动汽车的,必定是它的三电系统。在很多资料的介绍中,三电系统被描述为电动汽车的绝对核心。实际上,三电系统不只只是电动汽车的绝对核心,更是电动汽车的根基所在。根据业内权威机构表示,三电系统的成本占据整辆纯电动车总成本的75%以上,而超过90%的纯电动车机件故障,也都是由三电系统引起的。

 讲到这里,大家肯定会发现三电系统几乎就是一台电动汽车的全部,但大家又是否知道,到底什么是三电系统呢?今天,小编就来给大家简单而不简约地科普一下。

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三电系统是什么?

三电系统是纯电动车区别于传统燃油车最核心的技术,是作为替代燃油车发动机系统而诞生的动力系统,研发三电系统需要做大量费时费力的基础工作,三电系统即是:电池、电机、电控系统。

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然而,这只是笼统的分类,因为在电池、电机、电控之下,还存在着大量的技术性难题。在这三项技术中,电池又是最重要的,它影响到汽车单次充电的行驶里程、汽车的生产成本等。电机、电控技术则相对比较成熟。

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(一)三电系统之电池

一般而言,我们将高压电池(区别于车上的低压电池)称为动力电池,和传统燃油车的油箱作用类似,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、保护外壳和其他结构件构成。而电池的关键在于电芯组,电芯组的构成如下:

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电芯是一个电池系统的最小单元。多个电芯组成一个模组,再多个模组组成一个电池包,这就是车用动力电池的基本结构。电池就像一个储存电能的容器,能储存多少的容量,是靠正极片和负极片所覆载活性物质多少来决定的。正负电极极片的设计需要根据不同车型来量身定做的。正负极材料克容量,活性材料的配比、极片厚度、压实密度等对容量等的影响也至关重要。也就是说电芯组里最重要的材料就是电芯里面的正极材料,它决定着电池的动力性能、续航里程、成本以及安全性能。

从新能源电动汽车的动力电池发展史来看,铅酸电池是最早被动力电池使用的,到后来日系混动车型所采用的镍氢电池,再到现在主流的锂电池。也就是说目前新能源电动汽车的能量来源主要有三种:铅酸电池、镍氢电池、锂离子蓄电池。

(1)铅酸电池

铅酸电池又称铅酸蓄电池,是1859年G.plante发明的。在最早期用于电动车型,优点是价格低廉、原料易得、容易回收等等,但铅酸电池的能量密度低(可以理解为过于笨重)。

(2)镍氢电池

镍氢电池是有氢离子和金属镍合成的电池,丰田目前在售的混动车型主要使用的是镍氢电池。这类电池具有稳定性高、生产成本低、低温性能好、回收价值高等优点,但是它的缺点也比较明显,同样是电池的能量密度较低,并且循环次数相比锂电池也大幅度缩水。

(3)锂离子蓄电池

锂离子蓄电池又称锂离子电池。锂离子电池由日本索尼公司于1990年最先研发成功。相较于上面的两款电池,锂离子电池具有高储存能量密度,相对地,它的制造成本也会更高。目前主流的电动汽车使用的都是这类电池。

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虽然说锂离子电池能够在外部竞争下脱颖而出,成为主流。但在锂离子电池内部,同样面临着同行的激烈竞争,根据采用的材料不同,目前的锂离子电池主要分为钴酸锂、三元锂、锰酸锂和磷酸铁锂电池四种。但目前的新能源动力电池市场,是被磷酸铁锂电池和三元锂电池“两位”二分天下。对于安全性要求更高的电动客车市场选用磷酸铁锂电池更多,而对于能量密度要求更高的乘用车市场,则是三元锂电池占比更高。那么,这四种电池又分别有什么区别呢?

(1)钴酸锂电池

优点:结构稳定、比容量高、综合性能突出

缺点:稳定性不够、安全性较差、成本非常高,其实并不适合做动力电池

代表车型:特斯拉roadster

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(2)三元锂电池

优点:能量密度高,可超过200WH/Kg,综合性能突出

缺点:输出效率低、容量衰减快、寿命短、安全性差

代表车型:特斯拉MODELS

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(3)锰酸锂电池

优点:价格最便宜,安全环保,而且没有专利限制,市场占有率最大,是日韩欧美主流电动电池,日韩、欧美、国内均有企业采用。

缺点:各方面表现不突出

代表车型:日产-聆风

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(4)磷酸铁锂电池

优点:高效率输出、循环使用次数高、寿命长、安全性能好、正极材料氧化铁磷酸盐储量充沛,磷酸铁锂电池研发、生产厂家多。 

缺点:能量密度低,只有约 150WH/Kg、低温下容量衰减巨大( -10℃下容量为 25℃下的 55%左右),制作成本高于锰酸锂,还需要深入研究降低成本。

代表车型:比亚迪

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通过上面的对比,大家应该对各类型锂离子电池有了一个大概的认识。目前,电动汽车的电池有两种主流设计。一种是以特斯拉车为代表的,采用三元(镍 Ni、钴 Co、锰 Mn 或者镍 Ni、钴 Co、铝 Al)锂电池+高智商的电池管理系统,充分发挥三元锂电能量密度大的优势;一种是以比亚迪为代表的,采用磷酸铁锂电池+相对简单的电池管理系统,充分利用磷酸铁锂电池耐操的优势。无论车企们选择哪条路线,只要能够促进锂电池行业的革新(毕竟电池是制约新能源汽车发展的瓶颈)我觉得都是正确的。

