电动汽车“三电”系统-动力电池

2025-01-24 10:55   上海  

新能源汽车区别于传统车最核心的技术是“三电”,包括电驱动,电池,电控。

下面详细讲解一下三电基础知识:

一、电池
电池是与化学、机械工业、电子控制等相关的一个行业。
电池的关键在电芯,电芯最重要的材料便是正负极、隔膜、电解液。
正极材料广为熟知的有磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元、高镍三元。

动力电池是非常“年轻”的产品,1996年通用推出EV-1采用的是铅酸电池,它是现代电动汽车架构雏形,从铅酸电池到日系混动的镍氢电池,再到现在流行的锂电池,也才20多年。

从第四批《
新能源汽车推广应用推荐车型目录》新能源乘用车配置电池来看,32款车型采用了17家企业的电池,其中16家是电池厂商,另外一家是长安新能源的,这说明其它乘用车的动力电池直接外购,包括电芯、电池组与电池管理系统等。

大部分自主品牌主机厂都没有自己的电芯与电池组设计能力

跨国车企,虽然没有自己的电芯,但是它们却坚持自己设计生产电池组件与管理系统,这是为了加强动力电池的核心竞争力。与大多自主品牌的差别是,即使不采用这家的电芯,它们可以换个电芯品牌照样能够设计电池组,核心技术还是掌握在自己手里。

但是我们更关心的是动力电池,也是就新能源汽车中的能量来源

目前动力电池中,镍氢电池面临淘汰,铅酸电池全凭保有量在支撑,故目前以锂电池最为主要。(如下图)

先介绍几个重要概念

能量密度方面电池肯定不如汽油,但是究竟差别多大呢?

一箱50L的汽油可以大概跑600km

续航同样里程的电动车需要多少电池呢?

(如下图)

下表列出了四类锂电池的主要性能指标差别

从表中可以看出,四类电池各有优劣。那各汽车厂商究竟是凭什么选择其中某种电池呢?哪种电池又将是未来的主流呢?

数码电子产品对锂电池安全性要求不高,钴酸锂电池最合适3C领域,特斯拉敢于使用此类电池也是未来得到超强的续航能力,但是同时其安全性能要打些折扣。

锰酸锂电池因其不偏不倚的特征赢得动力电池最大的市场占有率,虽然其能量密度不如钴酸锂和三元锂,但其他综合性能相当出色。

如果不是较低的能量密度限制了磷酸铁锂电池,其真的有可能成为动力电池中的霸主。安全性能和寿命这两个关键指标都是顶尖的。

如果说国内把锂电池的发展重心放在了磷酸铁锂电池上,国际动力锂电池行业的新星非三元锂电池莫属,比钴酸锂电池更高的能量密度,成本低于钴酸锂电池,安全性也相当可靠。

不同车企对于动力锂电池的选择都有自己的考虑(如下图)

动力电池发展趋势

总结:

二、电驱

电驱由三部分构成:传动机构、电机、逆变器。

目前国内外电动车的传动机构都是单机减速,即没有离合、没有变速。

未来各电动车企业将会在传动机构上增加复杂性,同时降低对电机、电机变阻器的需求,即提高性能,降低成本。

电机由三部分组成:定子、转子、壳体,电机技术的关键点在定子、转子。

转子即新能源汽车的主驱动电机,它承担了与新能源汽车运动相关的所有功能。

新能源汽车的电机有正转和反转,正转即为向前行驶,反转即为倒车。

新能源汽车在正转加速行驶过程中,电机为负扭矩,扭矩的精确意味着新能源汽车加速速度的快慢。

当扭矩产生误差时,需要电机来完成的新能源汽车加速,里程数则转变为需要消耗同等能量的电池来完成,而电池的成本相比电机较大,因此新能源汽车电机的效率和性能至关重要。

目前汽车专用点击驱动系主要有三类:直流点击驱动系、永磁同步电机驱动系、交流感应点击驱动系。

直流电机

感应电机:

永磁电机

逆变器是把直流电转变成交流电的设备,若一台电动汽车的逆变器能支持较高电压,则相应的电压充电流较大,功率较大,这意味着同样电流进行充电,充电功率可以等比例放大,即充电时间会缩短。若提高逆变器的支持电压,则相应的充电时逆变器产生的热量会变多,那么就需要解决逆变器中IGBT模块的散热问题,这是提高充电效率的关键问题,目前日本丰田对此研究较深入,例如其加硅碳技术的应用。

