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中外电动汽车电池、电驱和电控关键技术对比分析研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-08-13  浏览次数:13
核心提示:1.车用驱动电机方面中外技术对比电机驱动系统是新能源车辆行驶中的主要执行机构,驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。受益于
 1.车用驱动电机方面中外技术对比

电机驱动系统是新能源车辆行驶中的主要执行机构,驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。受益于国内巨大的市场容量,国内驱动电机产业得以飞速发展,且国内电动汽车匹配的驱动电机基本为本土生产,基本能满足国内新能源汽车使用要求。

在驱动电机技术开发方面,如果我们把专利作为技术储备,那么在过去的十年里,中国车用驱动电机的专利申请总量是世界第一,但是,其中最体现技术水平的发明专利占比仅仅50%,而国外发明专利占申请总量的90以上,从这个角度来看,我国的专利申请更看重“量”,而国外更重“质”。

在驱动电机功率密度方面,“十三五”国家规划中,明确提出电机效率超过4KW/KG,国内很多企业的产品已经能够达到此指标,但是相较国际先进产品,在体积、制造工艺等方面相差较多。

目前,我国新能源汽车所使用的电机多为永磁同步电机、交流异步电机以及其它电机。从电机类型市场结构来看,主要以永磁同步电机为主,2017年新能源汽车领域永磁同步电机装机量达到68.51万台,占比超过78%;交流异步电机装机量近19万台,占比21.4%。

在和国外电机对比功率密度的时候,有一点要注意的是,特斯拉model s用的是感应电机,感应电机和同步电机在功率密度上直接比较是不妥的,至少有两点:一是交流电机没有永磁体、用料少,这在一定程度上减轻了重量;另一方面交流电机可以自我励磁,能够建立比同步电机高的磁场强度。另外特斯拉的铜芯转子专利技术也解决了很大的问题,这3点使得特斯拉的感应电机功率密度可以和国内的永磁同步电机媲美。

▲Tesla model S motor

功率密度尽管能够在一定程度上代表电机的性能,但是在有些场合却并不适合,比如在一些要求低转速的场合,就无法通过高转速来提升功率密度,而转速过高对电机来说又会带来诸如风磨损损耗问题、轴承问题、NVH问题等。这时候就要用另一个指标表征电机的性能:转矩密度。因为在很多时候,和重量及体积正相关的未必是功率,而是转矩。

提高转矩密度又有很多方法,像丰田prius、BMW等是通过提高磁阻转矩比例的方法来获得的。还有一种方法是从控制侧出发,通过谐波注入的方式,把电机产生的谐波转矩也利用起来。最后一条路就是提高单位体积内的磁场能量。

转矩密度之所以成为一个发展方向,还因为另外一个因素的驱动,那就是发展越来越兴旺的独立驱动技术,也叫作分布式驱动。

在这种应用中,电机直接安装在轮子边上,带了减速器叫轮边电机,不带减速器叫轮毂电机 ,轮毂电机直接驱动车轮,和车轮同步旋转。车轮的转速其实很低的,一般也就几百转,这种情况下,追求功率密度,也就只有转矩密度这一条路可以选了。

但是转矩密度也要分应用场合,乘用车多是高速电机,做成高转矩密度就比较困难,而要求低速大扭矩的商用车就相对容易一些。目前国内驱动电机需要在磁路设计时重点加强转子形状和磁阻转矩利用率的设计;如何大幅提高导热面积又不影响磁路性能是设计的重点。

在感应电机和同步电机的选择上,特斯拉的感应电机对比国内同步电机毫不逊色,但是为何model 3 选用同步电机了呢?这可能和几个因素有关:首先是特斯拉已经进入中国,用同步电机有讨好中国铷铁硼材料行业的意味,第二是与中国相关公司签署了协议,供应链无忧,第三是感应电机要想提高功率密度通常只有提高电流一条路,但副作用相当明显,而永磁电机却仍有进步和性能提升的空间。

在核心零部件方面,虽然中国稀土资源全世界最丰富,但铷铁硼的提炼和加工的尖端技术却掌握在日本和德国手中;在硅钢片方面,我国能做到0.35mm,日本却已经达到0.27mm,高性能硅钢片还是依赖进口;高转速轴承方面差距更大,高速电机轴承几乎全部依赖进口,基本没有用国产轴承的。

2.国内外电动汽车动力电池方面技术对比

目前国外动力电池从18600向21700方向发展已经是大势所趋,根据特斯拉公布的数据,21700电池的能量密度在300wh/kg,比18600的250wh/kg提高20%;但是在成本方面,21700电池是170美元/kwh,而18600电池则是185/kwh,可以看出,相比18600电池,21700电池在能量密度提高20%的同时,成本下降了8%。