(二)三电系统之电控

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说起电控系统,大家第一会想到的就是ECU,但电动汽车的电控系统又不同于燃油车,电动汽车电控系统是电动汽车的大脑,由各个子系统构成,每一个子系统一般由传感器、信号处理电路、电控单元、控制策略、执行机构、自诊断电路和指示灯组成。在不同类型的电动汽车上,电控系统存在一些区别,但总体来说一般都包括能量管理系统、再生制动控制系统、电机驱动控制系统、电动助力转向控制系统以及动力总成控制系统等。各个子系统功能不是简单的叠加,而是综合各子系统功能来控制电动汽车,这些控制系统汇总到一个控制箱里,一般叫做整车控制器

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纯汽车整车控制器基本具备以下功能:(1)对汽车行驶控制的功能(2)整车的网络化管理(3)制动能量回馈控制(4)整车能量管理和优化(5)车辆状态的监测和显示(6)故障诊断与处理(7)外接充电管理

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下面对各功能模块作简要说明:

 1. 开关量调节模块

用于开关输入量的电平转换和整型,其一端与多个开关量传感器相连,另一端与微控制器相接。

2. 继电器驱动模块

用于驱动多个继电器,其一端通过光电隔离器与微控制器相连,另一端与多个继电器相接。

3. 高速CAN总线接口模块

用于提供高速 CAN 总线接口,其一端通过光电隔离器与微控制器相连,另一端与系统高速 CAN 总线相接,主要处理实时性要求高的信号,如电机转速信号。

4. 低速 CAN 总线接口模块

用于提供低速 CAN 总线接口,其一端通过光电隔离器与微控制器相连,另一端与系统低速 CAN 总线相接,主要处理对实时性要求不是很高信号,如灯光控制。

5. 电源模块

电源模块,可为微处理器和各输入和输出模块提供隔离电源,并对蓄电池电压进行监控,与微制器相连。

6. 模拟量输入和输出模块

可采集 0~5V 模拟信号,并可输出 0~4.095V 的模拟电压信号。

7. 脉冲信号输入和输出模块

可采集脉冲信号并调节,范围1Hz—20KHZ, 幅度 6---50V;输出 PWM 信号,范围 1HZ—10KHZ,幅度 0—14V。

8. 故障和数据存储模块

存储器可以存储标定的数据和故障码,车辆特征参数等,容量 32K。

纯电动汽车电控系统的参数匹配选择对其动力性和经济性有着很大的影响。一般一辆纯电动汽车新车在开发阶段,工程师会根据整车设计目标,通过驱动电机参数、动力电池参数匹配仿真方法及设计整车控制策略,使得纯电动汽车“电池+电机+电控”三电系统在纯电动汽车动力匹配开发初期更好地集成到一起,达到最终的设计目标以及实现相关的性能和功能。

(三)三电系统之电驱(驱动电机)

电驱系统同样由三部分组成,分别是传动机构、电机、逆变器。传动机构,目前国内电动车的传动机构都是单机减速,即没有离合也没有变速,传动机构可以增加其复杂性,从而降低对电机 电机变阻器的需求,提高性能,降低成本。电机系统,是为汽车提供扭矩的高压电机(就是给汽车提供力),一台车可以搭载数台电机,扭矩决定新能源车汽车加速速度的快慢,而电池的成本相比电机较大,因此电机的效率和性能就至关重要。 

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电动汽车所需的机械能量,也就是前进、后退的动能,都来自于电机,电机通过将电池的电能转化为机械能从而替代了内燃式发动机,那么电动汽车上的电机可是大有学问,电动汽车采用的驱动电机有直流电机、异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机四类。

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但目前市面上的主流电动汽车主要采用以下两类:交流异步电机和稀土永磁同步电动机。

 异步电机(感应电机)

工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流,产生电磁转矩,转子中并不直接产生磁场.因此,转子的转速一定是小于同步速的(没有这个差值,即转差率,就没有转子感应电流),也因此叫做异步电机。

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(特斯拉所采用的异步电机)

同步电机

转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或直流电流产生),定子旋转磁场"拖着"转子磁场(转子)转动,因此转子的转速一定等于同步速,也因此叫做同步电机。

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(永磁同步电机)

永磁同步电机最大优点就是具有较高的功率密度与转矩密度,说白了,就是相比于其他种类的电机,在相同质量与体积下,永磁同步电机能够为新能源汽车提供最大的动力输出与加速度。这也是在对空间与自重要求极高的新能源汽车行业,永磁同步电机成为首选的主要原因。

相比于永磁同步电机,异步电机的优点是成本低、工艺简单、运行可靠耐用、维修方便,而且能忍受大幅度的工作温度变化。反之,温度大幅变化会损坏永磁同步电动机。尽管在重量和体积方面,异步电动机并不占优,但其转速范围广泛以及高达20000rpm左右的峰值转速,即使不匹配二级差速器也能够满足该级别车型高速巡航的转速需求,至于重量对续航里程的影响,高能量密度的电池能够“掩盖”电机重量的优势。

作为电动汽车重要组成部件,不同电机的选用,会决定该电动车生产成本与使用情况。对于现在来讲,被广泛应用的还是属于永磁同步电机,永磁同步电机最大优点就是具有较高的功率密度与转矩密度,说白了,就是相比于其他种类的电机,在相同质量与体积下,永磁同步电机能够为新能源汽车提供最大的动力输出与加速度。这也是在对空间与自重要求极高的新能源汽车行业,永磁同步电机成为首选的主要原因。

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总结:

从目前来说,国内自主品牌大多仅仅只是掌握了整车控制器和三电集成技术,而三电零部件技术仍然在入门阶段徘徊,毕竟技术积累不是一蹴而就的事情。

可以说,谁在三电技术上做出强有力的提升,掌握三电核心技术,提高性能降低成本,谁就能在技术与市场博弈的关键阶段,胜者为王。