三、电控

新能源汽车电机、电控系统作为传统发动机(变速箱)功能的替代,其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标。

同时,电控系统面临的工况相对复杂:需要能够频繁起停、加减速,低速/爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,具有大变速范围;

混合动力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,对于一般的主机厂来说,真正掌握的只有整车控制器,新能源汽车整车控制器与传统汽车的整车控制器差别并不是很大,它的成熟度也比较高。

此外,电机的能耗直接决定了固定电池容量情况下的续航里程。因此,电动汽车驱动系统在负载要求、技术性能和工作环境上有特殊要求:

1,驱动电机要有更高的能量密度,实现轻量化、低成本,适应有限的车内空间,同时要具有能量回馈能力,降低整车能耗;

2,驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩,以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能;

3,电控系统要有高控制精度、高动态响应速率,并同时提供高安全性和可靠性。

电机电控系统作为新能源汽车产业链的重要一环,其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。目前,国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池,部分电机电控核心组件如IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力,具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。

通过上面分析可以看出,绝大部分自主品牌仅掌握了整车控制器与三电集成技术,对三电零部件技术却仍是处于没有进门的阶段,毕竟不是一个领域,技术不是一蹴而就的。

而合资品牌方面,没有电芯是它们唯一的软肋,但是通过自己设计电池组与电池管理系统,进而掌握动力电池技术弥补了这个缺陷。技术这种东西是需要积累的。

来源:电动知家

首先介绍下大三电:电池作为新能源汽车上价值最高的零件,替代了传统车上的发动机,用来储存电能,为电动车提供电源。驱动电机把电能转换为机械能驱动车辆行驶,同时,也可以作为发电机将机械能转换为电能,并存储在动力电池内。电机控制器将动力电池的高压直流电变换为驱动电机的高压三相交流电,使驱动电机产生力矩,同时电机控制器具有CAN通讯功能、过流保护、过载保护、过压保护、高压互锁、故障上报等功能。

接下来介绍下小三电,车载充电机(On-Board Charger,简称为OBC)的基本功能是电网电压经由地面交流充电桩、交流充电口,连接至车载充电机,把交流电转转化为直流电,给动力电池进行慢速充电。DC/DC直流转换器是电能转换的零件,可以将高压直流(DC)电源转换为不同电压(12V或48V)的直流(或近似直流)。电源高压配电盒PDU(Power Distribution Unit)是由很多高压继电器,高压保险丝组成,能够对整车高压配电进行管理,实现对各路输出分别进行控制,有些主机厂会把PDU直接集成到电池包里面,比如特斯拉。

除了大三电和小三电,还有充电口和高压线束,充电口又称插座,一般交流充电口和直流充电口做成一体,如下图,高压线束是电动汽车进行动力输出的主要载体,连接各个高压零部件进行电力输送。

整个三电系统的工作过程如下:先说充电过程,如果是使用交流充电桩,那么交流电通过交流充电口(AC端)和高压线束进入整车,通过车载充电机把交流电转转化为直流电,然后经由电源高压配电盒PDU进入动力电池里面。如果是使用直流充电桩,那么直流电通过直流充电口(DC端)进入整车,直接经由高压配电盒PDU进入动力电池里面。

在放电过程中,电池里面的电流会通过高压配电盒PDU把电流分配到热管理系统里面的高压用电器,如压缩机和加热器(PTC),还可以把电流分配到电机控制器,由电机控制器把直流电转化为交流电驱动电机旋转输出动力给整车,整车用电器的电流也是通过高压配电盒PDU把电流分配到DC/DC直流转换器,将高压直流(DC)电源转换为低压(12V或48V)的直流给到用电器。

除了充电桩充电和整车放电外,为了提升整车的续航,很多电动车配备了能量回收功能,电动车有两种能量回收的方式,也就是制动能量回收和滑行能量回收,唯一的区别就是是否踩制动踏板。在能量回收时,电机旋转产生的电流经过电机控制器转化为直流经由高压配电盒PDU进入电池包进行存储。