21700是什么意思?21是电池外径,70是电池高度。

电池是不是越粗越长越好?理论上容量会同步提升,但是副作用同样明显:能量密度每提高10%,循环寿命降低20%,充放电倍率降低30-40%,同时电芯有20%左右的温升,所以21700是综合性能和经济性平衡的结果。

另外从制造角度讲,从18600转产21700生产线基本通用,不会投入太高的设备和技改费用。

从电池单体容量来看,21700相比18600大幅提升35%,在单体电池数量上减少三分之一,并且电池PACK所需的金属结构件和导电连接件也将同步减少,预计重量上能减轻10%,成本降低24%。

由松下生产的21700电池将在model 3上使用,国内乘用车还没有使用21700的车型,但国内多家电池生产商已经布局21700的电池的生产,并且18600切换过来也不是太复杂。

在电动汽车动力电池的产品开发方面,国内以磷酸铁锂为主;国外基本上是以三元材料为主;负极材料以石墨类材料为主。

从整个产业链的技术水平对比,中、日、韩处于第一集团,日本在整个电池的技术开发方面处于领先地位,韩国在产品应用方面做得比较多,而我国整个产业链是全球最完整的、产能是全球最大的、研发和产业化的投入全球相对来说也是最大的。

从整体上来看,欧美新能源汽车电池市场依然是日韩的天下,中国电池企业也在积极与国际车企巨头进行合作,以期开辟更广阔的市场。

从市场占有率来说,像国内的比亚迪、CATL、力神、比克等企业,在锂离子电池领域内处在世界排名前列。但产品的均匀一致性和系统集成,包括生产线自动化程度,跟国外的先进水平还有一些差距。

国际电动汽车TOP5动力电池分析:

(1)排名第一的雷诺日产三菱联盟的主要车型有日产聆风、e-NV200以及雷诺Zoe等,日产聆风在2017全球新能源车型销量榜首位排在第四,是一款非常成熟的车型,此前采用的是日产与NEC合资的AESC电池。

不过,AESC2017年被转手卖给了中国的金沙江创投,而日产也早在2015年就开始为聆风寻找新的配套电池,LG化学被频频提及。雷诺Zoe也是一款非常畅销的纯电动汽车,电池由LG化学提供。

(2)排在第二的比亚迪,不用多说,自然用的是自家的电池。作为中国新能源汽车的代表,比亚迪打通了从电池到整车的产业链。面对变化迅速的新能源市场,比亚迪也在尝试转型,除了在乘用车领域转向三元锂电池方向之外,电池拆分外销成为比亚迪的一大业务。

(3)北汽集团凭借EC系列在单一车型销量榜上长期“霸”榜,北汽与国轩高科、孚能科技等电池企业合作密切,2017年5月28,北汽与国轩高科签署18.75亿元大单,2017年12月底,北汽与孚能科技签署了五年100万台电池的战略采购协议。

(4)吉利集团能跻身第四,很大程度上是因为知豆D2的发力,当然还要加上吉利旗下的帝豪EV、全球鹰等车型。知豆主要使用波士顿和多氟多的电池,而吉利帝豪EV采用的是宁德时代的三元锂电池。

(5)排在第五的是特斯拉。由于产能等原因,特斯拉Model3贡献的销量并不大,直到今天依然未能完成量产爬坡的问题,以至于特斯拉召集三星和LG,意图开辟新的供应商。

3.电动汽车控制器方面中外技术对比分析

电机控制器是连接电池与电机的能量转换单元,是电驱动控制系统的核心,主要包含IGBT功率半导体模块及相关电路等硬件部分以及电机控制算法和逻辑保护等软件部分。

我国目前电控水平与国外存在不小的差距,产业化制造能力不足,国内的电力电子技术起步相对较晚,功率电子一直是制约我国电机控制器发展的瓶颈。

如果不差钱,都会选用欧美和日本的,再次台湾和国产的。根据过往经验,国产的伺服电机本体基本性能上没什么问题,主要伺服控制器的控制算法、集成度和和稳定性方面有一定的差距。

电力电子技术主要指功率器件技术,功率器件技术也不单单指模块,也包含芯片的研发技术、封装材料和封装工艺技术,还涉及到电机控制器的集成技术。

因为这些技术的时间差,使得国内电机控制器的功率密度水平和国外量产的产品比较存在有些差距。大部分企业推出电动汽车产品时倾向选择国外相关产品。另外,控制器基础硬件检测工具等基本依赖进口。

功率密度是一个外在指标的体现,实际上和里面用的功率模块和功率模块的封装形式都密切关联,所以我们看到对应国外的封装式电机控制器,我们现在产品级的功率密度还有些差距。

在集成封面,特别是系统级集成,把半导体晶圆和控制器内部结构做集成,这也是我们当前和国外差距比较大的地方,也是追赶的重点。

目前国外新能源汽车以混合动力为主,采用为永磁同步电机及控制器。电机控制器生产企业主要有丰田、本田、日立、博世、福特、通用、明电舍电机、东芝、UQM 电机、AC PROPULSION、ENOVA 电机、飞思卡尔、MM 公司和日本安川电机。

近年来国内企业对新能源汽车及其核心部件的投入力度加大,电机控制器的发展快速从技术研究向产品开发方向发展,先后出现了一些专业研发生产车用电机驱动系统的产业化公司,逐步形成了有利于提高产品品质、降低成本的产业链。

国内电机控制器的已批量供货的企业主要有汇川、蓝海华腾、上海电驱动、上海大郡、天津松正、深圳五洲龙、南车时代等。

具体来看,汽车级电机具有结构紧凑、尺寸小、重量轻、可靠性高、效率高、成本低、调速范围宽、环境适应性好、环境适应性好、制动再生效率高等要求。

由于我国电机及电控在技术、制造设备等方面的落后,导致我国电机转矩密度、功率密度等技术指标,以及电机产品可靠性、一致性等性能指标还有较大提升空间。

4.电驱动总成及测试评价方面对比分析

4.1 集成化设计已经成为主流

随着新能源汽车技术的不断发展,零部件集成化设计已经成为必然趋势。通过集成化设计,一方面可以简化主机厂的装配,提高产品合格率;另一方面可以大规模缩减供应商数量,还可以达到轻量化、节约成本等目的。

在电驱动技术方面,目前有“二合一(电机+减速器)”方案,代表车型是雪佛兰Bolt;“三合一(电机+减速器+电机控制器)”方案,代表车型是特斯拉系列。

还有“多合一(包含电机+减速器、电机控制器、充电机、支流变换器、高压分线盒、部分整车控制器)”方案,代表车型是宝马i3。

目前三合一电驱动总成方案逐渐成为主流。而从长远来看,电机、减速器、电机控制器、高压分线盒、DC/DC、DC/AC、充电机等零部件都会集成为一个大的动力总成。

在电驱动系统的总成方面,不同的动力系统构型包括商用车电机变速箱总成、双电机总成等,当前乘用车动力总成系统也在探索是否可以在客车里面做应用。

个人认为轮毂电机是一个非常好的分布式驱动形式,但是要把轮毂电机做成产品还是需要花非常多的时间。

4.2 电驱动成本仍是制约国内产业发展的瓶颈

成本高昂仍是制约电动汽车发展的最主要因素。

除开补贴,电动汽车的价格与燃油车持平、甚至低于燃油车,电动汽车才具备市场优势。届时,电驱动系统总成的价格(电机+控制器+减速器)需要下降到1万元以下。

未来,一套B级车所用的电驱动总成(功率在130KW左右)价格将下降到1万元以下,目前已经有部分国外巨头可以实现,但国内电机企业距离这一目标,还存在较大的差距,1万元是全世界的下一代技术和产品水平,但国产电驱动系统总成价格普遍还需要2.5万元以上。

在一辆新能源汽车中,电机和控制器的成本占比达25%,动力电池的成本则高达45%。因此,要想降低新能源汽车的成本,则需要在电池、电机、电控上“开刀”。

2018年以后,将有越来越多外国电机品牌、车企等参与市场竞争,届时电驱动总成市场竞争将越来越激烈。可以预见,一旦补贴完全退坡,国产电驱动总成企业将面临着巨大的“生存危机”。

4.3 电驱动系统的测试和评价技术

从电驱动总成测试评价角度,主要分为电驱动系统层面和关键材料与器件层面。

在电驱动系统层面,包括系统总成评价、功率标定评价、带载EMC评价、NVH评价和电安全性评价。

对功率标定评价来说,功率密度的评价维度很多,需要对各种边界条件进行界定,保证测试方法的客观性。

在电磁兼容方面,目前带载测试的应用仍然较少,空载状态与驱动电机的实际运行工况差异较大,会导致测试结果的巨大差距。

驱动电机的NVH特性和电安全性能也是测试评价的重要环节。

小结:总体来看,新能源汽车三电系统我国与国际先进水平的差距不大,差距主要是由于部分基础工业技术所制约;但是我国新能源汽车市场庞大,给国内企业预留的升级改进空间也较大,国内企业有充足的时间和空间完善自己的产品,但随着国家汽车产业政策的放开,国际先进企业必定会逐步入驻中国市场,所以中国企业在面对市场机遇的同时,也面临着挑战。

 
 
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