电池:电动汽车的能量之源

电池是电动汽车的动力来源,相当于燃油车的油箱,其主要功能是存储和提供电能。目前市场上主流的电动汽车电池为锂电池,包括磷酸铁锂和三元锂电池等。

锂电池具有高能量密度、长寿命和环保等特性,被广泛应用在电动汽车上。它由多个电池单体、电池管理控制单元(BMU)、电池高压分配单元、CSC信息采集系统、冷却系统等组成。

在日常使用中,电池的续航里程是消费者最为关注的问题之一。影响电池续航的因素主要包括电池容量、能量密度以及车辆的能耗等。为了提高续航里程,车企一方面不断加大电池容量,另一方面也在努力提升电池的能量密度,同时通过优化车辆设计降低能耗。

电机:电动汽车的动力核心

电机系统是电动汽车的动力来源,相当于燃油车的发动机,负责将电池的电能转化为机械能,驱动车辆行驶。目前市场上常见的驱动电机有直流电机、交流感应电机和永磁同步电机等。

直流电机应用广泛,但存在效率低、质量大、体积大、可靠性差等缺点,新一代电动汽车已较少使用。交流感应电机抗高温性能强,环境适应性佳,平均效率表现较好,但不易控制,研发成本较高。永磁同步电机尺寸和质量偏小,布置相对灵活,效率高,但存在高温退磁风险,空载损耗略高。

不同类型的电机适用于不同的应用场景。例如,永磁同步电机在城市道路等低速行驶场景中,能够提供较好的动力输出和能效表现;而交流感应电机在高速行驶和复杂路况下,具有更好的稳定性和适应性。

电控:电动汽车的智能中枢

电控系统是电动汽车的智能管理中枢,相当于燃油车的变速箱和行车电脑,负责控制电机的运行,管理电池的充放电,以及监控整车的状态。

电控系统的智能化水平直接影响到电动汽车的行驶安全、能耗控制和驾驶体验。它需要具备高效、稳定、安全的特点,以确保车辆的正常运行。在车辆行驶过程中,电控系统要根据驾驶员的操作和车辆的实际运行情况,实时调整电机的输出功率和扭矩,实现车辆的平稳加速、减速和转向。

同时,电控系统还负责电池的充放电管理,包括充电电流和电压的控制、电池状态的监测等,以延长电池的使用寿命,确保充电安全。

三电系统常见问题解答
  • :电动汽车的电池寿命一般有多长?
    :一般来说,电动汽车的电池寿命在8-10年左右,或者行驶里程达到15-20万公里左右。但这也会受到使用环境、充电习惯等因素的影响。

  • :如何延长电动汽车电池的使用寿命?
    :避免过度充电和过度放电,尽量保持电池电量在20%-80%之间;使用原装或正规的充电设备;避免在高温或低温环境下长时间充电或停放车辆。

  • :电机的功率越大越好吗?
    :不是的。电机功率需要根据车辆的用途和设计需求来选择。功率越大,车辆的加速性能和最高速度可能会越高,但同时也会消耗更多的电能,降低续航里程。

  • :电控系统出现故障会有什么影响?
    :可能会导致车辆动力减弱、加速不畅、行驶不稳定,甚至无法正常启动或行驶。严重的故障还可能会影响电池的充放电和使用寿命。

  • :电动汽车的三电系统需要定期保养吗?
    :需要。定期保养可以检查三电系统的运行状态,及时发现和解决潜在问题,确保系统的正常运行和车辆的安全性。

  • :三电系统的维修成本高吗?
    :相比传统燃油车的维修,三电系统的维修成本可能会较高,因为其技术含量高,零部件价格也相对较贵。

  • :电动汽车在充电时需要注意什么?
    :选择正规的充电桩,按照操作规程进行充电;充电时不要在车内放置易燃、易爆物品;避免在充电时使用大功率电器设备。

  • :三电系统的防水性能如何?
    :一般电动汽车的三电系统都具有一定的防水性能,能够满足正常的使用需求。但在遇到积水较深的路段时,还是要谨慎驾驶,避免车辆进水。

  • :三电系统的发展趋势是什么?
    :未来三电系统将朝着更高能量密度、更高效率、更智能化和更安全可靠的方向发展,同时成本也将逐渐降低。

  • :如何判断三电系统的质量好坏?
    :可以参考车辆的品牌和口碑、三电系统的技术参数、厂家的质保政策等因素,也可以查看专业机构的测评报告。


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